Компактная свч-нагрузка большой мощности

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано как оконечная нагрузка в волноводных трактах с высоким уровнем мощности в качестве согласованной нагрузки. СВЧ-нагрузка содержит металлический волновод с высотой «В» узкой стенки и шириной «А» широкой стенки и примыкающий к нему поглотитель в виде блока пластин из графита, располагающихся параллельно широким стенкам волновода. Каждая пластина со стороны входа имеет клиновую форму, вследствие чего зазор между пластинами равномерно сужается до очень малой величины и далее переходит в участок с этим постоянным очень малым по величине зазором. Для передачи тепла от нагрузки в окружающую среду нагрузка имеет оребрение с наружной стороны. Зазоры между пластинами переходят в узкие щели, в которых происходит основное поглощение СВЧ мощности, при этом в узкие щели СВЧ-нагрузки помещены пленки из теплостойкого диэлектрика с высоким значением напряжения пробоя. Технический результат - повышение уровня рассеиваемой мощности и электрической прочности, а также уменьшение коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВн) и габаритных размеров СВЧ-нагрузки при конструктивной и технологической простоте. 4 ил.

 

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано как оконечная нагрузка в волноводных трактах с высоким уровнем мощности в качестве согласованной нагрузки.

Известна СВЧ-нагрузка высокого уровня мощности (Патент RU 2367067 С1, опубл. 10.09.2009 г.), содержащая волновод, гребневой волновод, состоящий из n поглощающих секций переменной ширины и одинаковой высоты, переход с волновода на гребневой волновод, отличающаяся тем, что гребневой волновод выполнен из металла с низкой проводимостью, величина воздушного зазора гребневого волновода составляет менее 0,1 его высоты, причем коэффициент затухания по его длине изменяется по закону: α=10*lg(n/(n-1)), где n - число секций поглощающего клина, а
требуемое затухание каждой поглощающей секции α=8,68((πλ_кр/λ²b₁)+Q)/√((λ_кр/λ)²-1), где Q={{q-r)²πq²/r²[tg(πγ/k)+πγ/ksec(πγ/k)]+(q- r)/qk(B')}tg²(2πδ₁/k)+4π²/ksec(2πδ₁/k)}/a₁k{2q/t[tg(πγ/k)+πγ/ksec²(πγ/k)]tg² (2πδ₁/k)+4πδ₁/ksec²(πδ₁/k)}; q=b₁/2C₁; γ=a₂/a₁; k=λ_кр/a₁; r=b₂/b₁; δ₁=(1-a₂/a₁); B'=B₀/Y₀=ctg[π(a₁-a₂)/λ_кр]-b₁tg(πa₂/λ_кр)/b₂; δ - глубина проникновения тока; а₁ - ширина волновода вне гребня; а₂ - ширина гребня; b₁ - высота гребневого волновода; b₂ - величина воздушного промежутка; λ - длина волны; λ_кр- критическая длина волны гребневого волновода; достигается выбором ширины гребня соответствующей поглощающей секции.

Недостатками этой конструкции являются сложность реализации, относительно небольшая допустимая поглощаемая мощность, большая длина и невысокая электрическая прочность.

Известна СВЧ-нагрузка высокого уровня мощности (Патент RU 2580465 C1, опубл. 10.04.2016 г.), содержащая металлический волновод, поглотитель, экран, отличающаяся тем, что волновод выполнен прямоугольным с высотой b узкой стенки и шириной а широкой стенки, в котором образован плавный переход длиной L переменной высоты, уменьшающейся до нуля, поглощающая поверхность перехода совмещена с поглощающей поверхностью поглотителя шириной s, расположенной на одной из широких стенок волновода, а отражающая поверхность перехода - на противоположной широкой стенке, при условии s<a, α=arctg(b/L), где α - угол наклона перехода, при этом поглотитель помещен в экран, выполненный из меди, и закреплен в нем электропроводным клеем или пайкой.

Недостатками этой конструкции также являются сложность реализации, относительно небольшая допустимая поглощаемая мощность, большая длина и невысокая электрическая прочность.

Заявляемое изобретение позволяет преодолеть или снизить негативный эффект от недостатков известных прототипов.

Техническими результатами предлагаемого изобретения являются: упрощение конструкции и технологии его изготовления, предельное увеличение допустимой рассеиваемой мощности и повышение электрической прочности, уменьшение коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВн), уменьшение габаритных размеров СВЧ-нагрузки.

Упростить конструкцию изобретения и технологию его производства позволяет то, что в заявляемом изобретении используются детали, требующие обработки только наружных поверхностей, в то время как в прототипах используются детали с обработкой внутренних поверхностей или поверхностей, требующих высокой точности обработки.

Увеличить допустимую рассеиваемую мощность и повысить электрическую прочность удается за счет разделения энергии по каналам между пластинами из материала с высокой теплостойкостью – графита, имеющими клинообразную форму.

За счет возможности уменьшения углов клиновидной формы пластин достигается уменьшение коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВн).

Уменьшение габаритных размеров СВЧ-нагрузки происходит за счет уменьшения длины участка плавных переходов и длины участков постоянных по величине зазоров в блоке пластин из графита.

Конструкция СВЧ нагрузки поясняется чертежами.

На Фиг. 1 представлен разрез СВЧ-нагрузки по продольной оси волновода с оребрением, направленным перпендикулярно продольной оси волновода.

На Фиг. 2 показан разрез СВЧ-нагрузки перпендикулярно продольной оси волновода с оребрением, направленным параллельно продольной оси волновода.

На Фиг. 3 изображено сечение посередине волновода и перпендикулярно плоскости пластин из графита в направлении распространения электромагнитной волны условно только двух пластин из всего блока графитовых пластин, примыкающих друг к другу с помещённой между ними плёнкой из теплостойкого диэлектрика, а также «П» - образной прокладкой из металла для реализации узких щелей.

На Фиг. 4 представлено продольное сечение посередине «П» - образной прокладки и плёнки из диэлектрика в направлении их плоскости.

СВЧ-нагрузка содержит металлический прямоугольный волновод 1 с высотой «В» узкой стенки и шириной «А» широкой стенки и примыкающий к нему поглотитель в виде блока пластин 2 из графита, располагающихся параллельно широким стенкам волновода, причём каждая пластина со стороны входа имеет клиновую форму, вследствие чего зазор между пластинами равномерно сужается до очень малой величины, образуя плавный переход, и далее переходит в участок 4 с постоянным очень малым по величине зазором. Зазоры могут быть реализованы с помощью «П» - образных прокладок 6 из металла. Для передачи тепла от нагрузки в окружающую среду в ней имеется оребрение с наружной стороны, образующее радиатор 3. Для увеличения электрической прочности между пластинами из графита могут быть расположены пленки 5 из теплостойкого диэлектрика.

СВЧ нагрузка работает следующим образом.

СВЧ сигнал поступает в волновод 1 и попадает на острия блока клинообразных графитовых пластин 2. Блок на входе в него делит СВЧ сигнал на некоторое количество каналов, уменьшая мощность сигнала в каждом канале пропорционально количеству каналов. Поскольку пластины имеют на участке входа сигнала в блок клиновидную форму, то и каналы также имеют клиновидный профиль, представляя собой плавные переходы. Далее поделённый сигнал поступает в узкие щели постоянного сечения между графитовыми пластинами 4, где происходит его ослабление за счёт потери энергии в графитовых стенках. Выделяющееся в блоке графитовых пластин тепло от поглощения энергии СВЧ сигнала отводится в охлаждающую среду (например, воздух) с помощью оребрённого радиатора 3, который охватывает блок графитовых пластин.

Щели постоянного сечения могут быть реализованы заполнением воздухом с напряжением пробоя 20 Кв/см, либо теплостойким диэлектриком, например, фторопластом марки Ф-4 с напряжением пробоя 250 кВ/см. Заполнение щелей диэлектриком позволит увеличить электрическую прочность. Применять пленки из диэлектрика с высоким значением напряжения пробоя также целесообразно при большой шероховатости пластин.

Реализация узких щелей возможна выполнением углублений в графитовых пластинах или, как предлагается в заявляемом изобретении –установкой в блоке между графитовыми пластинами «П» - образных прокладок 6 толщиной 10 мкм из любого металла, что упрощает форму пластин и как следствие трудоемкость их изготовления.

В качестве примера конструкция нагрузки для стандартного волновода сечением 23×10 мм имеет следующие размеры и параметры: толщина графитовых пластин – 1 мм; количество графитовых пластин в блоке – 10; длина клиновидного участка пластин при угле клина не более 3^o – 21 мм; допустимое притупление острия каждого клина не более – 0,1 мм; размер узких щелей в блоке графитовых пластин – 10 мкм; глубина узких щелей –
8 мм; толщина рёбер радиатора с охлаждением воздухом – 1 мм; наружные размеры радиатора – 80×80×80 мм;

Используемые материалы и их параметры: графит для графитовых пластин c плотностью– 2230 кг/м³ и коэффициентом теплопроводности вдоль слоёв – 332,8 Вт/м×К, коэффициентом теплопроводности поперёк слоёв – 256 Вт/м×К и удельной электрической проводимостью перпендикулярно базисной плоскости графита в направлении распространения электромагнитной волны равной примерно 125000 См/М, медь для радиатора с плотностью – 8930 кг/м³ и коэффициентом теплопроводности – 390 Вт/м×К.

Ниже приведена характеристика нагрузки с указанными размерами.

Величина максимальной поглощаемой мощности будет следующей. При температуре блока графитовых пластин 250 градусов Цельсия и принудительном охлаждении воздухом с температурой 30 градусов Цельсия со скоростью потока 10 м/сек мощность равна 1900 Вт. При режиме свободной конвекции охлаждающего воздуха мощность равна 250 Вт. КСВн в обоих случаях не более 1,2 (обратные потери не менее 20 дБ).

СВЧ-нагрузка, содержащая металлический прямоугольный волновод, поглотитель и оребрение, отличающаяся тем, что поглотитель выполнен в виде блока пластин из графита, расположенных параллельно широким стенкам волновода и имеющих со стороны входа клиновую форму, а зазоры между пластинами переходят в узкие щели, в которых происходит основное поглощение СВЧ мощности, при этом в узкие щели СВЧ-нагрузки помещены пленки из теплостойкого диэлектрика с высоким значением напряжения пробоя.