DE3215087A1

DE3215087A1 - Fensteranordnung fuer einen mikrowellenleiter

Info

Publication number: DE3215087A1
Application number: DE19823215087
Authority: DE
Inventors: Seymour B. Los Angeles Cal. Cohn; Arthur Palo Alto Cal. Karp; David Stevenson Los Altos Cal. Stone
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1981-04-27
Filing date: 1982-04-22
Publication date: 1982-11-11
Also published as: CA1178669A; GB2098006B; US4371854A; JPS57182944A; GB8424824D0; FR2504726A1; GB2145576B; GB2145576A; FR2504726B1; GB2098006A

Description

Die Erfindung "bezieht sich auf die Hochleistungs-Breitband-Übertragung von Mikrowellen und betrifft insbesondere Fenster, die eine Übertragung von Mikrowellenenergie aus einem und in einen Bereich eines Hohlleiters ermöglichen, der auch Teil einer Vakuumvorrichtung, beispielsweise einer Elektronenröhre oder einer Plasmakammer sein und unter Vakuum oder Druck stehen kann.

Fenster für den Durchgang von Mikrowellenenergie bestehen bisher im allgemeinen aus einem Stück oder einer Scheibe eines dielektrischen Stoffs, wie Glas oder Keramik, der über den hohlen inneren Querschnitt eines Hoh.lleiters hinweg abdichtend angebracht ist. Manchmal ist dabei kreisförmige Gestalt vorgesehen, die an runde Hohlleiter angepaßt ist, welche Mikrowellenenergie im kreisförmigen^elektrischen Modus führen, wie das bei Anwendungsfällen mit hoher Leistung und geringem Verlust üblich ist.

Um Leistung wirksam übertragen zu können, wird zunächst das Material der dielektrischen Platte anhand seiner mechanischen und thermischen Eigenschaften ausgewählt. Anschließend wird die Gestalt und Abmessung so gewählt, daß sich netto eine minimale Radiowellenreflexion an den Grenzflächen zu benachbarten Stoffen ergibt. Grenzflächen wie zwischen Vakuum, Luft, Wasser, dielektrischen Fluorkohlenstoffflüssigkeiten, Keramiken usw. werden typischerweise von einem derartigen Fenster überbrückt.

Es sind schon viele Versuche unternommen worden, um die Leistungsfähigkeit bzw. Wirksamkeit in einem breiten Frequenzband der Energieübertragung durch Grenzflächen unterschiedlichen Materials oder durch Fenster zu verbessern. Bei einem typischen Fenster mit zwei einander gegenüberliegenden Flächen und dem gleichen Dielektrikum an beiden Seiten ist es bisher üblich, die dielektrischen Stoffe und die Zwischenräume zwischen den Grenzflächen so zu wählen, daß der elek-

trische Abstand zwischen der ersten Grenzfläche und der letzten Grenzfläche einer ganzen Zahl von Halbwellenlängen entspricht.

Eine andere Maßnahme besteht darin, als elektrisch wirksame axiale Länge des Fensters eine ganze Zahl ungerader Viertelweilenlängen zu wählen, wobei die Parameter des Fensters so gewählt sind, daß sich eine Impedanz einstellt, die dem geometrischen Mittel der Impedanzen an den entgegengesetzten Seiten des Fensters entspricht. Beide oben genannten Lösungen ergeben jedoch nur innerhalb einer verhältnismäßig schmalen Bandbreite eine gute Durchlässigkeit.

Bei gewissen Anwendungsfällen in Mikrowellenantennen ist versucht worden, mit der Tiefe veränderliche Löcher im Bereich der Flächen des Fensters quer zu der jeweiligen Fläche vorzusehen, um auf diese Weise einen abgestuften Übergang zu erhalten, der die Anpassung verbessern sollte. Praktische Anwendung hat diese Maßnahme jedoch nur bei Antennen oder Fenstern aus nichtfeuerfesten Stoffen, wie Kunststoffen gefunden und nicht in Anwendungsfällen wie Hochleistungs-Mikrowellenröhren, die Fenster aus feuerfestem Material erfordern.

Weil es keine perfekte Durchlässigkeit durch Grenzflächen und Fenster gibt und die fortschrittlicheren, Mikrowellen erzeugenden Vorrichtungen eine größere Leistungsdichte an den Grenzflächen und Fenstern hervorrufen, ist das stets gegenwärtige Problem der Wärmeableitung oder Übertragung noch ernster geworden. Wenn die dielektrische Erwärmung nicht unter Kontrolle gehalten wird, kann sie zu einem Ausfall des Fensters führen, weil die Temperatur in einem mittleren Bereich stärker ansteigt als in den abgestützten Umfangsbereichen, bis aufgrund der ungleichmäßigen Beanspruchung das Fenster bricht. Außerdem können im Fenster selbst "■"eister" bzw. eingefangene Feldtypen bestehen, die sich im leeren Hohlleiter nicht fortpflanzen. Die in diesem

Modus enthaltene Energie kann sich im Verlauf der Zeit so aufbauen daß sie das Fenster thermisch beansprucht.

Zu bekannten Kühlmaßnahmen gehört es, Luft oder ein dielektrisches flüssiges Kühlmittel über die nicht dem Vakuum zugewandte Seite des Fensters zu leiten. Für Hochleistungsanwendungsfälle sind in engem Abstand voneinander angeordnete Fenster vorgeschlagen worden, zwischen denen ein dielektrisches flüssiges Kühlfluid zirkuliert. Trotz der vorstehend beschriebenen Maßnahmen besteht weiterhin die Notwendigkeit, bessere Kühlung und Anpassung zu schaffen, da das zunehmende Leistungsniveau neuer oder verbesserter Arten von Mikrowellenröhren, wie der Gyrotrone»erhöhte Anforderungen an das Betriebsverhalten stellt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Fensteranordnung zu schaffen, die eine bessere Durchlässigkeit für Mikrowellenenergie durch dielektrische Grenzflächen. Ferner soll eine Fensteranordnung geschaffen werden, die größere Frequenzbandbreite aufweist, und für höhere Leistungen geeignet ist. Mit der Erfindung soll auch eine Fensteranordnung geschaffen werden, die sich durch besseres Kühlvermögen auszeichnet.

Die Fensteranordnung gemäß der Erfindung weist eine oder mehrere, mit einem neuartigen Muster versehene Flächen auf, die die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe erleichtern.

Die bevorzugte Anpassung kreisförmiger Feldtypen wird gefördert durch komplementäre Muster auf den Flächen der Fensteranordnung.

Gemäß der Erfindung wird eine Fensteranordnung geschaffen, die eine Platte aus dielektrischem Material mit einer ersten Brechzahl n-^ aufweist, welche sich über den Innenbereich des Hohlleiters erstreckt und an der Innenseite dessel-

ben abdichtend angebracht ist und zwei entgegengesetzte Flächen hat. Ferner gehört zu der Anordnung ein Fluid, bei dem es sich um Luft handeln kann und welches eine zweite Brechzahl n₂ hat und im Innern des Hohlleiters an einer Seite der dielektrischen Platte und in Berührung mit einer der Flächen derselben vorgesehen ist. Diese Fläche hat über ihren Bereich hinweg ein Muster aus Wellen, von denen jede Welle um eine axiale Höhe h in das Fluid ragt. Die Höhe h ist proportional zum Kehrwert des geometrischen Mittels der Brechzahlen n^ und n^. Schließlich gehört zu der Anordnung auch noch eine Einrichtung, die das Fluid über die gewellte Fläche zirkulieren läßt, um die dielektrische Platte zu kühlen. Auf diese Weise wird nicht nur eine gute Durchlässigkeit in einer großen Bandbreite erzielt sondern auch eine bessere Wärmeübertragung über die Grenzfläche zwischen dem dielektrischen Material der Platte und dem dielektrischen Fluid hinweg, um ein besseres Kühlvermögen zu erzielen. Damit werden höhere Mikrowellen-Leistungen ermöglicht.

£emäß einem besonderen Merkmal sind die Wellen ferner in einer ersten Richtung ausgerichtet, und auf der anderen Fläche der Platte ist ein komplementäres Muster von Wellen vorgesehen, die in einer zweiten Richtung im Winkel zur ersten Richtung ausgerichtet sind. Der Winkel kann dabei so gewählt sein, daß die Durchlässigkeit hinsichtlich der gewünschten Moden, beispielsweise des kreisförmigen Modus verbessert wird.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der ersten Platte benachbart und parallel zu derselben eine zweite Platte in solchem Abstand angeordnet, daß zwischen beiden Platten ein umschlossener Bereich des Hohlleiters begrenzt wird, in welchem das dielektrische Fluid enthalten ist, welches in diesem Bereich zirkulieren kann. Die Bewegung des Fluids längs der miteinander fluchtenden Wellen und zwischen denselben hindurch fördert den Kontakt zwischen Oberfläche und Fluid, die turbulente Strömung und die gesamte Fluidströmungsbewegung über die Fläche hinweg, wodurch eine besse-

AO

re Wärmeübertragung an das Fluid und damit ein erhöhtes Kühlvermögen erreicht wird.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer Fensteranordnung gemäß der Erfindung mit Doppelscheiben, bei dem ein dielektrisches Kühlfluid über gewellte Fensterflächen zirkuliert;

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Einzelheit aus Fig. 1, in welchem eine typische_; in der Fensteranordnung gemäß der Erfindung verwendete Fensterplatte, insbesondere die Grenzen zwischen Material mit unterschiedlichen dielektrischen Indizes und ein Beispiel für die Wellen oder Riffeln der Fensterflächen gemäß der Erfindung gezeigt ist;

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Fensterplatte gemäß Fig. 1 und 2;

Fig.3A eine Teildraufsicht ähnlich Fig. 3, die eine andere Art von "Waffelmuster" der gewählten Fensterplattenfläche gemäß Fig. 3 zeigt;

Fig.3B eine Teildraufsicht ähnlich Fig. 3A, die ein Beispiel der entgegengesetzten Fläche der Fensterplatte gemäß Fig. JA zeigt;

Fig. k einen Axialschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Fensteranordnung als Kollektorfenster mit einer weiteren Ausführungsform der Wellen.

In Fig. 1 ist eine Doppelfensterausführungsform der erfindungsgemäßen Fensteranordnung gezeigt, die im Zusammenhang mit einem hohlen^kreisförmigen Hohlleiter 10 bzw. einem runden Hohlleiter verwendet ist, dessen Inneres einen rechtwinklig geraden Zylinder mit einer Achse 12 bestimmt. Die Erfindung kann auch an anderen Arten von Hohlleitern und in

anderem Zusammenhang verwendet werden, wie beispielsweise aus Fig. 4 hervorgeht. Fig. 1 ist nur ein Beispiel für viele mögliche Anwendungsfälle. So kann z.B. ein an einem Ende vorgesehener Kupplungsflansch 14 des Wellenleiters 10 mit dem Eingang oder Ausgang einer Mikrowellen erzeugenden Röhre oder einer Plasmakammer verbunden sein. In ähnlicher Weise kann das entgegengesetzte Ende 16 des Hohlleiters 10 zum Eingang oder Ausgang weiterer Mikrowellenbauelemente führen; andererseits kann die Zeichnung aber auch als Beispiel eines Teilbereichs einer Mikrowellenröhre selbst aufgefaßt werden. Entweder das Ende Ik oder das Ende 16 oder beide Enden sind typischerweise mit einem Hohlleiter oder einem Mikrowellenenergie enthaltenden Bereich verbunden, der unter Vakuum oder Druck steht und isoliert werden muß. Folglich sind zum Isolieren des Endes 14 bzw. 16 Scheiben oder Platten 18 bzw. 19 als Fenster vorgesehen, die sich über den inneren hohlen Querschnitt des Hohlleiters erstrecken und beispielsweise durch Löten an der Innenwand des Kohlleiters abdichtend befestigt sind.

Die beiden Platten haben axial einen kleinen Abstand voneinander und schließen innerhalb des Wellenleiters zwischen sich einen schmalen Bereich 2 0 ein, der ein Kühlfluid 22 enthält, welches beispielsweise eine Fluorkohlenstoffflüssigkeit, oder ein solches Gas, mit geringem Dielektrizitätsveriust oder sogar Luft sein kann. Die Platten bilden jeweils eine Innenfläche 18A bzw. 19A, die an den Bereich 20 grenzen, sowie eine Außenfläche 18B bzw. 19B, die sich alle insgesamt parallel zueinander erstrecken. Die Platten selbst sind z.B. aus Beryllium- oder Aluminiumoxid hergestellt. Der Hohlleiter besteht aus einer Metallegierung.

Der umschlossene Bereich 2 0 ist mindestens an der Oberseite zu einer Einlaßleitung 24 und mindestens an der Unterseite zu einer Auslaßleitung 25 geöffnet. In der Wand des Hohlleiters 10 sind für diese Leitungen mindestens an den beiden

entgegengesetzten Enden des Bereichs 2 0 Öffnungen vorgesehen. Aus Gründen der Klarheit sind die Öffnungen in der Zeichnung oben und unten dargestellt, obwohl sie auch an anderer Stelle und auch in mehreren Paaren vorgesehen sein könnten. Durch die Leitungen kann Kühlfluid 22 zum Auffüllen des Bereichs 20 zwischen den Platten eingeführt werden, so daß es die Innenflächen 18A und 19A völlig bedeckt. Die Leitungen 2k und 25 für Einlaß und Auslaß sind an eine hier nicht gezeigte herkömmliche Zirkulationspumpe und Kühlvorrichtung angeschlossen, damit Kühlfluid 22 zirkulieren und die Platten 18 und 19 kühlen kann, damit aufgrund der Dielektrizitätsverluste in den Platten erzeugte Wärme abgeführt werden kann.

Durch ein in den Plattenflächen ausgebildetes Wellenmuster 28 werden die genannten Verluste auf ein Minimum eingeschränkt und die Kühlwirkung bedeutend erhöht. Das Wellenmuster ist im einzelnen in Fig. 2 im Querschnitt durch die Platte 18 (oder 19) und in Fig. 3 in Draufsicht auf die Fläche der Platte 18 (oder 19) gezeigt. Beim Beispiel gemäß Fig. 2 ist das Wellenmuster 28 im Axialschnitt in einer Ebene rechtwinklig zu den Flächen der Platten insgesamt in rechteckiger Wellenform ausgebildet. Dieses Wellenprofil hat eine regelmäßige Periode, die durch die Breite A angegeben ist und begrenzt Zähne bzw, vorspringende Wellen 28a, b, c etc. eines Festdielektrikums der Breite B, die um eine Höhe h nach außen vorstehen. Die Zähne des Wellenmusters 28 weisen einen Zyklus der Periode des Wellenprofils auf und können einen größeren oder kleineren Prozentsatz der Breite der gesamten Periode darstellen, je nach den Anpassungserfordernissen, wie weiter unten noch im einzelnen erläutert wird. Das Wellenmuster braucht nicht auf ein Rechteckwellenprofil im Querschnitt beschränkt zu sein sondern kann wünschenswerterweise auch sinusförmig, sägezahnförmig oder in vielen anderen gewellten oder geriffelten Formen ausgeführt sein. Wie Fig. 3 zeigt, ist das Wellenmuster vorzugsweise so angeord-

net, daß die Wellen nebeneinander in einer bevorzugten ersten Richtung ausgerichtet sind. Dadurch wird die Strömung des dielektrischen Kühlfluids über die Oberfläche verbessert, denn das Fluid wird mindestens teilweise innerhalb der Wellen an diesen entlang in der genannten ersten Richtung kanalisiert . Es ist anzumerken, daß absolut keine toten Räume oder Bereiche vorhanden sind, in denen Kühlfluid eingefangen wird und keiner Strömung unterliegt. Es wird im Gegenteil eine turbulente Fluidströmung an der Grenzfläche zwischen dem Fluid und dem Festdielektrikum gefördert. Darüberhinaus ist der Oberflächenbereich der Grenzfläche zwischen Fluid und Feststoff im Vergleich zu einem Fenster mit ebenen Flächen stark vergrößert, und dies stellt einen weiteren Faktor bei der Verbesserung der Wärmeübertragungsfähigkeit dar. Wie Fig. 3A zeigt, sind die gewellten Flächen wünschenswerterweise außerdem mit Rinnen 30 versehen, die quer zu der zuerst genannten Richtung.der miteinander fluchtenden Wellen verlaufen. Vorzugsweise sind diese Rinnen hinsichtlieh Anzahl und Abstand vergleichbar zum Wellenmuster vorgesehen, so daß ein Waffelmuster gemäß Fig. 3A und 3B entsteht. So stehen noch mehr Fluidströmungswege längs der Fläche und über deren ganzen Bereich hinweg zur Verfügung, und der Oberflächenbereich der Grenzfläche zwischen Fluid und Platte wird noch mehr vergrößert, so daß mehr P'luid mit der Oberfläche in Berührung tritt.

Im Vergleich mit nichtgewellte^gekühlten Fensterausführungen ist die Wärmeableitung und das Kühlvermögen deutlich verbessert. Um diese Vorteile zu erhalten, ist keine Fensterausführung mit Doppelplatten nötig, wie in Fig. 1 gezeigt. Auch ein Ausführungsbeispiel mit einem einfachen Fenster, wie anhand von Fig. 2 vorstellbar, bringt ähnliche Vorteile. Bei einer solchen Ausführungsform kann z.B. ein Vakuum an der Hohlleiterseite vorhanden sein, die an die Fläche 18A grenzt, während an der an die Fläche 18B grenzenden Seite Luft vorhanden sein kann, die beispielsweise mittels eines

Gebläses über die Wellen geleitet wird. Die Wirksamkeit dieser Kühlung auf Luftbasis wird durch das Wellenmuster ebenso wie bei der oben beschriebenen Kühlung auf Flüssigkeitsbasis deutlich verbessert.

Mit der Fensteranordnung gemäß der Erfindung werden höhere Mikrowellen-Leistungen möglich, nicht nur da.nk des besseren Kühlvermögens sondern auch aufgrund einer besseren Anpassung über die dielektrischen Grenzflächen hinweg . vorzugsweise in Fig. 2 erkennbar ist, weist die Fensterplatte selbst einen Feststoff aus einem ersten dielektrischen Material, z.B. Berylliumoxid mit einer Brechzahl n, auf. Diese Platte grenzt z.B. an der Fläche 18B an ein zweites dielektrisches Material, beispielsweise Luft oder Fluorkohlenstofffluid oder an ein Vakuum an, welches die Brechzahl n~ hat. Das Wellenmuster mit der Höhe h bildet eine Grenzschicht 32 der Tiefe h zwischen dem homogenen Festdielektrikum des Fensters und dem homogenen Volumen des zweiten dielektrischen Materials. Zur optimalen Anpassung sollte diese Zwischen- oder Grenzschicht 32 zwischen den beiden homogenen Bereichen die folgende wirksame Brechzahl r\ _ff haben:

^α eff ^{= V n}l ⁿ2

Ferner sollte für die Tiefe h dieser Grenzschicht folgendes Verhältnis beachtet sein:

oder

h =

k s/ η_χη₂
worin Λ »- die effektive Wellenlänge innerhalb des Festdielektrikums und A₀ die Wellenlänge im freien Raum ist. Bei den Größen n-, und n₂ handelt es sich natürlich um die oben

SS

genannten Brechzahlen.

Wenn ein Wellenmuster mit einer Tiefe, die die oben genannten Kriterien erfüllt, in den Flächen der Platte vorgesehen ist, ist eine Anpassungstransformation über die Grenzschicht zwischen dem unterschiedlichen ersten und zweiten Dielektrikum möglich, so daß Mikrowellenenergie mit minimalem Verlust übertragen werden kann. Reflexionen im Innern haben die gleiche Amplitude aber entgegengesetzte Phase, so daß es zu einer vollständigen Auslöschung und zum Verschwinden des Netto- Reflexionsfaktors kommt,

Zu dem Wellenmuster ist bereits angemerkt worden, daß es nicht auf ein bestimmtes Profil beschränkt ist. Allerdings sind die Wellen vorzugsweise insgesamt zyklisch und periodisch mindestens in einer Richtung längs der Fläche der Platte, beim dargestellten Ausführungsbeispiel in vertikaler Richtung, mit einer regelmäßigen Periode der Breite A vorgesehen. Das Wellenmuster sollte für die auftreffenden Mikrowellen als ein Bereich aus homogenem Material erscheinen. Folglich muß die durchschnittliche Periodizität folgendes Verhältnis erfüllen:

A < ^λ eff

Die Zyklen oder Seiten des periodischen Profils der Wellen sind nicht notwendigerweise von gleicher Breite. Wie gezeigt, haben die dielektrischen Zähne 28a, b, c usw. innerhalb der Fläche, die eine Seite bzw. einen Zyklus der als Beispiel gewählten Rechteckwellenform gemäß Fig. 2 aufweisen, eine Breite B, die einen großen Anteil der gesamten Breite A der Periode ausmacht. Dieser Anteil ist ein größerer oder kleinerer Prozentsatz der Gesamtperiode, je nach dem relativen Wert der beiden Brechzahlen bzw. Dichten der Stoffe an der Grenzfläche. Der Wert für B läßt sich für jede

beliebige Wellenform bzw. jedes beliebige Profil errechnen und hängt auch von der Orientierung des elektrischen Mikrowellenfeldes in Bezug auf die dielektrische Grenzfläche ab. Für die in Fig. 2 und 1 gezeigte Rechteckwellenform des Pro fils kann der Wert für B aus der nachfolgenden Beziehung angenähert werden:

B ⁿ2 "

X ~ IS12

n₂ - B₁

wobei davon ausgegangen wird, daß n^ größer ist als n-, und das elektrische Wellenfeld rechtwinklig zu dem Riffel- bzw. Wellenmuster polarisiert ist.

Ein gemäß den vorstehenden Erfordernissen ausgebildetes Wellenmuster in den Plattenflächen bietet große Vorteile hinsichtlich der Durchlässigkeitsbandbreite der Fensteranordnung. Für eine Platte ohne Wellenmuster, die stattdessen ebene Flächen hat, wird die relative Durchlässigkeitsfrequenzbandbreite durch das folgende angenäherte Verhältnis wiedergegeben»

worin ZL/\ «- die Zahl der Halbwellenlängen zwischen der ersten und letzten Grenzfläche und L der Abstand .zwischen den ebenen Flächen ist. Aus diesem Verhältnis geht klar hervor, daß die Bandbreite des Fensters mit zunehmender elektrischer Dicke des Fensters abnimmt. So hat z.B. ein Fenster mit Doppelscheiben oder Doppelplatten wie in Fig. 1 gezeigt _t jedoch mit ebenen Flächen und einer angenommenen elektrischen Dicke L von 5·33 Wellenlängen,in Übereinstim-

mung mit dem vorstehenden Verhältnis etwa eine Bandbreite wie folgt:

Af Λ eff

f 2 (5,33) λ _eff

oder 9,b%. Für derartige Fenster wäre in Anwendungsfällen, die hohe Anforderungen stellen, z.B. Oszillatoren, für die das allgemein bekannte Durchlässigkeitskriterium von VSWR (Stehwellenverhältnis) _ 1,1 ein typisches Beispiel ist, die Bandbreite nur 0,3%·

Im Gegensatz dazu ist die Bandbreite, in der eine gewellte Zwischenschicht oder Grenzschicht, wie die Grenzschicht 32 wirksam ist, wesentlich größer. Es wird wieder von dem vorstehenden Näherungsverhältnis ausgegangen; aber nun entspricht die elektrische Dicke L dem Wert h oder Λ _eff/^ per Definition. Deshalb ergibt sich für die gewellte oder geriffelte Grenzschicht λ._ψ \ _Ψ*

oder, grob gesagt, eine Oktave. Bei einem vergleichbaren Stehwellenverhältnis VSWR £ 1,1 ergibt sich eine Bandbreite von 6,k%>. Diese Verbesserung der Bandbreite wird selbst dann beibehalten, wenn zwei oder mehr Grenzflächen vorgesehen sind und der homogene Bereich des dielektrischen Fensters ziemlich dick ist, wie im Fall des Ausgangsfensters einer Mikrowellenröhre. Wenn wiederum von einer vergleichbaren elektrischen Dicke des Fensters von 5i33 Wellenlängen ausgegangen wird, hat insbesondere die Doppelfensterausführung gemäß Fig. 1 gleichfalls eine Bandbreite von, grob gesagt, einer Oktave und bei einem Stehwellenverhältnis VSWRi= 1,1 gleichfalls eine Bandbreite von 6,k%, d.h. eine 2 0-fache

Verbesserung gegenüber der Ausführungsform mit ebenen Flächen. Die Durchlässigkeitsfrequenzbandbreite einer dielektrischen Platte, wie der Platte 18 oder 19 kann also gegenüber dem bei streng eben ausgeführten Flächen der Platte erhaltenen Wert auf einen Wert erhöht werden, der praktisch von der Gesamtdicke des Fensters unabhängig ist und stattdessen vielmehr nur von der Bandbreite der gewellten Grenzflächen, hier einer Oktave abhängt.

Wie insbesondere aus Fig. 3 entnehmbar ist, kann das Wellenmuster in den Flächen verschiedene Formen annehmen. Es wurde schon beschrieben, daß das einfache, langgestreckte parallele Wellenmuster gemäß Fig. 3 vorzugsweise mittels einer Vielzahl von Rinnen 30 gemäß Fig. 3A, die quer zu den Wellen verlaufen, in das gezeigte Waffelmuster unterteilt wird, welches viele zusätzliche Wege enthält, die die Fluidströmung für Kühlzwecke verbessern. Sowohl das einfache, gewellte Muster gemäß Fig. 3 als auch das Waffelmuster gemäß Fig. 3A ist in einer ersten Richtung insgesamt rechtwinklig zu dem elektrischen Wellenfeld ausgerichtet. Diese Ausrichtung kann in Bezug auf das elektrische Feld gedreht werden, um die Durchlässigkeit für verschiedene, bestimmte Hohlleitermoden zu begünstigen. Außerdem können die entgegengesetzten Flächen der gleichen dielektrischen Platte ähnliche Muster aufweisen, die jedoch im Verhältnis zueinander im Winkel verdreht sind. Ein solches Beispiel ist in Fig. 3B gezeigt, welches eine alternative Ausrichtung für eine der Flächen der Platte darstellt, während die Ausrichtung der anderen Fläche die gemäß Fig. 3A wäre. Bei diesem Beispiel ist erkennbar, daß die Ausrichtungen unter einem Winkel von 45° in Bezug aufeinander verlaufen. Eine solche Ausrichtung fördert die Durchlässigkeit kreisförmiger elektrischer Hohlleitermodeα und schafft eine gleichmäßigere Durchlässigkeit für Energie über die ganze Platte hinweg. Als ein weiteres Beispiel könnten bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 alle vier Flächen der beiden dielektrischen Platten 18 und 19 vorzugsweise jeweils

im Verhältnis zu der nachfolgenden Fläche um 22 1/2° gedreht sein, um die optimale Durchlässigkeit und Gleichmäßigkeit der Energieverteilung für kreisförmige Peldtypen (Moden) zu erhalten. Hiermit ergeben sich weitere Merkmale, die die Belastbarkeit der Fensteranordnung mit Leitung verbessern.

Es sind jedoch noch weitere Abwandlungen möglich· So kann z.B. das Wellenmuster räumlich weiter abgewandelt werden, um einem gewünschten Hohlleitermodus günstiger angepaßt zu werden. Dazu gehört insbesondere eine räumliche Abwandlung in einem Maßstab, der im Vergleich zu den vorstehend definierten Abmessungen des Wellenmusters h, A und B groß ist. Ein Beispiel dafür ist in Fig. k gezeigt, in der außer der Nützlichkeit anderer Wellenprofilformen als der oben gezeigten auch der weite Anwendungsbereich der erfindungsgemäßen Fensteranordnung erkennbar ist. Fig. k zeigt schematisch eine MikrowellenrÖhre mit einer Längsachse 34 und einer Elektronenkanone bzw. Kathode 35» einem Wechselwirkungskreis 36, in de m eine Elektronenstrahl-Mikrowellen-Wechselwirkung unter Verwendung einer beliebigen bekannten Einrichtung stattfindet, einer Kollektor-ZWellentyptrennanordnung 38 und einem kreisförmigen Hohlleiterausgang 39» der sich zu einem Fenster 40 am Ausgang des Hohlleiters verjüngt. Im vorliegenden Fall soll die Erzeugung kreisförmiger elektrischer Feldtypen gefördert werden, während unerwünschte, nichtkreisförmige elektrische Feldtypen eingefangen und absorbiert werden sollen. Es ist ersichtlich, daß diese unerwünschten, nichtkreisförmigen Feldtypen, da sie eine axiale Komponente haben, sich von der Achse der Röhre in der durch Pfeile angedeuteten Richtung zu einer gewellten dielektrischen Kollektor-Fensterplatte 42 bewegen. Dabei bleiben die kreisförmigen elektrischen Feldtypen, die keine axiale Komponente enthalten, unbeeinflußt und gehen zum Ausgangsende der Röhre weiter.

Die Kollektor-Fensterplatte 42 ist tatsächlich ein Ring,

der eine innere und eine äußere gewellte Fläche hat, welche um die Achse 34 der Röhre zentriert und gekrümmt sind. Sowohl die innere als auch die äußere Fläche ist gewellt, wobei die Außenfläche 43 in einen diese umgebenden Wassermantel 44 eintaucht, der dazu beiträgt, das Kollektorfenster zu kühlen,und die unerwünschten elektrischen Feldtypen absorbiert, die durch das Fenster hindurchtreten und ins Wasser gelangen. Das Vorhandensein des Wellenmusters an der Außenfläche 43 fördert die Kühlung und Übertragung unerwünschter Energie von den anderen Teilen der Röhre in starkem Ausmaß. Das Wellenmuster beider Flächen ist ebenfalls in Übereinstimmung mit den oben dargelegten Prinzipien dimensioniert, um die bestmögliche Breitbandanpassung für diese unerwünschten, nichtkreisförmigen elektrischen Feldtypen zu erzielen und damit die Wärmeentwicklung auf ein Minimum einzuschränken. Diese Breitbandanpassung ist auch durch die Tatsache gefördert, daß die ringförmige Gestalt des Kollektorfensters eine räumliche Variation zwingend macht, die im Verhältnis zu den Abmessungen des Wellenmusters groß ist. Die Fensteranordnung gemäß der Erfindung ist also nicht allein auf die Anwendung in klassischen kreisförmigen Hohlleitern beschränkt sondern gleichfalls für rechteckige Hohlleiter, eine Kollektordichtung oder Fensteranwendungsfälle, koaxiale Hohlleiter, bei denen der hohle Querschnitt ringförmig ist, und viele weitere Hohlleitertypen und Mikrowellenvorrichtungen anpaßbar.

Claims

Fensteranordnung für einen Mikrowellenleiter

Patentansprüche

( 1,/Fensteranordnung für einen Mikrowellenleiter mit hohlem Querschnitt,

dadurch gekennz ei c hne t, daß eine Platte aus einem dielektrischen Stoff mit einer ersten Brechzahl n, sich quer über den hohlen Inneribereich des Wellenleiters erstreckt und gegenüber der Innenseite dieses Bereichs abgedichtet ist und zwei entgegengesetzte Flächen hat, daß ein Fluid mit einer zweiten Brechzahl n₂ innerhalb eines Bereichs im Innern des Wellenleiters an einer Seite der Platte und in Berührung mit einer der Flächen vorgesehen ist, daß mindestens eine Fläche ein sich über den Bereich der Fläche erstreckendes Wellenmuster aufweist, dessen Wellen jeweils um die axiale Höhe h in das Fluid ragen, wobei die Höhe h zum geometrischen Mittel des Umkehrwertes des Produktes der Brechzahlen n^ und n₂ proportional ist, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die zur Kühlung der Platte das Fluid über die eine Fläche zirkulieren läßt.

2. Fensteranordnung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Wellen, des Wellenmusters ausgerichtet sind.

3. Fensteranordnung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß das Wellenmuster durch eine Vielzahl von quer zum Wellenmuster verlaufenden Rinnen unterteilt ist.

k. Fensteranordnung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Rinnen in einer dem Wellenmuster vergleichbaren Zahl und einem vergleichbaren Abstand unter Schaffung eines Waffelmusters in der einen Fläche vorgesehen sind.

-Z-

5. Fensteranordnung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid eine dielektrische Flüssigkeit ist, daß das Wellenmuster insgesamt ausgerichtet ist, und daß die Einrichtung, mittels der das Fluid zirkuliert, die Flüssigkeit längs des Wellenmusters und zwischen demselben hindurch bewegt.

6. Fensteranordnung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid Luft ist.

7. Fensteranordnung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das Wellenmuster in einer Ebene rechtwinklig zu der einen Fläche eine Rechteckwelle mit regelmäßiger Periode der Breite A und einer Breite B eines der Rechtecke innerhalb der Periode bildet.

8. Fensteranordnung nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen B und A etwa durch folgendes Verhältnis gegeben ist j

P
ⁿ2 ~ ⁿ2ⁿ1

2 2

4 - ⁿi

9. Fensteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellenmuster in einer Ebene rechtwinklig zu der einen Fläche eine insgesamt gewellte Riffelung mit einer regelmäßigen Periode der Länge A bildet, wobei eine Seite der Riffelung sich über eine Breite B erstreckt.

10. Fensteranordnung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß beide Flächen der Platte ein Wellenmuster aufweisen.

11. Fensteranordnung nach Anspruch 9»

dadurch gekennzeichnet, daß das Wellenmuster der einen Fläche insgesamt in einer ersten Richtung ausgerichtet ist, und daß das Wellenmuster der zweiten Fläche in einer zweiten Richtung unter einem Winkel zu der ersten Richtung ausgerichtet ist.

12. Fensteranordnung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des der anderen Fläche der Platte benachbarten Bereichs des Wellenleiters ein Vakuum aufrechterhalten ist.

13· Fensteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Platte aus einem dielektrischen Stoff insgesamt parallel zu der ersten Platte und mit Abstand von derselben unter Schaffung eines eingeschlossenen Bereichs vorgesehen ist, und daß die eine Fläche diesem Bereich zugewandt ist, und daß das Fluid innerhalb des eingeschlossenen Bereichs enthalten ist.

14. Fensteranordnung nach Anspruch 13»

dadurch gekennzeichnet, daß die dem eingeschlossenen Bereich zugewandte Fläche der zusätzlichen Fensterplatte das Wellenmuster aufweist.

15. Fensteranordnung nach Anspruch I3,

dadurch gekennz eichnet, daß beide Flächen beider Fensterplatten das Wellenmuster aufweisen.

16. Fensteranordnung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Platte und der innere Querschnitt des Wellenleiters kreisförmig ist.

17. Fensteranordnung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen der Platte gekrümmt sind.

18. Fensteranordnung nach Anspruch 17,

dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmten Flächen einspringend so ausgebildet sind, daß sie einen geschlossenen Ring bilden.

19. Fensteranordnung nach Anspruch 18,

dadurch gekennzeichnet, daß die beiden gekrümmten Flächen gewellt sind, wobei die äußerste Fläche mit dem Fluid in Berührung steht.

20. Fensteranordnung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß dem Wellenmuster eine weitere räumliche Variation auferlegt ist, die eine günstigere Anpassung an einen gewünschten Wellenleitertyp ermöglicht.

21. Fensteranordnung für einen Wellenleiter mit hohlem, kreisförmigem Querschnitt,

dadurch gekennzeichnet, daß sich eine Scheibe aus dielektrischem Stoff über einen inneren Abschnitt des Wellenleiters erstreckt und gegenüber dem Inneren des Wellenleiters abgedichtet ist und zwei entgegengesetzte Flächen hat, daß jede der Flächen ein ähnliches Wellenmuster über den entsprechenden Bereich hinweg aufweist, daß die Wellenmuster in unterschiedlichen, entsprechenden Richtungen ausgerichtet sind, wobei eine der Richtungen zur besseren Anpassung an einen gewünschten Wellenleitermodus unter einem Winkel zur anderen Richtung verläuft.

22. Fensteranordnung nach Anspruch 21,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die zum Kühlen der Platte ein Fluid über eine der Flächen leitet.

23. Fensteranordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß zur besseren Anpassung an einen kreisförmigen elektrischen Wellenleitermodus eine der Richtungen insgesamt unter einem Winkel von ^5° zur anderen Richtung verläuft.

2U. Fensteranordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite ähnliche Scheibe aus dielektrischem Stoff der ersten Scheibe benachbart und parallel zu derselben angeordnet ist, und daß die zweite Scheibe um ca.22 1/2° gegenüber der ersten Scheibe gedreht ist.

25. Fensteranordnung nach Anspruch 24,

dadurch gekennzeichnet, daß ein dielektrisches Fluid das Innere des Wellenleiters zwischen den Scheiben füllt.

26. Fensteranordnung nach Anspruch 22,

dadurch gekennz eichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die das dielektrische Fluid umwälzt und kühlt.

27. Fensteranordnung nach Anspruch 21,

dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe kreisförmig ist.