新型超寬頻帶盒型輸出窗的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的目的在于提供一種新型超寬頻帶盒型輸出窗，用于克服現(xiàn)有盒型輸出窗相對工作帶寬窄的問題。該超寬頻盒型輸出窗，包括矩形波導(dǎo)、圓波導(dǎo)及密封焊接于圓波導(dǎo)中間的圓形介質(zhì)窗片，其中圓波導(dǎo)兩端分別連接矩形波導(dǎo)、矩形波導(dǎo)連接于圓波導(dǎo)圓截面的正中間；其特征在于，所述圓波導(dǎo)為類0型圓波導(dǎo)，其長度為0.25λ、λ為TE11波導(dǎo)波長。本發(fā)明超寬頻帶盒型輸出窗采用TE11和TM11的混合模式傳輸，有效擴寬其工作帶寬至45％，并且有效避免其中心頻點發(fā)生漂移；類0型圓波導(dǎo)有效提高了傳輸模式純度，進一步優(yōu)化了盒型輸出窗傳輸特性參數(shù)。該盒型輸出窗結(jié)構(gòu)緊湊、氣密性良好、具有較大的功率容量，在一定加工誤差下仍然具有良好的傳輸性能，降低了加工難度。
【專利說明】新型超寬頻帶盒型輸出窗
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微波電真空器件領(lǐng)域，涉及一種用于微波真空管的輸出裝置，具體為一種新型超寬頻帶盒型輸出窗。
【背景技術(shù)】
[0002]微波電真空器件是將在真空中的運動的電子所攜帶的能量轉(zhuǎn)換成微波能量的器件。電子槍產(chǎn)生電子注，電子注在真空環(huán)境下與高頻場相互作用，將電子動能轉(zhuǎn)化成高頻能量。為了確保器件的真空環(huán)境，必須使用窗片實現(xiàn)外部大氣環(huán)境與微波管內(nèi)高真空狀態(tài)之間的隔離。
[0003]大功率輸出窗是大功率微波電真空器件、加速器和其他大功率微波電子系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其好壞往往決定微波器件研制的成敗。大功率輸出窗有多種形式，目前廣泛使用的微波輸出窗有盒型窗、矩形窗、階梯窗、同軸窗、多窗片窗等。
[0004]目前，大功率微波電真空器件，特別是寬頻帶電真空器件中使用最普遍的是工作于圓TE11模式的盒型輸出窗。傳統(tǒng)盒型輸出窗結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括矩形波導(dǎo)、圓波導(dǎo)及密封焊接于圓波導(dǎo)中間的圓形介質(zhì)窗片，其中圓波導(dǎo)兩端分別連接矩形波導(dǎo)、矩形波導(dǎo)連接于圓波導(dǎo)截面的正中間。由于窗片與真空介電常數(shù)的差異，傳統(tǒng)盒型窗使用TE11單模傳輸，難以獲得寬頻帶的傳輸特性，其相對帶寬一般只有20%?30% ;同時，當(dāng)工作頻率增高時，窗片的厚度變得很薄，導(dǎo)致盒型輸出窗所能承受的功率容量降低，并且會造成中心頻率發(fā)生漂移。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種新型超寬頻帶盒型輸出窗，用于克服現(xiàn)有盒型輸出窗相對工作帶寬窄的問題。該盒型輸出窗采用TE11和TM11的混合模式傳輸，有效擴寬其工作帶寬至45%，并且有效避免其中心頻點發(fā)生漂移。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案為:新型超寬頻帶盒型輸出窗，包括矩形波導(dǎo)、圓波導(dǎo)及密封焊接于圓波導(dǎo)中間的圓形介質(zhì)窗片，其中圓波導(dǎo)兩端分別連接矩形波導(dǎo)、矩形波導(dǎo)連接于圓波導(dǎo)圓截面的正中間；其特征在于，所述圓波導(dǎo)為類O型圓波導(dǎo)，其長度為0.25λ、λ為TE11波導(dǎo)波長。
[0007]進一步的，所述類O型圓波導(dǎo)的短軸長度等于矩形波導(dǎo)矩形截面的長。
[0008]更進一步的，所述類O型圓波導(dǎo)為橢圓波導(dǎo)。
[0009]優(yōu)選的,所述圓形介質(zhì)窗片為藍寶石圓形介質(zhì)窗片。
[0010]本發(fā)明提供的新型超寬頻帶盒型輸出窗，其結(jié)構(gòu)中壓縮圓波導(dǎo)長度為0.25 λ (λ為TE11波導(dǎo)波長)，在TE11傳輸模式外引入TM11傳輸模式,實現(xiàn)TE1JP TM11的混合模式傳輸，有效擴寬其工作頻帶寬度；并且兩種模式總的中心頻點處于更加合理的位置，有效避免中心頻點的漂移。但是TM11傳輸模式的引入不可避免地會引入更多的高次雜模，本發(fā)明采用類O型圓波導(dǎo),在不干擾傳輸模式的場分布的結(jié)構(gòu)的情況下同時破壞高次模式的場分布，使盒型輸出窗具有良好的傳輸特性參數(shù)。
[0011]綜上，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0012]1.本發(fā)明采用TE11和TM11的混合模式傳輸，拓寬了高頻帶寬，滿足40%的相對帶寬內(nèi)的傳輸系數(shù)s21 ^ 0.18dB與反射系數(shù)的應(yīng)用需求；
[0013]2.本發(fā)明的盒型輸出窗采用類O型圓波導(dǎo)，有效提高了傳輸模式純度，進一步優(yōu)化了盒型輸出窗傳輸特性參數(shù)。
[0014]3.本發(fā)明的盒型輸出窗結(jié)構(gòu)緊湊、氣密性良好、具有較大的功率容量，在一定加工誤差下仍然具有良好的傳輸性能，降低了加工難度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是傳統(tǒng)盒型輸出窗結(jié)構(gòu)示意圖，其中I為矩形波導(dǎo)、2為圓形介質(zhì)窗片、3為圓波導(dǎo)。
[0016]圖2是傳統(tǒng)盒型輸出窗的圓波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖3是本發(fā)明盒型輸出窗結(jié)構(gòu)示意圖，其中I為矩形波導(dǎo)、2為藍寶石圓形介質(zhì)窗片、3為類O型圓波導(dǎo)。
[0018]圖4是本發(fā)明盒型輸出窗類O型圓波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖。 [0019]圖5是本發(fā)明盒型輸出窗矩形波導(dǎo)與類O型圓波導(dǎo)連接處截面示意圖。
[0020]圖6是本發(fā)明實施例中盒型輸出窗實測S參數(shù)圖。
[0021]圖7是本發(fā)明實施例中盒型輸出窗各個頻率點的最大電場值示意圖。
【具體實施方式】
[0022]為了方便說明，在此只采用了 36~52GHz盒型輸出窗對本發(fā)明的新型超寬帶盒型輸出窗結(jié)構(gòu)進行詳細說明，但是，本發(fā)明的保護范圍不局限于此，基于本發(fā)明的其他頻段，其他混合模式傳輸以及任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可以想到的變化或者替換，都應(yīng)該涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護范圍為準(zhǔn)。
[0023]傳統(tǒng)的盒型輸出窗結(jié)構(gòu)如圖1所示，該結(jié)構(gòu)包含了矩形波導(dǎo)1、圓波導(dǎo)3以及介質(zhì)窗片2 ;其中矩形波導(dǎo)一般選用標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)BJ400或者BJ200 ;采用半徑為3.2mm、長度為
2.35mm的標(biāo)準(zhǔn)圓波導(dǎo),如圖2所示；介質(zhì)窗片使用藍寶石材料制作而成,且其厚度為0.2mm、半徑為4mm(略大于與之相連的圓波導(dǎo)的半徑以便于焊接)。這種傳統(tǒng)的盒型窗采用單模傳輸:常見的盒型窗的矩形波導(dǎo)中的TEltl模式耦合出圓波導(dǎo)中TE11模式，TE11經(jīng)過窗片，在另一個圓波導(dǎo)與矩形波導(dǎo)連接處再次轉(zhuǎn)化為TEltl模式，完成電磁波在盒型窗中的傳輸過程。采用這一方式在保證窗片的厚度滿足加工以及使用強度情況下的有效帶寬為20%~30%。
[0024]本實施例提供的新型超寬頻帶盒型輸出窗，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括矩形波導(dǎo)1、圓波導(dǎo)3及密封焊接于圓波導(dǎo)中間的圓形介質(zhì)窗片2，其中圓波導(dǎo)兩端分別連接矩形波導(dǎo)、矩形波導(dǎo)連接于圓波導(dǎo)圓截面的正中間；其特征在于，所述圓波導(dǎo)為類O型圓波導(dǎo)，其長度為0.25λ、λ為TE11波導(dǎo)波長。其中，圓形介質(zhì)窗片I為熱傳導(dǎo)率為23.lW/m*C，熱形變系數(shù)為8e-006M/C，楊氏模量為690000000000N/m2的藍寶石圓形介質(zhì)窗片，其半徑為4.1mm,厚度為0.21mm ;矩形波導(dǎo)采用標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)BJ400 ;類O型圓波導(dǎo)由高純度無氧銅制成，波導(dǎo)長度為1.06mm ;類O型圓波導(dǎo)長軸為3.2mm,類O型圓波導(dǎo)短軸長度等于矩形波導(dǎo)矩形截面的長、并位于矩形截面與長相平行的對稱軸上；矩形波導(dǎo)與類O型圓波導(dǎo)連接處截面示意圖如圖5所示。藍寶石介質(zhì)窗片的半徑略大于圓波導(dǎo)半徑的部分是為了方便焊接蒙乃爾環(huán)。
[0025]本實施例將圓波導(dǎo)的長度從2.4mm壓縮到1.2mm,使得矩形波導(dǎo)的TE11模式在傳輸頻帶的高端能在圓波導(dǎo)耦合出TM11傳輸模式，完成電磁波在盒型輸出窗圓波導(dǎo)段的傳輸，擴展了盒型輸出窗的傳輸帶寬。但是這樣的改變會使得傳輸頻段低端在盒型窗中引入不期望的其他高頻振蕩模式，它們的存在會影響盒型窗的傳播特性參數(shù)并且干擾盒型窗的正常工作，因此需要消除。本發(fā)明采用了如圖4所示的類O型圓波導(dǎo)，在對傳輸模式TE11和TM11影響很小的情況下極大地抑制了高次雜模，保證了盒型輸出窗在全傳輸頻段具有良好的傳輸特性參數(shù)。
[0026]本實施例中提供的新型超寬頻帶盒型輸出窗，在36GHz-46GHz頻段以TE11模式為傳輸模式，在46GHz~50GHz，采用TE11和TM11的混合模式為傳輸模式，而TM11模式為50~52GHz時的傳輸主模。如圖6所示為混合模式傳輸?shù)腟參數(shù)測試結(jié)果圖，盒型窗在36~52GHz的頻段范圍內(nèi)的反射系數(shù)S11均能小于_18dB，拓寬了盒型輸出窗的高頻帶寬，優(yōu)化了傳輸特性。
[0027]為了保證本發(fā)明所設(shè)計的混合模式輸出窗能有效進行大功率微波傳輸并具有一定的可靠性，下面對新型盒型窗進行功率容量分析和熱分析。
[0028]工程應(yīng)用中，窗片的厚度是一個重要的指標(biāo)。因為窗片厚度若過薄，窗片可能會因承受不了過大的熱應(yīng)力而被擊穿或炸裂；而過厚，又會極大地增加反射。以傳輸功率1KW為例，對盒型窗的功率容 量進行分析。相對于單模傳輸?shù)暮行痛?，本實施例由于通過壓縮圓波導(dǎo)的長度引入混合模式傳輸，所以可能會存在混合模式的電場超過了空氣的擊穿電壓30KV/cm的情況。為了保證所設(shè)計的盒型窗能夠滿足一定的功率容量，本發(fā)明分析了盒型窗中各個頻點的最大場值，即如圖7所示?？梢钥闯?本發(fā)明的盒型窗中最大電場均小于30KV/cm，所以設(shè)計的幾何空間所能容納夠功率容量由以下公式:
[0029]P, =0.6*ab*Jl-(^)2 (MW)
hr^ x2a
[0030]計算得到:Pbr= 0.025 (MW) = 25 (Kff)
[0031]由于存在反射和局部電場不均勻，經(jīng)經(jīng)驗功率容量:P 乂 l/2*Pbr = 12.5 (Kff)所以本專利設(shè)計的新型盒型窗能滿足傳輸1KW功率的要求。
[0032]同時本發(fā)明采用藍寶石的材料作為圓形介質(zhì)窗片，其熱傳導(dǎo)率為23.lW/m*C，熱形變系數(shù)為8e-006M/C，楊氏模量為690000000000N/m2。通過泊松方程編程分析可知在功率為1KW條件下窗片的溫度分布處于安全范圍之內(nèi)，保證盒型輸出窗的穩(wěn)定工作。
【權(quán)利要求】
1.新型超寬頻帶盒型輸出窗，包括矩形波導(dǎo)、圓波導(dǎo)及密封焊接于圓波導(dǎo)中間的圓形介質(zhì)窗片，其中圓波導(dǎo)兩端分別連接矩形波導(dǎo)、矩形波導(dǎo)連接于圓波導(dǎo)圓截面的正中間；其特征在于，所述圓波導(dǎo)為類O型圓波導(dǎo)，其長度為0.25 λ、λ為TE11波導(dǎo)波長。
2.按權(quán)利要求1所述新型超寬頻帶盒型輸出窗，其特征在于，所述類O型圓波導(dǎo)的短軸長度等于矩形波導(dǎo)矩形截面的長。
3.按權(quán)利要求1所述新型超寬頻帶盒型輸出窗，其特征在于，所述類O型圓波導(dǎo)為橢圓波導(dǎo)。
4.按權(quán)利要求1所述新型超寬頻帶盒型輸出窗，其特征在于，所述圓形介質(zhì)窗片為藍寶石圓形介質(zhì)窗片。
【文檔編號】H01P1/08GK104037473SQ201410249460
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月6日
【發(fā)明者】王建勛, 鄭源, 羅勇 申請人:電子科技大學(xué)