ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2013, № 5, с. 72-76
^ ЭЛЕКТРОНИКА
И РАДИОТЕХНИКА
УДК 537.86.029
СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ВВОД АНТЕННОГО ТИПА
© 2013 г. А. М. Барняков, В. И. Иванников*, А. Е. Левичев, В. М. Павлов, Ю. Д. Черноусов*, И. В. Шеболаев*
Институт ядерной физики СО РАН Россия, 630090, Новосибирск, просп. Академика Лаврентьева, 11 *Институт химической кинетики и горения СО РАН Россия, 630090, Новосибирск, ул. Институтская, 3 E-mail: skalpel@inbox.ru Поступила в редакцию 12.09.2012 г.
Описан с.в.ч.-ввод антенного типа для подачи сигналов на высоковольтные электроды. Устройство представляет собой приемную и передающую с.в.ч.-антенны, разделенные высоковольтным изолятором. Антенны выполнены в виде двух симметричных частей разрезанного поперек полуволнового коаксиального сильносвязанного резонатора, изолятор выполнен в виде керамического диска. Представлены характеристики устройства: высокое напряжение >60 кВ, коэффициент передачи с.в.ч.-сигнала S2i на рабочей частоте — более 0.97, полоса пропускания по уровню S2i = —3 дБ — более 70%.
DOI: 10.7868/S0032816213050017
ВВЕДЕНИЕ
Антенные вводы для подачи с.в.ч.-сигналов на изолированные, находящиеся под высоким напряжением электроды используются в области с.в.ч. и ускорительной технике. Например, рупорный с.в.ч.-ввод, содержащий волноводные приемную и передающую с.в.ч.-антенны, разделенные высоковольтным изоляционным промежутком, применяется для подачи с.в.ч.-сигнала на высоковольтный электрод электронной пушки с с.в.ч.-управлением током инжекции [1, 2]. Антенны выполнены в виде двух рупоров — отрезков расширяющегося прямоугольного волновода [2]. За счет большого расстояния между антеннами устройство обладает высокой пробойной прочностью, однако при разнесении антенн неизбежно возникают потери с.в.ч.-сигнала. Так, при напряжении 50 кВ потери составляют около —6 дБ, с.в.ч.-энергия излучается в окружающее пространство, что ограничивает область применения устройства.
В более поздних разработках [3] для подачи с.в.ч.-сигнала на высоковольтный электрод пушки использовалась высоковольтная развязка в виде двух коаксиально-волноводных переходов, разделенных плоским диэлектрическим изолирующим диском. Однако использование волноводов значительно увеличивает габариты устройства.
Для с.в.ч.-измерений используется коаксиальный дроссельный с.в.ч.-ввод, выполненный в виде двух частей коаксиальной линии, разорванной по внешней и внутренней жилам. Для осуществления с.в.ч.-контакта и уменьшения потерь места
разрывов снабжены четвертьволновыми дросселями. Устройство обладает малыми потерями и относительно небольшими габаритными размерами, однако в дроссельном соединении с малыми потерями расстояния между изолированными электродами также малы. Поэтому устройство может использоваться при относительно небольшом (до 5 кВ) напряжении и применяется для развязки по постоянному току в измерительных целях для уменьшения импульсных помех, например, при регистрации слабых с.в.ч.-сигналов, а также для передачи с.в.ч.-сигнала во вращающихся соединениях [4].
Задачей являлась разработка с.в.ч.-ввода антенного типа для системы управления током инжекции высоковольтной пушки ускорителя электронов, работающего на частоте 2450 МГц. Ввод должен обладать одновременно как высокой пробойной прочностью, так и малыми с.в.ч.-потерями.
КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
На рис. 1 изображена конструкция с.в.ч.-вво-да, разработанного для системы управления током инжекции электронной пушки высокочастотного ускорителя. Представленный с.в.ч.-ввод состоит из двух симметричных частей коаксиального полуволнового проходного сильносвязанного резонатора. Резонатор разрезан по плоскости симметрии, перпендикулярной продольной оси, и его половины изолированы друг от друга сплошным диэлектрическим диском.
СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ВВОД АНТЕННОГО ТИПА
73
Рис. 1. С.в.ч.-ввод антенного типа. 1 — половина коаксиального резонатора; 2 — диэлектрический диск;
3 — подводящая коаксиальная линия.
Ввод работает следующим образом. С.в.ч.-сиг-нал в резонатор подается от генератора через коаксиальную линию, и в резонаторе возбуждается стоячая волна ТЕМ-типа. Длина резонатора выбрана такой, что с учетом диэлектрического диска на длине резонатора укладывается половина длины волны. В полуволновом резонаторе в соответствии со структурой поля стоячей волны ТЕМ-ти-па в плоскости симметрии — месте расположения диэлектрического диска — формируется максимум радиального электрического поля, минимум угловой компоненты магнитного поля и соответственно минимум продольных с.в.ч.-токов по внутренней и внешней жилам коаксиальной линии.
Разрыв коаксиальной линии, в котором установлен диэлектрический изолирующий диск, не вызывает разрыва продольных токов и не нарушает структуру поля резонатора. По этой причине излученная волна не формируется, и с.в.ч.-сигнал проходит резонатор практически без потерь.
Пробойная прочность определяется напряжением пробоя выбранного изолирующего диэлектрика. В данном случае в качестве материала диэлектрика использована керамика ВГ-4 с параметрами на рабочей частоте 2450 МГц: относительная диэлектрическая проницаемость 9.6, тангенс угла диэлектрических потерь <5 • 10-4, напряжение пробоя >150 кВ/см.
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Для расчета основных характеристик ввода использовалась программа Ашой HFSS [5]. Варьировались размеры резонатора и толщина диэлектрического диска. Целью расчетов являлась минимизация переходного ослабления и амплитуды отраженной волны в рабочей полосе частот по уровню коэффициента передачи ^21 = —3 дБ. Минимизировались также внутренние потери и потери на излучение во внешнюю среду на рабочей частоте.
Минимальная ширина рабочей полосы частот определялась из условия сохранения формы огибающей коротких импульсно-модулированных с.в.ч.-сигналов из соотношения [6, с. 459]
Д= 1/пт, (1)
где т — длительность фронта передаваемого на высоковольтный электрод с.в.ч.-импульса с огибающей прямоугольной формы. При т = 10 нс полоса ДГ = 30 МГц.
Согласно установленному стандарту [7] облучение с.в.ч.-полем считается безопасным при продолжительных дозах (в течение всего рабочего дня), если уровень потока мощности при частоте 2450 МГц не превышает 10 мкВт/см2 и 100 мкВт/см2 при облучении в течение 2 ч.
Итак, требования, предъявляемые к устройству, следующие:
— плотность потока мощности на расстоянии 1м от с.в.ч.-ввода не должна превышать уровень 10 мкВт/см2;
— полоса пропускания по уровню переходного ослабления —3 дБ — не менее 30 МГц;
— коэффициент передачи на рабочей частоте 2450 МГц - не менее 0.85;
— коэффициент отражения на рабочей частоте — не более 0.1;
— напряжение пробоя не менее 60 кВ;
— токи утечки не более 10 мкА.
Как показали расчеты, уровнем активных потерь в керамике ВГ-4 и в стенках резонатора (латунь) можно пренебречь. Это обусловлено низкой нагруженной добротностью устройства и соответственно малым уровнем запасенной энергии в нем.
На рис. 2 изображена картина ближнего поля на расстоянии 1 м от с.в.ч.-ввода (ось координат Уна-правлена вдоль оси резонатора). Для расчета использовались следующие характеристики с.в.ч.-сигнала: длительность импульса 5 мкс, скважность 1000, импульсная мощность 1 кВт, средняя мощность 1 Вт.
Амплитудно-частотные характеристики рассчитанного антенного ввода приведены на рис. 3.
Коэффициент передачи Б21 = 0.997 на рабочей частоте 2.450 ГГц, коэффициент отражения = = 0.002 на частоте 2.442 ГГц.
74
БАРНЯКОВ и др.
16.37
Рис. 2. Поток вектора напряженности электрического поля (мВ) на расстоянии 1 м от антенного с.в.ч.-ввода.
S21, S11
1.0 ----- S21 ^^
0.8 -
0.6 -
0.4 -
0.2 \
0
1.5
2.0
2.5
3.0
F, ГГц
Рис. 3. Зависимость коэффициента отражения и коэффициента передачи £21 от частоты.
S21, дБ 0
1
2
3
4
5
-6
5 6
F, ГГц
На рис. 4 представлена кривая переходного ослабления в широком диапазоне частот.
Полоса пропускания по уровню —3 дБ более 4.3 ГГц (175%).
Ввиду требования к допустимому уровню излучаемого устройством с.в.ч.-поля, можно провести соответствующую оценку. Уровень мощности излучения во внешнюю среду равен [6, с. 82]
Ризл = Р(1 - (^1 + (2)
где Р — мощность в подводящей линии.
Из расчетов ближнего поля (рис. 2) видно, что распределение интенсивности излучения близко к сферически равномерному распределению, поэтому плотность потока мощности можно оценить по формуле
Ризл/^сф,
(3)
Рис. 4. Зависимость переходного ослабления от частоты. X = 1.08 ГГц, Х2 = 5.42 ГГц, Ух = У2 = -3 дБ.
где ^сф = 4R2 — площадь сферы радиусом R, ограничивающей некоторый объем вокруг с.в.ч.-вво-да. В соответствии с формулой (2) и полученными в результате моделирования значениями S21 и S11 потери с.в.ч.-мощности на излучение во внешнюю среду на рабочей частоте не превышают 0.5% от мощности в линии, и рассчитанная по формуле (3) плотность потока импульсной с.в.ч.-мощности на расстоянии 1 м от антенного ввода равна 0.042 мВт/см2, а поток средней мощности — 0.042 мкВт/см2.
Соответствующие этим, достигнутым в результате численного моделирования, электротехническим характеристикам размеры основных элементов устройства приведены на рис. 1. Эти размеры использовались при его изготовлении.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Были проведены измерения коэффициентов отражения и передачи с.в.ч.-сигнала в широком диапазоне частот и токов утечки при подаче варьируемого в диапазоне 0—60 кВ высокого напряжения. Измерение полосовых характеристик осуществлялось с помощью анализатора с.в.ч.-цепей Agilent N5230A. Для высоковольтных испытаний использовался источник высокого напряжения ИВН-100. При подаче варьируемого напряжения фиксировался ток утечки. Значение тока утечки 10 мкА принималось за максимальное, поскольку при дальнейшем повышении напряжения ток резко возрастал и возникал пробой. Результаты измерений приведены в табл. 1.
На рис. 5 приведены измеренные полосовые характеристики разработанного ввода. Коэффициент отражения на рабочей частоте 0.098, коэффициент передачи 0.976.
Полоса пропускания по уровню ослабления —3 дБ составляет более 1.8 ГГц (73%). На рис. 6 при
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.