БАНОЧНОЕ ОКНО ВЫВОДА ЭНЕРГИИ СВЧ Российский патент 2025 года по МПК H01J23/36 H01P1/08 

Изобретение относится к электронной и ускорительной технике, а именно к вакуумноплотным баночным окнам в выводах энергии СВЧ и может быть использовано при создании мощных и сверхмощных клистронов.

Одним из типов выводов энергии электровакуумных приборов СВЧ являются вакуумноплотные окна баночного типа, представляющие собой отрезки круглого волновода с поперечной диэлектрической перегородкой с соосно подсоединенными к их торцам стандартными прямоугольными волноводами.

Прямоугольные волноводы в баночном выводе энергии работают обычно на самом своём низкочастотном типе волны TE₁₀, имеющем плоскость симметрии в виде магнитной стенки, расположенной перпендикулярно центру широкой стенки волновода, поэтому в соединённом с ними отрезке круглого волновода могут возбуждаться только типы волн, с таким же типом симметрии.

Известно техническое решение указанной проблемы, где предложено использовать для передачи СВЧ энергии в баночном окне комбинацию из двух распространяющихся типов волн TE₁₁ и TM₁₁ полого круглого волновода, что при подобранных определённым образом размерах вывода должно приводить к значительному увеличению максимальной передаваемой мощности [См. подробнее S.Yu. Kazakov. A new traveling-wave mixed-mode RF window with a low electric field in ceramic-metal brazing area //KEK preprint 98-120, (1998), pp. 1-4]. Однако это потребовало значительного увеличения диаметра керамического диска и круглого волновода и включения с каждой его стороны дополнительных отрезков круглого волновода меньшего диаметра.

Известно техническое решение относительно конструкции баночного окна вывода энергии СВЧ [См. подробнее B.V. Prokofiev, M.A. Martynenko. A Simple Pillbox-Type Mixed-Mode Window for High Power Microwave Devices// in 2017 Eighteenth International Vacuum Electronics Conference (IVEC), (2017). pp. 1-2], однако требуется контролировать рабочую частоту СВЧ прибора, т.к. паразитная резонансная частота полого круглого волновода с керамическим диском на типе TM₁₁ находится достаточно близко к центральной частоте полосы пропускания, и при случайном повышении рабочей частоты до неё возможно разрушение керамического диска из-за высокочастотного пробоя или перегрева.

Известно техническое решение относительно баночного окна вывода энергии СВЧ для передачи СВЧ-мощности [Патент РФ № 2802497 «Баночное окно вывода энергии СВЧ», авторы: Галдецкий А. В., Савин А. Н., Симонов К. Г. Ключников Н. А., приоритет 30.11.2022 г., публ. 29.08. 2023 г.. бюлл. № 25]. Баночное окно, содержащее отрезок круглого волновода, в поперечной плоскости которого равноудаленно от его торцов расположен диэлектрический диск, вакуумноплотно спаянный со стенкой отрезка круглого волновода, а также первый и второй отрезки прямоугольных волноводов, расположенные соосно с отрезком круглого волновода и присоединенные к нему с противоположных торцов, дополнительно содержит согласующие элементы на входе и выходе баночного окна, выполненные в виде усеченных конусов, в сочетании с согласующими настроечными элементами в виде индуктивных диафрагм, расположенными во входном и выходном прямоугольных волноводах (принят за прототип). Следует отметить, что такая конструкция имеет довольно ограниченную полосу частот.

Предложенное техническое решение направлено на устранение недостатков, имеющихся у аналогов и прототипа.

Техническим результатом является расширение рабочей полосы частот и высокий уровень передаваемой мощности.

Технический результат достигается тем, баночное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ для передачи СВЧ-мощности, содержащее отрезок круглого волновода, в поперечной плоскости которого равноудаленно от его торцов расположен диэлектрический диск, вакуумноплотно спаянный со стенкой отрезка круглого волновода, а также первый и второй отрезки прямоугольных волноводов с индуктивными диафрагмами, расположенные соосно с отрезком круглого волновода и присоединенные к нему с противоположных торцов согласующими элементами в виде усеченных конусов на входе и выходе баночного окна, хотя бы в одном из отрезков прямоугольных волноводов размещен волноводный резонатор, причем, толщина крышек резонатора Т_d выбирается из условия

0,014⋅λ₀ ≤Т_d ≤ 0,042⋅λ₀,

где λ₀ - длина волны в вакууме на центральной частоте,

а поперечный размер прямоугольного отверстия в крышках резонатора рассчитывается методами численного моделирования.

Сущность технического решения состоит в следующем.

Введение хотя бы одного волноводного резонатора позволяет уменьшить коэффициент отражения от имеющихся неоднородностей устройства (диафрагмы, диэлектрический диск, усеченные конусы), распределяя величины коэффициента отражения по длине волновода, обеспечивая их взаимную компенсацию в рабочей полосе частот.

Ширина рабочей полосы устройства обеспечиваются соотношением толщины крышек резонатора. При дальнейшем уменьшении толщины крышки снижается уровень пропускаемой мощности в рабочей полосе частот. При дальнейшем увеличении толщины крышки происходит сужение рабочей полосы частот.

Отрезки прямоугольного волновода связаны с волноводным резонатором через щели связи, выполненные в форме прямоугольных отверстий в его крышках. Оптимальный размер щелей связи (поперечный размер прямоугольного отверстия) рассчитывается методами численного моделирования, обеспечивает уменьшение потери энергии сигнала и эффективно подавляет внеполосные и побочные колебания в рабочей полосе частот.

Рабочий диапазон устройства формируется длиной секции резонатора, обеспечивающего электромагнитную связь во всей структуре банки.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1. Представлен общий вид баночного окна вывода энергии СВЧ, а) - вид сбоку, б) - вид сверху, в) - вид спереди, где:

1 - круглый волновод;

2 - диэлектрический диск;

3 - отрезки прямоугольного волновода;

4 - индуктивная диафрагма;

5 - усеченный конус;

6 - волноводный резонатор;

7 - крышка волноводного резонатора;

8 - прямоугольное отверстие в крышке.

На фиг. 2. представлена зависимость КСВН входа баночного окна вывода энергии СВЧ в широкой (а) и рабочей (б) полосах частот для прототипа (сплошная серая линия), заявляемого устройства (сплошная черная линия).

Устройство работает следующим образом. Входная мощность поступает во входной прямоугольный волновод 3 и распространяется в нём в виде волны типа TE₁₀, возбуждая в индуктивной диафрагме 4 СВЧ-токи, которые в свою очередь возбуждают в волноводе вторичные волны. В результате интерференции первичной и вторичных волн коэффициент передачи баночного окна приобретает частотную зависимость, особенно резко выраженную в области резонансный частот.

В области усеченного конуса 5 преобразуется в распространяющийся тип TE₁₁ и затухающий тип TM₁₁ круглого волновода 1, которые проходят через диэлектрический диск 2.

Расположенный в выходном прямоугольном волноводе 3 волноводный резонатор 6, крышки 7 которого закреплены в прямоугольном волноводе 3 поперек и имеют прямоугольное отверстие 8, компенсирует отражённые волны от остальных элементов устройства, находящихся перед ним.

Волноводный резонатор 6 определяет форму АЧХ в полосе пропускания и также влияет на ширину полосы пропускания устройства, исключая внеполосную передачу побочных гармоник между входным и выходным прямоугольными волноводами 3.

Пример реализации. Баночное окно изготовлено из меди. Диэлектрическая перегородка выполнена в виде диска 2 из керамики ВК94-1 с относительной диэлектрической проницаемостью 9.3, тангенсом угла потерь и вакуумноплотно соединена со стенками отрезка круглого волновода 1 с помощью пайки припоем ПЗлМ35В. Пайка отрезка круглого волновода 1 с впаянной диэлектрическим диском 2 с элементами в виде усечённых конусов 5 осуществлена с помощью припоя ПСрМПд65-0-15В. Пайка входного/выходного прямоугольных волноводов 3 к усечённым конусам 5, индуктивной диафрагмы 4 и крышками 7 волноводного резонатора 6 реализована с помощью припоя ПСр72.

Элементы устройства имеют следующие размеры: ширина и высота отрезков прямоугольных волноводов - 90×45 мм, радиус отрезка круглого волновода - 51.5 мм, длина отрезка круглого волновода перед диэлектрическим диском - 66 мм, толщина диэлектрического диска - 13.1 мм, высота усеченных конусов - 10 мм, длина секции резонатора -14, 607 мм, толщина крышек резонатора -1 мм, прямоугольное отверстие в крышках резонатора имеет размеры 18,075×28,5 мм.

Были проведены испытания устройства. Частотные зависимости КСВН входа баночного окна вывода энергии СВЧ приведены на фиг. 2, рабочая полоса частот определена по уровню КСВН≤1,1.

Пик КСВН на фиг. 2а соответствует паразитной резонансной частоте волны типа TM₁₁ круглого волновода с диэлектрическим диском. Располагается он на 4% выше рабочей частоты по сравнению с прототипом.

Анализ графика (фиг.2б) КСВН баночного окна позволяет увидеть увеличение рабочей полосы частот с 4.8% (прототип) до 12% (заявляемое устройство).

Данная конструкция баночного окна вывода энергии СВЧ в 12%-й рабочей полосе частот позволяет пропускать мощность до 50 МВт.

Все вышесказанное подтверждает достижение заявленного технического результата.

Изобретение может быть использовано при создании мощных и сверхмощных приборов СВЧ, обеспечивая надёжную передачу больших уровней мощности от прибора к нагрузке в достаточно широкой полосе частот.

Изобретение относится к электронной и ускорительной технике, а именно к вакуумноплотным баночным окнам в выводах энергии СВЧ и может быть использовано при создании мощных и сверхмощных клистронов. Технический результат - расширение рабочей полосы частот и высокий уровень передаваемой мощности. Баночное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ для передачи СВЧ-мощности содержит отрезок круглого волновода, в поперечной плоскости которого равноудаленно от его торцов расположен диэлектрический диск, вакуумноплотно спаянный со стенкой отрезка круглого волновода, а также первый и второй отрезки прямоугольных волноводов с индуктивными диафрагмами, расположенные соосно с отрезком круглого волновода и присоединенные к нему с противоположных торцов согласующими элементами в виде усеченных конусов на входе и выходе баночного окна. Хотя бы в одном из отрезков прямоугольных волноводов размещен волноводный резонатор, причем толщина крышек резонатора Т_d выбирается из условия 0,014⋅λ₀ ≤Т_d ≤ 0,042⋅λ ₀, где λ₀ - длина волны в вакууме на центральной частоте, а поперечный размер прямоугольного отверстия в крышках резонатора рассчитывается методами численного моделирования. 2 ил.

Баночное окно вывода энергии СВЧ, содержащее отрезок круглого волновода, в поперечной плоскости которого равноудаленно от его торцов расположен диэлектрический диск, вакуумноплотно спаянный со стенкой отрезка круглого волновода, а также первый и второй отрезки прямоугольных волноводов с индуктивными диафрагмами, причем прямоугольные волноводы расположены соосно с отрезком круглого волновода и присоединены к нему с противоположных торцов усеченными конусами, отличающееся тем, что по меньшей мере в одном из отрезков прямоугольных волноводов размещен волноводный резонатор, причем толщина крышек резонатора Т_d выбирается из условия

0,014 λ₀ ≤Т_d ≤ 0,042 λ₀,

где λ₀ - длина волны в вакууме на центральной частоте,

а поперечный размер прямоугольного отверстия в крышках резонатора рассчитывается методами численного моделирования.