Диденко Сверхпроводясчие ускоряюсчие 2008

Для расчета положений поршней, соответствующих согласованию произвольной нагрузки, использовалась следующая модель. Нагрузка в волноводе представлялась индуктивной диафрагмой с переменным положением в волноводе и согласованной нагрузкой, установленной за ней. На рис. 4.63 показа-

циента отражения |S11|=0,14.

Перемещение поршней в Е- и Н-плечах на половину длины волны в волноводе позволяет получить любые значения коэффициентов S-матрицы ЕН-согласователя. Зависимость модуля коэффициента отражения на входе устройства от положения поршней представлена на рис. 4.64. Коэффициент отражения от входа ЕН- согласователя не превышает 0,032.

Схематичное изображение ЕН-согласователя приведено на рис.4.65,а, на рис.4.65,б − фотография макета устройства. К двойному волноводному тройнику 1 подключен волновод 2. В Н-плече установлена индуктивная диафрагма 3 для настройки тройника. В волноводе, подключенном к Н-плечу, установлен короткозамыкающий поршень 7, перемещение поршня обеспечивается узлом шагового двигателя 4. Контактная прокладка 5 позволяет получить надежный электрический контакт между тройником и волноводом. Коаксиально-волноводные адаптеры 6 установлены в двух плечах тройника и позволяют измерять амплитуду и фазу волны, передаваемой через устройство. Адаптеры 6 разработаны для экспериментальных измерений и не являются составными элементами ЕН- согласователя.

231

этому важно минимизировать напряженность поля в местах, опасных с точки зрения пробоя. В ходе работы рассмотрены два варианта дроссельных поршней [4.19].

Управление функциями ЕН-согласователя осуществляется с помощью единого программно-аппаратного комплекса, разработанного и изготовленного специально для этого устройства и являющегося его неотъемлемой частью. Функциональная схема системы управления приведена на рис. 4.66.

Основными исполнительными элементами для настройки устройства являются два шаговых двигателя (ШД), которые обеспечивают перемещение короткозамыкающих дроссельных поршней в Е- и Н-плечах согласователя. Двигатели позволяют делать 200 шагов на один оборот вала, что обеспечивает необходимую точность позиционирования поршней. Системы перемещения и схемотехника блоков управления двух поршней полностью идентич-

ны.

Персональный компьютер

П / О

Цифр. I/O Блок электронный

EH-согласователь

СВЧ-тракт

Рис.4.66. Функциональная схема программно-аппаратного комплекса управления ЕН-согласователем

Оперативное управление комплексом, сбор, обработка и хранение данных калибровки и измерений осуществляется компьютером. Для выполнения перечисленных функций он оснащён дополнительными устройствами, обеспечивающими обмен данными с остальными элементами комплекса – платой цифрового вводавывода информации ADLINK PCI-7230 и интерфейсом GPIB.

233

Таблица 4.18 Результаты измерения характеристик двойного волноводного тройника

Значения коэффициентов матрицы рассеяния |Sij|, дБ

В табл. 4.18 приведены результаты измерения параметров ЕН- согласователя. После настройки ЕН-согласователя была выполнена его калибровка на низком уровне мощности. Для этого к входному и выходному портам устройства были присоединены коакси- ально-волноводные адаптеры. С их помощью устройство было включено в измерительную цепь векторного анализатора цепей. Прибор содержит встроенный генератор, работающий в частотном диапазоне 0,3 − 6000 МГц, и позволяет проводить измерения параметров двух- и четырехполюсников, относительно плоскостей отсчета, указываемых процессом калибровки устройства совместно с питающей линией. Прибор соединен с компьютером по интерфейсу GPIB.

а) б)

Рис.4.67. Калибровочные кривые на комплексной плоскости при перемещении поршней: а – коэффициент отражения S11; б – коэффициент передачи S12

Калибровка ЕН-согласователя осуществляется в полностью автоматическом режиме под управлением программы, написанной в

234

среде программирования LabView. На рис. 4.67 приведен характерный вид калибровочных кривых, представляющих собой семейство окружностей. Точки, составляющие одну окружность, соответствуют изменению положения одного поршня во всём диапазоне его перемещения при фиксированном положении другого поршня (каждой точке соответствует амплитуда и фаза коэффициента отражения или коэффициента передачи).

Работоспособность EH-согласователя, т.е. возможность согласования с его помощью нагрузок с различными коэффициентами отражения, была экспериментально проверена с применением тестовой нагрузки. Процедура согласования соответствовала алгоритму, который разработан для настройки элементов высокочастотного тракта коллайдера TESLA.

Тестовая нагрузка была собрана следующим образом. К коаксиальному разъему коаксиально-волноводного адаптера присоединена коаксиальная согласованная нагрузка. Внутри адаптера был расположен металлический отражающий элемент. Подбором положения этого элемента внутри адаптера коэффициент отражения (обратных потерь) от такой нагрузки изменялся в широких пределах. Измерены значения амплитуды и фазы коэффициента отражения (обратных потерь) от четырех нагрузок (табл.4.19). Здесь же приведены результаты измерения коэффициента отражения от входа ЕН-согласователя. Отражение от волноводного порта адаптера измерялось с помощью анализатора цепей HP8752C.

Выполненные измерения коэффициентов отражения от четырех нагрузок позволяют установить поршни ЕН-согласователя в поло-

235

жение, соответствующее согласованию на входе ЕН- согласователя. Измерение коэффициентов отражения на входе ЕН- согласователя показывает достаточно хорошее согласование устройства во всех случаях (табл.4.19). Экспериментально удалось согласовать нагрузки не хуже, чем –24 дБ. Полученные данные свидетельствуют об удовлетворительной работоспособности разработанного устройства по согласованию нагрузок с различными коэффициентами отражения.

Рис.4.68. Интерфейсное окно программы установки S-параметров ЕН-согласователя по данным предварительной калибровки

4.5.3.Регулируемые направленные ответвители

Система СВЧ питания ускоряющих секций коллайдера TESLA включает регулируемые волноводные направленные ответвители нескольких типов, имеющих различные характеристики. В последовательной схеме питания секций используются ответвители с переходным ослаблением в номинальном режиме от 12,5 до 3 дБ. Диапазон регулировки переходного ослабления в каждом из них должен быть ± 1 дБ по отношению к номинальному значению. В

236

случае древовидной схемы переходное ослабление всех ответвителей в номинальном режиме равно 3 дБ и должно регулироваться в диапазоне, меньшем чем ± 1 дБ. Таким образом, ответвители с переходным ослаблением 3 дБ используются как в последовательной, так и древовидной схемах.

При разработке направленных ответвителей основное внимание уделено устройствам с крайними значениями переходного ослабления, а именно 12,5 и 3 дБ. Это позволяет найти и обосновать принципиальные технические решения для всех типов ответвителей, предназначенных для системы питания коллайдера. Конструкция ответвителей с переходным ослаблением C, лежащим в диапазоне от 3 до 12,5 дБ, является аналогичной. Значение коэффициента направленности волноводных ответвителей должно быть не меньше 25 дБ во всем диапазоне перестройки переходного ослабления.

Для обеспечения компактности устройств рассматриваются конструктивные решения, позволяющие регулировать переходное ослабление ответвителей с помощью изменения их геометрии в области отверстий связи. На примере ответвителя со связью по общей узкой стенке волноводов [4.20] и переходным ослаблением 3дБ рассмотрены два варианта регулировки переходного ослабления, различающиеся ориентацией подвижных короткозамыкающих поршней, которые перемещаются в области отверстия связи относительно волноводов, образующих ответвитель. В первом варианте цилиндрические или призматические поршни вводятся через широкие стенки волноводов напротив окна связи в средней плоскости между волноводами (емкостная перестройка). Во втором варианте к узким стенкам волноводов ответвителей напротив отверстий связи присоединены вспомогательные волноводы с подвижными поршнями (индуктивная перестройка)

Расчетные параметры, полученные при расчетном моделировании направленного ответвителя, выполненного на базе прямоугольного волновода с сечением 72×34 мм на частоте 2,797 ГГц, с использованием емкостных регулировочных цилиндрических либо призматических плунжеров (рис. 4.69), приведены в табл. 4.20. В процессе расчетов определялись: коэффициент переходного ослабления C = − 20 lgS14, коэффициент направленности D = 20 lg(S14/S13), коэфициент обратных потерь R = − 20 lgS11 в

237

функции положения плунжеров. Между приведенными характеристиками существует простая связь: R = С+D, так как для симметричных устройств S11 = S13. В процессе расчетов основное внимание уделялось достижению максимально возможного значения коэффициента направленности во всем диапазоне изменения переходного ослабления. Данные, приведенные в таблице, получены c помощью программы HFSS для лучших из рассмотренных вариантов геометрических размеров. Видно, что перемещение плунжеров позволяет регулировать переходное ослабление с сохранением коэффициента направленности не хуже 20 дБ. Однако направленные ответвители с емкостной связью обладают недостаточной электрической прочностью, а создание подобной конструкция для двухдырочного ответвителя (на 12,6 дБ) представляется весьма сложным.

Рис.4.69. Направленные ответвители с емкостной перестройкой

Таблица 4.20 Интервалы изменения параметров направленных ответвителей

с емкостными регулировочными плунжерами

Рассмотрим направленный ответвитель с индуктивной связью. Реализация его достигается с помощью различных конструктивных решений. На рис.4.70 изображены регулируемые направлен-

238

ные ответвители: однодырочный с переходным ослаблением 3± 1 дБ и двухдырочный с переходным ослаблением 12,6 дБ. Оба направленных ответвителя рассчитаны на рабочую частоту 1,3 ГГц. Размеры прямоугольных волноводов – a=165,1 мм; b=82,5 мм.

а

б

Рис.4.70. Чертеж направленного ответвителя с индуктивной связью: а – однодырочного на 3 дБ; б – двухдырочного на 12,6 дБ

На рисунке указаны следующие обозначения геометрических размеров: h − ширина щели связи; L – размер широкой стенки вспомогательного волновода, в котором размещается короткозамыкающий поршень; d – положение поршня в волноводе, отсчитываемое от начала скоса в нем; S и Sh - ширина и высота скоса, соответственно; Т – суммарная ширина щели связи и перемычки; t

– толщина общей стенки волноводов. Вспомогательные волноводы присоединены под прямым углом к основным волноводам и симметрично относительно отверстия связи. Их узкая стенка равна 82,5мм. Для регулировки переходного ослабления в пределах ± 1дБ относительно номинального значения и получения коэффициента направленности более 25 дБ во всем диапазоне перестройки подбирались как размеры широкой стенки вспомогательного волновода, так и размеры плавных скосов. Для двухдырочного направленного ответвителя подбирались и размеры Т и h. С увеличением размера L наблюдается повышение направленности во всем диапазоне изменения переходного ослабления. Все дальнейшие расчеты проводились с L=276 мм. Как показали расчеты, при меньшей ши-

239

рине регулирующего волновода происходит резкое падение коэффициента направленности при смещении плунжеров от среднего положения, соответствующего номинальным значениям коэффициента переходного ослабления. Увеличение ширины регулирующего волновода уменьшает скорость спада коэффициента направленности на краях диапазона перестройки. Таким образом, существует такая ширина регулирующего волновода, при которой коэффициент направленности на краях диапазона перестройки является наибольшим. На рис. 4.71 приведены зависимости переходного ослабления и направленности для 3 дБ и 12,6 дБ направленных ответвителей, полученные в результате многопараметрической оптимизации размеров.

в г Рис.4.71.Характеристики направленности и переходного ослабления в функции положения короткозамыкателей во вспомогательном волноводе для направлен-

ных ответвителей: а, б – для однодырочного; в, г – двухдырочного

Для определения допусков на размеры, обеспечивающих получение указанных параметров, были проведены расчеты чувствительности направленности и переходного ослабления к изменению геометрических параметров ответвителей. В результате

240