DE3427288A1

DE3427288A1 - Mikrowellenlast

Info

Publication number: DE3427288A1
Application number: DE19843427288
Authority: DE
Inventors: John San José Calif. Dimeff; Lowell Johnston San Carlos Calif. Fox
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1983-07-27
Filing date: 1984-07-24
Publication date: 1985-02-21
Also published as: GB2144275B; FR2550017A1; FR2550017B1; CA1222292A; US4593259A; JPH0431202B2; GB8418738D0; JPS6043902A; GB2144275A

Description

Die Erfindung betrifft kalorimetrische Hochleistungslasten zum Absorbieren von Mikrowellenenergie in Hohlleitern. Solche Lasten werden zum Messen von Mikrowellenenergie beim Prüfen von Bauelementen und Systemen verwendet. In manchen Schaltungsanwendungen besteht auch Bedarf an einem Schwingungsdämpfungsgiied oder einem kompletten angepaßten Abschluß.

Kalorimetrische Lasten sind schon immer nützliche Elemente von Hochfrequenz-Leistungsanlagen gewesen. Sie wandeln hochfrequente Schwingungsenergie in Wärme um, mit der eine umlaufende Flüssigkeit (meistens Wasser) erwärmt wird. Dabei wird die Leistung gemessen als das Produkt aus Strömungsdurchsatz der Flüssigkeit, Temperaturanstieg der Flüssigkeit,und deren spezifischer Wärme. Bei niedrigen Frequenzen absorbieten Lasten die Schwingungsenergie in Widerstandsmaterial, welches seinerseits durch die Flüssigkeit gekühlt wird. Bei sehr hohen Energiedichten stellt der Oberflächenwärmeübergang vom Widerstandsmaterial zur Flüssigkeit eine Begrenzung dar.

Bei Mikrowellenfrequenzen reicht die Dämpfung in reinem Wasser aus, um die Schwingung im allgemeinen unmittelbar vom dielektrischen Verlust in Wasser zu absorbieren. Die Last besteht dann aus einem Eingangshohlleiter, einer die Welle führenden Kammer, die mit zirkulierender Flüssigkeit gefüllt ist, einem dielektrischen Fenster mit geringen Verlusten, welches die Flüssigkeit vom Hohlleiter trennt, sowie Instrumenten zum Messen der Strömung und des Temperaturanstiegs der Flüssigkeit.

Es werden die verschiedensten geometrischen Anordnungen benutzt, und einige der Schwierigkeiten bestehen darin, die abzuführende Leistung über ein angemessenes Flüssigkeitsvolumen zu verteilen, und eine breitbandige Anpassung der Schwingung an die Flüssigkeit mit hoher Dielektrizitätskonstante zu erzielen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine kalorimetrische Hohlleiter-Last für eine Schwingung mit kreisförmigem elektrischen Feld zu schaffen. Weiter soll eine Last verfügbar gemacht werden, die sehr hohe Energien bei sehr hohen Frequenzen handhaben kann. Schließlich soll eine Last verfügbar gemacht werden, die kompakten robusten Aufbau hat. Ferner soll eine Last verfügbar gemacht werden, die leicht herzustellen ist.

Außerdem soll eine Last verfügbar gemacht werden, die über ein breites Frequenzband hinweg gut an den zugehörigen Hohlleiter angepaßt ist.

Dazu wird gemäß der Erfindung eine Last geschaffen, die ein zylindrisches Fenster an der Außenseite des Hohlleiters hat, welches von einem Wassermantel umgeben ist. Schwingungsenergie, die sich längs des Hohlleiters ausbreitet, wird von einem konischen, metallischen, reflektierenden Glieds welches mit dem kreisförmigen Hohlleiter gleichachsig angeordnet ist, durch das Fenster nach außen abgelenkt.

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

Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine bekannte Last;

Fig. 2 einen Axialschnitt durch eine weitere bekannte Last mit einem verlängerten Absorptionsbereich;

Fig. 3 einen Axialschnitt durch e,ine. Last gemäß der Erfindung; Fig. 4 einen Axialschnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel.

Bei der bekannten Last gemäß Fig. 1 ist ein Hohlleiter 10, der in einem Flansch 12 zum Anschluß an eine Energiequelle beginnt,' durch ein dielektrisches Fenster 14 abgedichtet, hinter dem der Hohlleiter 10 mit Wasser 16 gefüllt ist. Das Ende des Hohlleiters 10 ist durch ein metallisches Ablenkorgan 18 geschlossen, welches veranlaßt, daß Wasser durch Eingangs- und Ausgangsrohre 20, 22

umläuft. Hier nicht gezeigte Instrumente dienen zum Messen des Temperaturanstiegs und des Durchsatzes des Wassers. Gemäß US-PS 3 445 789 kann die Wasserkammer eine Umlenkmembran haben, die die Wasserströmung Über das Fenster 14 lenkt. Der Hohlleiter 10 kann kreisförmig oder rechteckig sein.

Zur breitbandigen Hohlleiteranpassung zwischen dem mit Luft gefüllten Hohlleiter 10 und Wasser 16 hat das Fenster 14 vorzugsweise eine Dielektrizitätskonstante, die das geometrische Mittel derjenigen von Luft und Wasser ist, und beträgt seine Dicke ein Viertel einer Hohlleiterwellenlänge. Keramik mit hohem Aluminiumoxidgehalt hat die bevorzugte Dielektrizitätskonstante, nämlich etwa 9, und außerdem ausgezeichnete physikalische und dielektrische Eigenschaften.

In Fig. 2 ist eine weitere bekannte Hohlleiterlast im Axialschnitt gezeigt. Hier ist der Hohlleiter 10' zylindrisch und das dielektrische Fenster 24 hat die Form eines hohlen, engen Kegels. Wasser tritt ein durch einen Einlaß 20' in der Nähe der Spitze des Kegels 24, fließt über die Oberfläche des Fensters 24 und durch einen Auslaß 22' in der Nähe der Basis des Kegels 24 hinaus. Die Last gemäß Fig. 2 verteilt die Energie über eine größere Fläche am übergang zwischen Keramik und Wasser und ist folglich für höhere Leistungen geeignet als die einfache Last gemäß Fig. 1. Allerdings ist der keramische Kegel 24 ein teures Bauteil und schwer innerhalb der geforderten Toleranzen herzustellen. Das Schleifen der Innenseite eines engen Kegels ist besonders kompliziert.

Bei der Erzeugung außerordentlich hoher Leistungen bei sehr hohen Mikrowellenfrequenzen werden gegenwärtig rasche Fortschritte gemacht. Der führende Generator ist ein "Gyrotron", eine Kreuzfeid-Elektronenröhre. Der Ausgang einer solchen Röhre wird typischerweise in einen kreisförmigen Hohlleiter gesendet, und es handelt sich um einen Schwingungstyp mit einem kreisförmigen elektrischen Querfeld TE

Der Leistungs- und der Frequenzpegel sind für die meisten der bekannten Wasserlasten zu hoch. Es sind schon Lasten vorgeschlagen

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worden, bei denen die Leistung allmählich aus einem langen Abschnitt eines Hohlleiters ausleckt. Aber bei den infrage stehenden Moden höherer Ordnung besteht die Tendenz, daß sie sich größtenteils in Vorwärts richtung in dem Hohlleiter fortsetzen ("strahlen"), dessen Abmessungen im Vergleich zu einer Wellenlänge im freien Raum groß sind. Das macht solche Lasten voluminös und teuer.

In Fig. 3 ist im Axialschnitt eine Last gemäß der Erfindung gezeigt, mit der die meisten Schwierigkeiten bekannter Lasten gelöst werden. Sie ist kompakt, leicht herzustellen und kann für jede brauchbare Dichte an abzuführender Leistung ausgelegt werden. Die Schwingung tritt durch einen Hohlleiter 30 ein, der im Querschnitt rechteckig oder vorzugsweise kreisförmig ist. Der absorbierende Körper der Last befindet sich in einer geschlossenen, metallischen, zylindrischen Schale 32, die typischerweise, aber nicht unbedingt etwas größer ist als der Eingangshohlleiter 30. Der Zylinder 32 ist an beiden Enden durch metallische Stirnplatten 34, 36 verschlossen. Innerhalb des Zylinders 32 ist gleichachsig mit ihm ein dielektrisches Fenster 38 angeordnet, welches als hohler Zylinder ausgebildet ist, vorzugsweise aus Keramik besteht und an den Enden mit den Stirnplatten 34, 36 abdichtend verbunden ist. Zwischen der Schale 32 und dem Fenster 38 zirkuliert die absorbierende Flüssigkeit 40 in einem zylindrischen Kanal 41, dessen radiale Dicke so bemessen ist, daß die Welle im wesentlichen in einem Durchgang absorbiert wird, wenn sie nach außen läuft und nach innen zurück reflektiert wird.

Ein Modus höherer Ordnung mit kreisförmigem elektrischen'Feld würde· normalerweise durch die Länge des zylindrischen Fensters 38 strahlen, ohne sich genügend auszubreiten, um den größten Teil seiner Energie an das Fluid 40 abzugeben. Um die gewünschte Spreizung über die gewlinschte Länge zu erzielen (damit die Energiedichte innerhalb gewünschter Grenzen bleibt), ist innerhalb des zylindrischen Fensters 38 gleichachsig mit demselben ein leitfähiger Kegel 42, beispielsweise aus Kupfer,angeordnet, dessen Basis an der Stirnplatte 36 abdichtend angebracht ist, während seine Spitze der eintretenden Welle zugewandt ist. Der Winkel α des Kegels 42 ist so gewählt, daß

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die gewünschte axiale Länge des Leistungsabfuhrbereichs erzielt wird. Die eintretende Schwingung wird von der Außenfläche des Kegels 42 nach außen durch das Fenster 38 in das absorbierende Fluid 40 reflektiert. Insbesondere bei einer TE -Mode, deren elektrisches Feld parallel zur Oberfläche des Kegels 42 verläuft, ist die Schwingungsreflexion ziemlich spiegelartig. Die Richtung der Schwingungsenergieströmung ist durch Pfeile 44 angedeutet. Um durch hochfrequenten Stromfluß im Kegel 42 erzeugte Wärme abzuführen, wird durch das hohle Innere 46 des Reflektors Fluid 40 durch Eingangs- und Ausgangsrohre 48, 50 geleitet. Diese Fluidströmung kann in Reihe mit der Strömung durch den absorbierenden hauptsächlichen Kanal 41 liegen und durch ein Ausgangsrohr 52 austreten. Gemäß einer Alternative können die beiden Strömungswege auch parallel sein. Bei dieser Art der Kühlung kann der reflektierende Kegel 42 als mit hohem Widerstand behafteter Leiter ausgebildet sein, und beispielsweise aus austenitischem, rostfreien Stahl bestehen und dazu beitragen, einen Teil der Leistung zu absorbieren.

Der reflektierende Kegel 42 braucht nicht unbedingt exakt konische Gestalt zu haben. Wenn das Muster des zu absorbierenden Modus bekannt ist, kann die Gestalt so berechnet werden, daß die am besten gleichförmige Verlustverteilung erreicht wird. d.h. die kürzeste Länge der Last erzielt wird. In Fig. 4 ist schematisch eine Gestalt gezeigt, die für den TE_Q,-Modus verwendbar ist. Da auf der Achse kein elektrisches Feld besteht, gibt es keinen Energiefluß. Das geringe paraxiale Feld kann von einer Nase 54 eines Reflektors 42' reflektiert werden, die stumpf ist, wie in der Zeichnung dargestellt, um diese Energie auf·, einem kurzen Weg zu reflektieren. Die stumpfe Gestalt ist vorteilhaft, weil der Reflektor 42' durch Hydroformgebung hergestellt werden kann.

Zu den Vorteilen der Last gemäß der Erfindung gehört: eine kurze axiale Länge wegen der Steuerung der Energieverteilung, robuster Aufbau, leichte Herstellung, insbesondere des zylindrischen, dielektrischen Fensters, welches ohne weiteres aus präzisionsgeschliffener Keramik hergestellt werden kann, und eine gute Anpassung an die hereinkommende Schwingung.

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Claims

Patentanwälte · European Patent Attorneys MÜNCHEN VARIAN ASSOCIATES, INC. Palo Alto, CA U.S.A. Vl P607 D Mikrowellenlast Priorität: 27. Juli 1983 - USA - Serial No. 517 603 Patentansprüche

1. Mikrowellenlast, gekennzeichnet durch eine hohle Kammer (32) mit insgesamt leitfähigen Wänden, einen innerhalb der Kammer angeordneten und abdichtend an den Enden derselben angebrachten dielektrischen Zylinder, eine Einrichtung, mittels der ein schwingungsabsorbierendes Fluid (40) zwischen dem dielektrischen Zylinder und der Kammer zirkuliert, einen Hohlleiter (30), der in das Innere des Zylinders mündet, und ein leitfähiges, schwingungsreflektierendes Glied innerhalb des Zylinders, welches zu der Öffnung hin verjüngt ist, wobei eine durch die öffnung in die Kammer eintretende elektromagnetische Schwingung von dem reflektierenden Glied mindestens teilweise nach außen durch den dielektrischen Zylinder in das Fluid reflektierbar ist.

2. Mikrowellenlast nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das reflektierende Glied ein metallischer Kegel (42) ist.

...Il

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3. Mikrowellenlast nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das reflektierende Glied mit dem der Hohlleiteröffnung gegenüberliegenden Ende der Kammer (32) verbunden ist.

4. Mikrowellenlast nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem reflektierenden Glied ein Durchlaß ausgebildet ist, durch den ein Kühlmittel umläuft.

5. Mikrowellenlast nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel das gleiche ist wie das die Schwingung absorbierende Fluid (40).

6. Mikrowellenlast nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche des reflektierenden Gliedes aus einem Werkstoff mit hohem elektrischen Widerstand besteht.

7. Mikrowellenlast nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter (30) kreisförmig ist.

8. Mikrowellenlast nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter geeignet ist, eine Schwingung in einem Modus fortzupflanzen, der ein kreisförmiges,elektrisches Querfeld aufweist.

9. Mikrowellenlast nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das reflektierende Glied ein verjüngter Rotationskörper um die Achse des Zylinders ist.

10. Mikrowellenlast nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotationskörper so gestaltet ist, daß er die Gleichmäßigkeit der Abfuhr einer Schwingung mit einem gewählten Modus mit kreisförmigem, elektrischen Querfeld verbessert.