Устройство связи для цилиндрического резонатора СВЧ

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО СВЯЗИ ДЛЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО РЕЗОНАТОРА СВЧ(71) Заявитель Научно-исследовательское учреждение Институт ядерных проблем Белорусского государственного университета(72) Авторы Азарян Николай Сергеевич Будагов Юлиан АрамовичДемин Дмитрий ЛьвовичШирков Григорий ДмитриевичШумейко Николай МаксимовичБатурицкий Михаил АнтоновичКарпович Виктор АркадьевичЛюбецкий Николай ВасильевичМаксимов Сергей ИвановичРодионова Валентина НиколаевнаКривошеев Роман Михайлович(73) Патентообладатель Научно-исследовательское учреждение Институт ядерных проблем Белорусского государственного университета(57) 1. Устройство связи для цилиндрического резонатора СВЧ, имеющего крышку с цилиндрическим сквозным отверстием, содержащее металлический диск, который установлен в упомянутом отверстии в крышке с возможностью поворота на 360 относительно своей оси, коаксиальный разъем, установленный в центре упомянутого металлического диска так, что его коаксиальный проводник размещен в цилиндрическом сквозном канале,выполненном в центре упомянутого диска, петлю связи, размещенную в резонаторе и связанную одним концом с упомянутым коаксиальным проводником коаксиального разъема,а вторым с корпусом, отличающееся тем, что оно снабжено устройством регулировки 95832013.10.30 высоты Н петли связи, содержащим токопроводящую тягу, установленную в выполненном в металлическом диске втором цилиндрическом сквозном канале с возможностью поступательного перемещения в нем, и средство, обеспечивающее перемещение тяги в указанном канале, причем второй конец петли связи соединен с корпусом через указанную тягу. 2. Устройство связи по п. 1, отличающееся тем, что высотапетли связи равна или кратна /8, где- длина волны СВЧ-колебания, соответствующая резонансной частоте резонатора, а устройство регулировки высоты петли связи выполнено с возможностью перемещения тяги на величину не менее 0,1.(56) 1.5 625 330, 1997. 2.8 072 295, 2011. 3..,.,.,.,.,.,., .,.,.,.,.,.,., .,.,.,.,.,.1.3- - -//23 Российская Конференция по ускорителям заряженных частиц/12. - Санкт-Петербург, 2012. - С. 602-604. Полезная модель относится к технике СВЧ и может быть использована в объемных резонаторах, в частности цилиндрических резонаторах СВЧ, предназначенных для различных радиотехнических устройств, в том числе в высокодобротных цилиндрических резонаторах СВЧ. При разработке высокодобротных цилиндрических резонаторов СВЧ наиболее проблемным является создание устройства связи, предназначенного для связи этого резонатора с каналами приема и передачи сигнала СВЧ, а именно для подключения резонатора к источнику сигнала СВЧ и для вывода сигнала СВЧ из резонатора к нагрузке. Это связано с тем, что введение элемента связи заметно снижает добротность резонатора из-за возбуждения в нем близлежащих мешающих мод колебаний и требуется применение специальных схемотехнических и конструкционных решений, чтобы снизить это влияние и достичь оптимального согласования цилиндрического резонатора с каналами передачи и приема сигнала СВЧ и тем самым получить высокое значение нагруженной добротности резонатора. Кроме того, к указанным элементам связи предъявляются требования высокой технологичности и простоты конструкции. В настоящее время известны и используются следующие виды связи цилиндрического резонатора с каналами передачи и приема сигнала СВЧ электрическая емкостная магнитная индуктивная дифракционная. Электрическая емкостная связь аналогична емкостной связи в обычном колебательном контуре, она осуществляется через штырь, который вводят в цилиндрический резонатор через отверстие в его стенке, при этом штырь устанавливают в цилиндрическом резонаторе так, чтобы он находился в пучности электрического поля, а его ось совпадала с направлением электрических силовых линий. Величину связи регулируют изменением длины штыря, при увеличении длины связь увеличивается, а при уменьшении - уменьшается. Магнитная индуктивная связь создается с помощью витка, который устанавливается в цилиндрическом резонаторе так, чтобы его плоскость была перпендикулярна линиям магнитного поля, при этом виток связи помещают в пучность магнитного поля. Дифракционная связь осуществляется с помощью волноводов, при этом в стенках волноводов и резонатора создают отверстия, через которые происходит возбуждение цилиндрического резонатора и передача сигнала СВЧ к нагрузке. 2 95832013.10.30 Заявляемая полезная модель относится к устройству магнитной индуктивной связи цилиндрического резонатора СВЧ с каналами приема и передачи сигнала СВЧ. Из уровня техники известно устройство связи для цилиндрического резонатора СВЧ,имеющего крышку с цилиндрическим сквозным отверстием, содержащее металлический диск, который установлен в упомянутом отверстии в крышке с возможностью поворота на 360 относительно своей оси, коаксиальный разъем, установленный в упомянутом металлическом диске так, что его коаксиальный проводник размещен в цилиндрическом сквозном канале, выполненном в упомянутом диске, петлю связи, размещенную в резонаторе и связанную одним концом с упомянутым коаксиальным проводником коаксиального разъема, а вторым с корпусом 1. При повороте круглого диска вместе с коаксиальным разъемом перемещается и один конец петли связи, т.е изменяется пространственное положение плоскости, в которой лежит петля связи. В положении, когда эта плоскость будет перпендикулярна к линиям магнитного поля, достигается максимально возможная величина нагруженной добротности цилиндрического резонатора с использованием данной конструкции петли связи. Недостатком данного устройства связи является то, что оно способно возбуждать близлежащие моды колебаний, т.е. не позволяет оптимально согласовать цилиндрический резонатор с каналами передачи и приема сигнала СВЧ и тем самым получить максимально возможную нагруженную добротность для данного цилиндрического резонатора. Известно также устройство связи для цилиндрического резонатора СВЧ, имеющего крышку с цилиндрическим сквозным отверстием, содержащее металлический диск, который установлен в упомянутом отверстии в крышке с возможностью поворота на 360 относительно своей оси, коаксиальный разъем, установленный в упомянутом металлическом диске так, что его коаксиальный проводник размещен в цилиндрическом сквозном канале,выполненном в упомянутом диске, петлю связи, размещенную в резонаторе и связанную одним концом с упомянутым коаксиальным проводником коаксиального разъема, а вторым с корпусом. В крышке резонатора этого устройства имеется второе сквозное отверстие, в которое установлен второй диск со вторым аналогичным устройством связи 2. В этом устройстве сигнал СВЧ подается в резонатор с помощью первого устройства связи, а поступает на нагрузку со второго устройства связи. При повороте первого диска вместе с коаксиальным разъемом перемещается и один конец петли связи первого устройства связи, т.е. изменяется пространственное положение плоскости, в которой лежит петля связи первого устройства связи, при этом петля второго устройства связи не изменяет своего первичного положения. Это позволяет регулировать величину нагруженной добротности резонатора в больших пределах. При этом максимальное значение нагруженной добротности достигается, когда обе плоскости, в каждой из которых лежит петля связи одного из устройств, параллельны между собой. Недостатком данного устройства связи является то, что оно так же, как и устройство 1,не позволяет исключить возбуждение близлежащих мешающих мод колебаний, т.е. достичь оптимального согласования цилиндрического резонатора с каналами передачи и приема сигнала СВЧ и тем самым получить высокую нагруженную добротность цилиндрического резонатора. Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является устройство связи для цилиндрического резонатора СВЧ, описанное в 1. Задачей данной полезной модели является создание устройства связи для резонаторов СВЧ, которое по сравнению с ближайшим аналогом позволит оптимально согласовать этот резонатор с каналами передачи и приема сигнала СВЧ и тем самым исключить возбуждение близлежащих мешающих мод колебаний, и за счет этого получить максимально возможную для данного резонатора нагруженную добротность. Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что устройство связи для цилиндрического резонатора СВЧ, имеющего крышку с цилиндрическим сквозным отверстием, содержащее металлический диск, который установлен в упомянутом отверстии в 3 95832013.10.30 крышке с возможностью поворота на 360 относительно своей оси, коаксиальный разъем,установленный в центре упомянутого металлического диска так, что его коаксиальный проводник размещен в цилиндрическом сквозном канале, выполненном в центре упомянутого диска, петлю связи, размещенную в резонаторе и связанную одним концом с упомянутым коаксиальным проводником упомянутого коаксиального разъема, а вторым - с корпусом, снабжено также устройством регулировки высоты петли связи, содержащим токопроводящую тягу, установленную в выполненном в металлическом диске во втором цилиндрическом сквозном канале с возможностью поступательного перемещения в нем, и средством, обеспечивающим перемещение тяги в указанном канале, причем второй конец петли связи соединен с корпусом через упомянутую тягу. Преимущество имеет устройство связи, в котором высотапетли связи равна или кратна /8, где- длина волны СВЧ-колебания, соответствующая резонансной частоте резонатора, а устройство регулирования высоты петли связи выполнено с возможностью перемещения тяги на величину не менее 0,1. Сущность заявляемого в качестве полезной модели устройства поясняется фиг. 1 и 2. На этих фигурах представлен пример выполнения устройства связи для цилиндрического резонатора, выполненного в соответствии с заявляемой полезной моделью. Так на фиг. 1 представлен вертикальный разрез верхней части цилиндрического резонатора с устройством связи на фиг. 2 - вертикальный разрез устройства связи, показанного на фиг. 1, в увеличенном масштабе. Заявляемое устройство связи предназначено для цилиндрического резонатора СВЧ,который содержит металлический корпус 1 и металлическую крышку 2 со сквозным цилиндрическим отверстием. Устройство связи включает металлический диск 3, установленный в упомянутом отверстии в металлической крышке 2 с возможностью поворота на 360, коаксиальный разъем приборного типа для подключения внешнего сигнала СВЧ, установленный в центре упомянутого диска. Коаксиальный разъем включает корпус 4, изолятор 5, цангу 6 и коаксиальный проводник 7, который расположен в первом сквозном цилиндрическом канале 8,выполненном в центре диска 3. Петля 9 связи установлена внутри корпуса 1 цилиндрического резонатора и соединена одним концом с коаксиальным проводником 7, а вторым с тягой 10 устройства регулирования высоты петли 9 связи, нижняя часть которой размещена во втором сквозном канале 11 диска 3. Через тягу 10 второй конец петли 9 связи связан с корпусом. Верхняя часть тяги 10 устройства регулировки высоты петли 9 связи снабжена резьбой, и на нее навинчена гайка 12, которая нижним торцом опирается на диск 3. На стенке второго сквозного канала выполнены два диаметрально противоположно лежащих вертикальных паза 13. Нижний конец тяги 10 снабжен плоской головкой 14. Тяга 10 помещается во второй сквозной канал 11 в диске 3 таким образом, что ее головка 14 входит в пазы 13, что предотвращает поворот тяги и обеспечивает ей поступательное перемещение во втором сквозном канале 11 вверх или вниз в зависимости от того, в какую сторону осуществляется вращение гайки 12. В средней части гайки 12 с внешней стороны прорезана кольцевая канавка, в которую установлен вкладыш 15, изготовленный в виде разрезного кольца, на который опирается фигурный прижимной колпачок 16 с центральным отверстием, диаметр которого превышает внешний диаметр гайки 12. С помощью прижимного колпачка 16 осуществляется центрирование тяги 10 с гайкой 12, а также фиксация тяги 10 путем фиксации колпачка 16 на металлическом диске 3 после завершения регулирования высотыпетли 9 связи. Корпус 4 коаксиального разъема и колпачок 16 закрепляются на металлическом диске 3 с помощью винтов. Для обеспечения вращения гайки 12 ее верхняя часть выполнена в виде шестигранника. Возможность поворота диска 3 обеспечена за счет резьбового соединения 17 диска 3 с крышкой 2 резонатора. Поворот диска 3 осуществляют специальным ключом, который 4 95832013.10.30 устанавливается в два паза, изготовленные на внешней стороне диска 3. Таким образом, в заявляемом устройстве связи предусмотрена возможность изменения пространственного положения петли связи и ее длины и выбора этих параметров такими, при которых достигается максимально возможное для данного резонатора значение нагруженной добротности,т.е. максимальное согласование цилиндрического резонатора с каналами передачи и приема сигнала СВЧ, и тем самым исключается возбуждение близлежащих мешающих мод колебаний. Исследование возможности достижения заявляемого технического результата проводилось на устройстве связи, установленном в цилиндрическом резонаторе, выполненными в соответствии с фиг. 1 и 2, с использованием векторного анализатора цепей 5061, подключенного к выходу резонатора и работающего в частотном диапазоне от 0,3 МГц до 3,0 ГГц. В исследуемом резонаторе крышка 2 с отверстием была изготовлена из титана,резонатор имел резонансную частоту - 1,3 ГГц, а петля связи имела высоту , равную 2/8, где- длина волны СВЧ-колебания, соответствующая резонансной частоте резонатора, т.е 57,6 мм. Внешний сигнал СВЧ с перестраиваемой частотой от 1,27 до 1,3 ГГц с помощью внешнего коаксиального кабеля подавали на коаксиальный разъем. Этот сигнал за счет петли связи 9 возбуждал в цилиндрическом резонаторе электромагнитную волну с основной модой колебаний 010. Векторный анализатор цепей 5061 позволяет в автоматическом режиме измерять полную матрицу -параметров и однозначно определить по ним амплитудночастотные характеристики контролируемых СВЧ устройств. При этом полная матрица -параметров выглядит следующим образом 11 12 ,21 22 где 12, 21 - комплексные коэффициенты передачи СВЧ-устройства (четырехполюсника) в прямом и обратном направлениях 11, 22 - комплексные коэффициенты отражения входа и выхода СВЧ-устройства (четырехполюсника). При подключении исследуемого резонатора СВЧ через внешний СВЧ-кабель к векторному анализатору цепей 5061 и установлении в нем режима измерения параметра 11 на дисплее последнего отображается амплитудно-частотная характеристика исследуемого резонатора и в цифровом виде резонансная частота рез, равная 1,2750953 ГГц (в нормальных условиях, что соответствует резонансной частоте 1,3 ГГц при температуре 4 ), а также величина нагруженной добротности. Для изменения пространственного положения петли связи осуществляли поворот петли 9 связи вокруг своей оси путем поворота диска 3 за счет резьбового соединения 17 между крышкой 2 и диском 3. При этом положение диска 3 фиксировалось в положении,когда векторный анализатор цепей 5061 указывал на наибольшее значение нагруженной добротности. Для изменения высотыпетли 9 связи поворачивали гайку 12, и за счет резьбового соединения между тягой 10 и гайкой 12 перемещалась тяга 10. Поскольку головка 14 тяги 10 установлена в двух диаметрально противоположных пазах 13, тяга 10 не поворачивалась,а перемещалась вдоль канала 11. При этом положение гайки 12 фиксировалось в положении, когда векторный анализатор цепей 5061 указывал на максимальное (расчетное) значение нагруженной добротности. Первоначально по измеряемой зависимости параметра 11 от частоты, когда петля связи имела высоту, равную 2//8, путем поворота диска 3 осуществлялась установка пространственного положения петли 9 связи в положение, при котором получали наибольшее значение нагруженной добротности. С помощью указанных исследований было установле 5 95832013.10.30 но, что параметр 11 был равен (минус) 42,648 дБ на резонансной частоте 1,2729987 ГГц,что соответствует коэффициенту стоячих волн (КСВ), равному 1,03, при этом значение нагруженной добротности было равно н 15000. Затем осуществлялась регулировка высотыпетли 9 связи для получения максимально возможного значения добротности путем перемещения тяги 10 устройства, регулировки высоты петли и измерения параметра 11. После этой регулировки было установлено, что параметр 11 был равен (минус) 56,873 дБ на резонансной частоте 1,2750953 ГГц, что соответствует коэффициенту стоячих волн, равному 1,01. При этом нагруженная добротность была равна н 25000. Из полученных результатов исследований видно, что с помощью заявляемого устройства связи удалось получить оптимальное согласование резонатора с каналами передачи и приема высокочастотной мощности, так как КСВ 1,01 соответствует передаче мощности сигнала СВЧ с потерей всего 0,1 отсутствие близлежащих мод колебаний по отношению к основной моде, так как резонансная частота равна 1,2750953 ГГц, что соответствует расчетной наибольшее значение нагруженной добротности н 25000, которое соответствует расчетной величине (для температуры 293 ) и намного больше добротности, которая была получена при повороте только диска 3 (при изменении только пространственного положения петли связи), т.е. как предусмотрено в ближайшем аналоге. Заявленная полезная модель может быть успешно использована для проверки высокодобротных сверхпроводящих цилиндрических резонаторов СВЧ, используемых в больших количествах в коллайдерах. Ключевым элементом любого коллайдера являются ускорительные секции СВЧ, состоящие из цепочки высокодобротных сверхпроводящих цилиндрических резонаторов СВЧ. Сигнал подается в эти резонаторы от мощного генератора СВЧ на резонансной частоте и возбуждает в каждом резонаторе СВЧ колебания большой амплитуды. Параметры ускорительных секций подобраны так, что заряженные частицы пролетают каждый резонатор в промежуток времени, когда в нем электрическое поле имеет ускоряющую фазу электрической компоненты поля . Пролетая в таком ускоряющем поле по оси очередного резонатора в течение отрезка времени, пока ускоряющая фаза не сменится тормозящей,они каждый раз получают дополнительную порцию кинетической энергии и таким образом постепенно ускоряются до скорости, близкой к скорости света. Для международного линейного коллайдера (- ), который планируется создать возле города Дубна (Московской области), протяженностью около 30 км потребуется более 20 тысяч высокодобротных сверхпроводящих цилиндрических резонаторов, изготовленных из ниобия. Стоимость одного такого резонатора равна 15 тысячам долларов США. Различные модификации высокодобротных сверхпроводящих цилиндрических резонаторов разработаны в лаборатории(г. Батавия, США) и изготовлены небольшими партиями фирмой(Германия). Глубокое охлаждение резонирующих систем вплоть до температур жидкого гелия (4,2 ) является безальтернативным методом достижения высокой добротности. Ключевым моментом здесь является использование сверхпроводящих материалов как основы для достижения высокой добротности, исходя из физической природы самого явления сверхпроводимости. В качестве материала для сверхпроводящих резонаторов перспективны чистые металлы с температурой сверхпроводящего перехода выше температуры кипящего гелия (4,2 ), в ряду которых свинец (7,2 ), технеций(7,3 ) и ниобий (9,3 ). Они являются сверхпроводникамирода и имеют значительно меньшие критические параметры, чем сверхпроводящие ( рода) интерметаллические соединения типа -, - и -. Однако формирование резонаторных ячеек сложной формы из сверхпроводящих чистых металлов сегодня имеет неоспоримое преимущество в виду их пластичности и, соответственно, сохранения сверхпроводящих характеристик при деформации и создания формы изделия в целом 3. 6 95832013.10.30 Как низкотемпературные испытания при температуре 4,2 , так и испытания при нормальных условиях (293 ) являются важным аспектом реализации идеи создания высокодобротных цилиндрических резонаторов СВЧ из сверхпроводящих материалов. Технические и методические трудности подобных исследований связаны с необходимостью проведения испытаний изделий натуральных размеров, что требует нетривиальных подходов к созданию устройства ввода и вывода СВЧ-мощности. Таким образом, резонансные системы СВЧ, изготовленные из сверхпроводящих материалов, подвергаются контролю и диагностике, а именно добротность каждого резонатора должна быть не менее 1010, а резонансная частота 1,3 ГГц при температуре 4,2 при температуре 293 добротность должна быть не менее 3104, а резонансная частота 1,275 ГГц. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7