Волноводное дроссельное сочленение
Владельцы патента RU 2783813:
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") (RU)
Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано при разработке мощных импульсно-периодических ускорителей электронов и СВЧ-генераторов на их основе. Волноводное дроссельное сочленение содержит систему вывода излучения, образованную двумя отрезками волновода круглого сечения и переходную область между ними, образованную двумя полуволновыми передающими линиями, закороченными по внешней стенке. Полуволновые передающие линии, образующие переходную область между отрезками волновода, представляют собой поперечно направленные оси системы радиальные волноводные линии. Продольная длина l и высота h (протяженность вдоль оси системы), а также общий радиус системы R и ширина зазора d между волноводами круглого сечения связаны выражениями и выбраны из условия интерференции отраженной от внешней стенки волны с основной волной с длиной волны λ и формирования внутри системы вывода излучения электрического поля. Достигается возможность выведения излучения во время поворота при существенном увеличении мощности излучения за счет повышения электропрочности системы. 5 ил.
Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано при разработке мощных импульсно-периодических ускорителей электронов и СВЧ-генераторов на их основе.
При создании мощных электрофизических установок и, в частности, СВЧ-усилителей и генераторов, работающих в импульсно-периодическом режиме с высокой средней мощностью электронного пучка, весьма актуальной задачей является разработка эффективной и надежной системы вывода излучения, с возможностью регулировки направления луча по азимуту/углу места. Более того, реальные условия работы системы наведения предполагают, что выводить излучение необходимо непосредственно во время поворота одной вращающейся части выводного волноводного тракта относительно другой. Это, в свою очередь, означает, что в области поворота необходимо реализовать дроссельное сочленение, конструкция которого позволила бы обеспечивать поворот при одновременной прокачке через соединение мощности порядка 100 МВт.
В качестве аналога изобретения выбрана разработанная система коаксиального вращающегося сочленения (Е.В. Овчинникова, М.А. Соков, С.Г. Кондратьева и др., Антенны // 2020 г., вып. 5(267), с. 56-63). Конструкция коаксиального вращающегося сочленения во многом повторяет конструктив волноводного вращающегося сочленения, с основным отличием, состоящим в наличии центральной жилы в конструкции в области вращения.
Используемое в системе аналога коаксиальное соединение, как и прототип, обладает недостатками по сравнению с предлагаемым волноводным дроссельным сочленением, главным из которых является низкий порог максимальной передаваемой мощности, ограничиваемый электропрочностью конструкции соединения. В дополнение, наличие жилы внутри конструкции коаксиального участка требует согласования коаксиально-волноводных переходов и. как следствие, необходимости включения в систему согласующих нагрузок и их расчетов.
Известно волноводное дроссельное сочленение, выбранное за прототип (А.А. Филонов, А.Н. Фомин, Д.Д. Дмитриев и др., «Устройства СВЧ и антенны», Красноярск СФУ, 2014 г., с. 30). Волноводное дроссельное сочленение представляет собой конструкцию для вывода излучения, со сформированным внутри нее электрическим полем с максимумом значения напряженности в переходной области, содержащую два отрезка волновода круглого сечения, переходную область между отрезками круглых волноводов, обеспечивающую вращение плечей дросселя относительно друг друга, которая образована двумя полуволновыми коаксиальными передающими линиями, направленными вдоль оси системы.
К недостаткам прототипа относится проблема при выведении излучения большой мощности непосредственно во время поворота одной части волноводного тракта относительно другой, что обусловлено малыми зазорами в коаксиальных отрезках, возбуждающих круглый волновод и. как следствие, с низким порогом допустимого значения напряженности электрического поля, формируемого в области коаксиальных линий, что приводит к существенному снижению электропрочности всей конструкции в целом.
Технический результат состоит в обеспечении возможности выведения излучения во время поворота при существенном увеличении мощности излучения за счет повышения электропрочности системы.
Данный технический результат достигается за счет того, что в отличие от известного волноводного дроссельного сочленения, содержащего систему вывода излучения, со сформированным внутри нее электрическим полем, с максимумом значения напряженности в переходной области, и образованную двумя отрезками волновода круглого сечения, и переходную область между ними, образованную двумя полуволновыми передающими линиями, закороченными по внешней стенке в предложенной конструкции полуволновые передающие линии, образующие переходную область между отрезками волновода, представляют собой поперечно направленные оси системы радиальные волноводные линии, продольная длина 
и высота h (протяженность вдоль оси системы) которых, а также общий радиус системы R и ширина зазора d между волноводами круглого сечения связаны выражениями 
и выбраны из условия интерференции отраженной от внешней стенки волны с основной волной с длиной волны λ и формирования внутри системы вывода излучения электрического поля, напряженность которого ни в одной точке не превышает пробойного значения.
В основе изобретения лежит принцип интерференции в данном случае волны, отраженной от внешней стенки переходной области, с основной волной, проходящей через волноводы круглого сечения, что позволит обеспечить наиболее равномерное распределение электрического поля вдоль поверхности радиальных линий, что вносит существенный вклад в формирование внутри всей системы вывода излучения электрического поля, напряженность которого ни в одной точке не превышает пробойного значения. Повышение электропрочности также достигается путем замещения коаксиальных передающих линий радиальными и подбора необходимых длины и высоты этих линий, а так же общего радиуса системы вывода (это позволяет увеличить зазор между стенкой переходной области в области наибольшей напряженности поля и радиальным линиями).
В результате модернизации классического волноводного дроссельного сочленения была разработана 3-д модель волноводного дроссельного сочленения, изображенная в разрезе на фиг. 1, где:
1 - волноводы круглого сечения;
2 - переходная область:
3 - внешняя стенка переходной области;
4 - радиальные волноводные линии (полуволновые передающие линии, образующие переходную область между отрезками волновода), закороченными по внешней стенке;
5 - граница раздела вращающихся частей волноводного соединения;
6 - область максимальной напряженности поля внутри полости.
На фиг. 2 изображен общий вид предложенного дроссельного вращающего волноводного соединения, основные элементы, входящие в конструкцию изделия (слева сверху), сечение дроссельного сочленения (слева снизу) и вариант соединения устройства с волноводами прямоугольного сечения (справа).
На фиг. 3 представлен эскиз сечения вращающегося волноводного дроссельного сочленения с указанием основных геометрических параметров, влияющих на качество работы устройства (ширина зазора - d, высота h и длина 
радиальных линий, общий радиус сочленения - R, это параметры определяющие выполнение условий интерференции и электропрочности).
На фиг. 4 представлена модель одного из вариантов реализации разработанного волноводного дроссельного сочленения, рассчитанного на рабочую длину волны λ=1,8 ГГц. Параметры n=1, d=13 мм и R=132 мм выбраны в указанных на фиг. 3 диапазонах.
На фиг. 5 показан график частотного преобразования Фурье значений напряженности электрического поля внутри переходной области в плоскости вращения (верхняя кривая) и вдоль зазора разделяющего два волновода круглого сечения (нижняя).
Данная конструкция обладает повышенной электрической прочностью в областях вращения в сравнении с выбранным прототипом. Конструкция устройства фиг. 1 представляет собой дроссельное сочленение, состоящее из двух волноводов круглого сечения «1» и переходной области «2», представляющей собой закороченные вдоль внешней стенки «3» участки полуволновых радиальных линий «4», вытянутых перпендикулярно оси устройства, вращение в которой осуществляется вдоль границы раздела вращающихся частей «5».
Выбор значений указанных выше параметров d, h, 
и R осуществлялся исходя из следующих соображений - учитывая рабочую длину волны λ и принцип интерференции, отраженная от внешней стенки переходной части волна должна совпадать по фазе с основной волной, проходящей по волноводам круглого сечения, соответственно длина каждой из радиальных линий должна быть близка к 
где n=1, 2, 3 …, а радиус самого сочленения по внутренней стороне внешней стенки находится в диапазоне 0,95λ<R<λ. Наибольшая напряженность электрического поля наблюдается в плоскости вращения в области «6» (поскольку линия закорочена по внешней стенке) и приближенно равна удвоенному значению напряженности поля в области зазора, разделяющего волноводы круглого сечения, напряженность которого ни в одной точке не превышает пробойного значения (см. фиг. 5). Наиболее оптимальное соотношение электропрочности и КПД системы достигается при ширине зазора между волноводами круглого сечения 0.07λ<n<0,1λ и высоте радиальных линий 0,07λ<h<0,1λ. Конкретные значения параметров n, d, h, 
и R выбираются, исходя из рабочей длины волны и максимальных значений напряженности электрического поля в области вращения.
Таким образом, предложенное усовершенствование волноводного дроссельного сочленения приводит к обеспечению возможности выведения излучения во время поворота при существенном увеличении мощности излучения за счет повышения электропрочности системы.
Волноводное дроссельное сочленение, содержащее систему вывода излучения, со сформированным внутри нее электрическим полем с максимумом значения напряженности в переходной области, образованную двумя отрезками волновода круглого сечения и переходную область между ними, образованную двумя полуволновыми передающими линиями, закороченными по внешней стенке, отличающееся тем, что полуволновые передающие линии, образующие переходную область между отрезками волновода, представляют собой поперечно направленные оси системы радиальные волноводные линии, продольная длина l и высота h (протяженность вдоль оси системы) которых, а также общий радиус системы R и ширина зазора d между волноводами круглого сечения, связаны выражениями 
и выбраны из условия интерференции отраженной от внешней стенки волны с основной волной с длиной волны λ и формирования внутри системы вывода излучения электрического поля, напряженность которого ни в одной точке не превышает пробойного значения.
