一種高功率輸入耦合器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種高功率輸入耦合器。本發明包括一T型調諧裝置，其輸入端與短路端位于同一軸線上，輸出端的軸線與輸入端的軸線垂直；輸出端經一高頻窗體與一同軸線纜連接；其中，T型調諧裝置為一雙導體結構，包括彼此絕緣的內層導體盒和外層導體盒，該內層導體盒的輸入端口與輸入端同軸線纜的內導體密封電連接、短路端口與短路端同軸線纜的內導體密封電連接、輸出端口與輸出端同軸線纜的內導體密封電連接；該外層導體盒的輸入端口與輸入端同軸線纜的外導體密封電連接、短路端口與短路端同軸線纜的外導體密封電連接、輸出端口與輸出端同軸線纜的外導體密封電連接；短路端同軸線纜的內外導體之間設有一短路活塞。本發明可實現功率傳輸的在線調節。
【專利說明】一種高功率輸入耦合器【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種高功率輸入耦合器，屬于微波領域。
【背景技術】
[0002]高功率輸入耦合器本質上是一種微波傳輸元件，它是粒子加速器射頻超導系統的關鍵部件之一，在射頻超導系統中位于功率源和超導腔之間，其主要功能是將微波功率饋送到超導腔內(見附圖1)，同時還利用陶瓷窗將大氣與超高真空環境隔離開來、承擔從室溫到超導低溫的低漏熱過渡連接作用等多重功能。
[0003]根據運行經驗，高功率輸入耦合器是射頻超導系統中極為脆弱的關鍵部件之一，一旦損壞，將導致整個加速器無法運行，需花費很大的財力和較長的時間去修復它，成本較高、損失較大，因此它一直是加速器射頻超導領域的熱點和難點。
[0004]目前國際上同類型的超導腔功率輸入耦合器通常采用同軸型和波導型結構。但是無論哪種結構類型的功率輸入耦合器，都需要將功率源與耦合器主傳輸線進行連接，該連接件的結構設計，或采用門鈕轉換結構[文獻I，Mircea Stirbet, Fundamental PowerCouplers for the SNS Project, review of the SPL RF coupler CERN16-17March2010],或米用直連結構[文獻 2，Q.S.Shu, J.Susta, G.F.Chen et all.“INNOVATIVE MODULAR, MULTIPLEPOWER LEVELS, 325MHz SPOKES CAVITIES POWER ⑶UPLERS”，Proceedings of PAC07, NewMexico, USA],即將功率盡可能無反射的傳輸到耦合器件中，但兩者均未能實現傳輸性能的在線調節，即在饋入功率的情 況下，通過對耦合器的短路調諧器進行調節，實現功率匹配傳輸，進一步提高功率傳輸效率。
[0005]為了實現功率源與同軸線的順利過渡，兼顧為耦合器內導體提供水冷管道，法國CEA研究機構為其中子源加速器IFMIF-EVEDA項目研制了 RFQ腔功率輸入耦合器，并利用一個同軸平板型窗體隔離真空[文獻 4，S.Maebara, Toka1-JAEA, et all.“DESIGN OF AN INPUTCOUPLER FOR THE IFMIF/EVEDA RFQ LINAC，，，Proceedings of IPAC，10，Kyoto, Japan]，與本發明的專利內容完全不同。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于提出一種高功率輸入耦合器的結構設計，該耦合器可以克服傳統耦合器不可在線調節傳輸的缺點，實現駐波比在線可調及匹配傳輸。
[0007]本發明的技術方案為:
[0008]一種高功率輸入耦合器，其特征在于包括一調諧裝置，其包括輸入端、短路端和輸出端；輸出端經一高頻窗體與一同軸線纜連接；其中，所述調諧裝置為一雙導體結構，包括彼此絕緣的內層導體盒和外層導體盒，該內層導體盒的輸入端口與輸入端同軸線纜的內導體密封電連接、該內層導體盒的短路端口與短路端同軸線纜的內導體密封電連接、該內層導體盒的輸出端口與輸出端同軸線纜的內導體密封電連接；該外層導體盒的輸入端口與輸入端同軸線纜的外導體密封電連接、該外層導體盒的短路端口與短路端同軸線纜的外導體密封電連接、該外層導體盒的輸出端口與輸出端同軸線纜的外導體密封電連接；所述短路端同軸線纜的內外導體之間設有一短路活塞。
[0009]進一步的，所述輸出端經一含有Choke結構的高頻窗體與一同軸線纜連接；其中，所述Choke結構包括內導體Choke結構、外導體Choke結構和同軸平板陶瓷片；內導體Choke結構和外導體Choke結構分別包括位于該同軸平板陶瓷片兩側的上端和下端；內導體Choke結構的上端、下端分別與輸出端同軸線纜的內導體密封電連接且通過一同軸金屬框與該同軸平板陶瓷片密封連接，外導體Choke結構的上端、下端分別與輸出端同軸線纜的外導體密封電連接且通過一同軸金屬框與該同軸平板陶瓷片密封連接。
[0010]進一步的，連接所述外導體Choke結構的上端、下端的同軸金屬框外側設有一第二同軸圓柱筒，其與所述外導體Choke結構的上端、下端密封連接且設有冷卻水進水口和出水口。
[0011]進一步的，所述同軸平板陶瓷片為氧化鋁陶瓷片，其真空面鍍TiN膜，膜厚為5_10nmo
[0012]進一步的，所述調諧裝置為T型調諧裝置，其輸入端與短路端位于同一軸線上，輸出端的軸線與輸入端的軸線垂直。
[0013]進一步的，所述內導體Choke結構、外導體Choke結構分別為與輸出端的軸線同軸的圓柱形結構。
[0014]進一步的，所述短路端同軸線纜的內導體內通有兩根水冷管道為輸出端內導體提供冷卻水回路。
[0015]進一步的，所述輸出端的同軸線纜特性阻抗為50歐姆。
[0016]進一步的，所述短路活塞通過螺紋結構在所述短路端同軸線纜的內、外導體之間前后可調。
[0017]進一步的，所述高頻窗體附近設定區域內分別設置真空監控端口、ARC打火監控端口和電子流監控端口。
[0018]與現有技術相比，本發明的積極效果為:
[0019]本發明的耦合器結構類型為同軸型結構，因此T型結構采用雙導體型，從而保證TEM波型的傳輸。入射功率經過T型轉換裝置后，在短路端被短路活塞全反射回來，轉向側方(90度方向)從輸出端輸出；其中短路端包含一個短路活塞，通過活塞的往復移動，可以實現功率傳輸的在線可調，另一方面，短路端為引入水冷管道提供了便利；可見T型轉換裝置將輸入端、輸出端和短路端同時整合到一起，且具有在線可調與便于冷卻的功能。窗體采用了 Choke (扼流)型結構設計，該Choke結構與窗體的內、外窗框進行焊接，通過對內導體上、下Choke及外導體上、下Choke幾何參數的優化，可以實現窗體附近的匹配傳輸，減少反射損耗，同時Choke型結構可以大大減小窗片焊接的困難。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1是高功率輸入耦合器在射頻超導系統中的位置和作用；
[0021]圖2是耦合器的高頻電磁結構(空氣效果圖)；
[0022]圖3是耦合器的高頻電磁結構；
[0023]圖4是T型調諧裝置的幾何結構(空氣效果圖)；[0024]圖5是含Choke結構的高頻窗體結構圖；
[0025]圖6是耦合器的高頻電場分布圖；
[0026]圖7是耦合器的高頻磁場分布圖；
[0027]圖8是功率傳輸S參數圖；
[0028]圖9是耦合器的機械結構圖；
[0029]圖10是T型盒外層機械結構圖；
[0030]圖11是T型盒內層機械結構圖；
[0031 ] 圖12是短路調諧活塞結構圖。
[0032]圖面說明:
[0033]1、T型調諧裝置；2、含Choke結構的高頻窗體；3、50Ω同軸傳輸線；11、端口 ；12、端口 ；6為短路端；
[0034]Al、T型調諧裝置外層的長度；A2、T型調諧裝置外層的寬度；A3、T型調諧裝置外層的高度；
[0035]B1、T型調諧裝置內層的長度；B2、T型調諧裝置內層的寬度；B3、T型調諧裝置內層的高度；
[0036]D、T型調諧裝置外層與內層的間距；fi?、T型調諧裝置短路面端的內徑；T型調諧裝置短路面端的外徑山、T型調諧裝置短路面端的長度；
[0037]g、含Choke結構的窗體內導體；h、含Choke結構的窗體外導體；
[0038]k、同軸平板型陶瓷片；dc、Choke尖端至陶瓷片表面的距離。
【具體實施方式】
[0039]1、采用高頻電磁場仿真計算程序，完成如附圖2、3所示的耦合器高頻結構的尺寸設計和優化，確保耦合器在工作頻率下實現微波功率的匹配傳輸。
[0040]本發明的高頻電磁模型如圖2和3所示，主要包括三個組成部分，一個T型調諧裝置1、一套含有Choke結構的高頻窗體2以及一段50歐姆同軸傳輸線3。T型調諧裝置包括輸入端、短路端和輸出端；其中，輸入端與短路端位于同一軸線上，輸出端軸線與輸入端軸線垂直，從而使輸出端功率傳輸方向與輸入端功率傳輸方向垂直。微波功率從輸入端口11 (見圖2)輸入，經T型調諧裝置I后，轉換功率傳輸方向，通過含Choke結構的同軸平板型窗體2，然后從端口 12輸出給超導腔及粒子束流負載。T型調諧裝置I起到了三個主要作用:1)變換功率傳輸方向，T型調諧裝置的輸入端、短路端與輸出端同時將相應方向的三段同軸線巧妙的聯系起來；2)調節T型調諧裝置短路端的短路活塞位置(短路活塞設置于短路端同軸線內外導體之間的環形空間)，可以改變耦合器的電壓駐波比，使傳輸功率實現在線可調；3)T型調諧裝置結構為耦合器內導體水冷提供了便利，在T型調諧裝置短路面一偵牝通有兩支水冷管道，以減小內導體溫度上升。此外，T型調諧裝置結構在耦合器高頻結構優化時，對中心頻率和S參數都比較敏感，通過調節T型調諧裝置結構的幾何尺寸(見圖4)及短路面位置，能較為快速的優化耦合器的高頻結構；比如T型調諧裝置的幾何結構尺寸如長寬高、圓角，以及內、外T型盒的偏心距都可以在仿真優化階段進行變動，以達到優化傳輸的目的，并最終確定T型調諧裝置的結構尺寸。
[0041]微波功率經過T型調諧裝置結構后，轉換90°方向，變為與原來的傳輸方向相垂直，繼續傳輸到一個含Choke結構的高頻窗體2。窗體是稱合器結構中極為脆弱的關鍵部件，這里使用了一個高純度同軸平板型氧化鋁陶瓷片來隔離大氣與真空，但是陶瓷片的引入將導致傳輸線阻抗不匹配，為此，該結構采用了含Choke結構的陶瓷窗體，其主體包括內導體Choke結構、外導體Choke結構及同軸平板陶瓷片，陶瓷片的大氣側與真空側均由內導體Choke、外導體Choke組成,且內導體Choke、外導體Choke結構分別通過兩個圓柱形薄壁金屬框與陶瓷片焊接，這里的Choke結構可以理解為普通圓柱筒在一端切除部分實體后形成的扼流結構，該扼流結構結構尖端到陶瓷片的距離為dc，通過優化扼流結構的內、外直徑及距離dc等參數，可以優化窗片附近的傳輸，減小反射損耗，這是由于扼流結構本身引入的反射與陶瓷片引入的反射相疊加而抵消。本發明的陶瓷片與Choke結構及窗體其他部分的詳細連接方式如圖5所示。相比普通的窗體結構，采用上述Choke結構，不但可以減小窗片焊接的困難，而且內、外導體的Choke結構能夠很好的實現了窗體附近的阻抗匹配，同時又大大降低了窗片焊接處的電磁場強度。我們利用3D電磁場數值計算程序對高頻窗體進行了仿真優化，得到的結論是，Choke結構尖端處電場最強，隨著Choke尖端到陶瓷表面的間隙距離dc的減小(見圖5)，陶瓷表面靠近Choke尖端處的電場突然增大，但另一方面dc過大，則匹配變差。經過反復計算，最后選定優化的dc為4_。需要指出的是，不同工作頻率、不同陶瓷片大小的情況下，窗體Choke結構可以有外形尺寸上的放大或縮小，優化的dc尺寸也不完全相同。經過優化的耦合器，其高頻電場和高頻磁場分布圖分別如圖6、圖7所示，圖中深色為電場、磁場波腹點位置。圖8給出了該結構的耦合器在工作頻率點的功率傳輸曲線，反射系數Sll在中心頻率處為-49dB，S21在中心頻率處為0.9999，很好的實現了匹配傳輸，帶寬達到30MHz，超出了設計指標要求。
[0042]該耦合器的機械結構如圖9所示。T型調諧裝置由內、外兩層導體盒組成，內層為內導體，外層為外導體，兩層之間為空氣，內層導體盒盒蓋與盒體用螺母緊固，兩層導體盒分別由盒體及1-2個端蓋組成(見圖10、圖11);內層導體盒具有三個端口，分別通過螺紋和法蘭與輸入端內導體、輸出端內導體、短路端內導體匹配連接；外層導體盒具有三個端口，分別通過螺紋和法蘭與輸入端外導體、輸出端外導體、短路端外導體匹配連接。短路活塞(見圖12)的水平移動可以調節短路面的長度從而使傳輸在線可調；短路面一端通過短路端內導體通有兩根水冷管道為輸出端內導體提供冷卻水回路(見圖9)。T型調諧裝置輸出端與含Choke結構的窗體使用法蘭連接，整個窗體結構(圖5)除陶瓷窗片外，全部使用了高電導率無氧銅材料，通過氫爐釬焊、真空爐釬焊等焊接工藝成型。此外，為了減小二次電子倍增效應，在窗片真空面鍍TiN膜，膜厚控制在5-10nm。窗體附近設置了 3個監測端口，分別用來監測真空、ARC打火和電子流以給出連鎖保護信號。
[0043]2、采用ANSYS程序，對耦合器及其窗體部件分別進行熱、熱應力仿真分析，使耦合器在測試的功率水平下溫升和形變滿足使用要求。
【權利要求】
1.一種高功率輸入耦合器，其特征在于包括一調諧裝置，其包括輸入端、短路端和輸出端；輸出端經一高頻窗體與一同軸線纜連接；其中，所述調諧裝置為一雙導體結構，包括彼此絕緣的內層導體盒和外層導體盒，該內層導體盒的輸入端口與輸入端同軸線纜的內導體密封電連接、該內層導體盒的短路端口與短路端同軸線纜的內導體密封電連接、該內層導體盒的輸出端口與輸出端同軸線纜的內導體密封電連接；該外層導體盒的輸入端口與輸入端同軸線纜的外導體密封電連接、該外層導體盒的短路端口與短路端同軸線纜的外導體密封電連接、該外層導體盒的輸出端口與輸出端同軸線纜的外導體密封電連接；所述短路端同軸線纜的內外導體之間設有一短路活塞。
2.如權利要求1所述的高功率輸入耦合器，其特征在于所述輸出端經一含有Choke結構的高頻窗體與一同軸線纜連接；其中，所述Choke結構包括內導體Choke結構、外導體Choke結構和同軸平板陶瓷片；內導體Choke結構和外導體Choke結構分別包括位于該同軸平板陶瓷片兩側的上端和下端；內導體Choke結構的上端、下端分別與輸出端同軸線纜的內導體密封電連接且通過一同軸金屬框與該同軸平板陶瓷片密封連接，外導體Choke結構的上端、下端分別與輸出端同軸線纜的外導體密封電連接且通過一同軸金屬框與該同軸平板陶瓷片密封連接。
3.如權利要求2所述的高功率輸入耦合器，其特征在于連接所述外導體Choke結構的上端、下端的同軸金屬框外側設有一第二同軸圓柱筒，其與所述外導體Choke結構的上端、下端密封連接且設有冷卻水進水口和出水口。
4.如權利要求2或3所述的高功率輸入耦合器，其特征在于所述同軸平板陶瓷片為氧化鋁陶瓷片，其真空面鍍TiN膜，膜厚為5-10nm。
5.如權利要求2或3所述的高功率輸入耦合器，其特征在于所述內導體Choke結構、夕卜導體Choke結構分別為與輸出端的軸線同軸的圓柱形結構。
6.如權利要求1或2或3所述的高功率輸入耦合器，其特征在于所述調諧裝置為T型調諧裝置，其輸入端與短路端位于同一軸線上，輸出端的軸線與輸入端的軸線垂直。
7.如權利要求1或2或3所述的高功率輸入耦合器，其特征在于所述短路端同軸線纜的內導體內通有兩根水冷管道為輸出端內導體提供冷卻水回路。
8.如權利要求1或2或3所述的高功率輸入耦合器，其特征在于所述輸出端的同軸線纜特性阻抗為50歐姆。
9.如權利要求1或2或3所述的高功率輸入耦合器，其特征在于所述短路活塞通過螺紋結構在所述短路端同軸線纜的內、外導體之間前后可調。
10.如權利要求1或2或3所述的高功率輸入耦合器，其特征在于所述高頻窗體附近設定區域內分別設置真空監控端口、ARC打火監控端口和電子流監控端口。
【文檔編號】H01P5/12GK104009275SQ201410225611
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月26日 優先權日:2014年5月26日
【發明者】潘衛民, 陳旭, 黃彤明, 馬強, 孟繁博, 林海英 申請人:中國科學院高能物理研究所