一種寬帶同軸窗的設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于真空電子器件微波輸能窗技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種寬帶同軸窗的設(shè)計(jì) 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 微波輸能窗是真空電子器件的關(guān)鍵部件之一，其功能是將器件內(nèi)的高真空環(huán)境與 外界的大氣環(huán)境隔離，同時(shí)將高頻功率盡量小反射地傳輸?shù)截?fù)載或天線。微波輸能窗的性 能對(duì)器件的頻帶、功率容量、可靠性和壽命具有重要影響。
[0003] 在各種微波輸能窗中，同軸窗由于結(jié)構(gòu)和工藝簡(jiǎn)單、工作頻帶寬的特點(diǎn)，成為中小 功率行波管中最常用的結(jié)構(gòu)。在耦合腔行波管中，由于輸入功率比較小，在輸入耦合器中也 經(jīng)常采用同軸窗。典型的寬帶同軸窗由同軸內(nèi)導(dǎo)體1、同軸外導(dǎo)體2和陶瓷窗片3組成，其 結(jié)構(gòu)與尺寸示意圖分別見(jiàn)圖1與圖2。在一些應(yīng)用場(chǎng)合下，為了增加了窗與金屬的有效封接 面，增加窗的封接強(qiáng)度和氣密性，采用如圖3與圖4所示的同軸窗結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中，窗片 半徑dl大于陶瓷窗片兩側(cè)的空氣或真空間隙外半徑cl，陶瓷窗片的圓周面與側(cè)面同時(shí)與 窗零件封接。
[0004] 寬帶同軸窗的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)同軸傳輸線的特性，包括同軸線的內(nèi)導(dǎo)體外半徑a 和外導(dǎo)體內(nèi)半徑b，特性阻抗Z。和工作頻率范圍，選擇合適的陶瓷窗片（窗片材料及窗片厚 度t)，并設(shè)計(jì)陶瓷窗片兩側(cè)的間隙半徑c與間隙厚度L，使得整個(gè)微波窗在工作頻率范圍內(nèi) 滿足所要求的傳輸性能。目前，寬帶同軸窗的設(shè)計(jì)主要利用三維電磁場(chǎng)數(shù)值模擬軟件進(jìn)行 大量的仿真與優(yōu)化計(jì)算，以獲得滿足性能要求的結(jié)構(gòu)尺寸。這種單純利用計(jì)算機(jī)模擬的方 法需要對(duì)各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)在很大范圍內(nèi)進(jìn)行掃描仿真與優(yōu)化，因而模擬與優(yōu)化過(guò)程耗時(shí)長(zhǎng)、 計(jì)算機(jī)資源消耗大。本發(fā)明了提出一種寬帶同軸窗的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。該方法利用寬帶同軸 窗的等效電路模型，結(jié)合微波網(wǎng)絡(luò)理論，由中心頻率無(wú)反射的條件快速得到初步滿足要求 的同軸窗尺寸，然后，利用三維電磁場(chǎng)數(shù)值模擬軟件對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)在小范圍內(nèi)進(jìn)行掃描與優(yōu) 化，即可快速得到滿足性能要求的結(jié)構(gòu)尺寸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中寬帶同軸窗設(shè)計(jì)存在耗時(shí)長(zhǎng)、計(jì)算機(jī)資源消 耗大、無(wú)法快速準(zhǔn)確獲得滿足要求的初始結(jié)構(gòu)尺寸的問(wèn)題，提出了一種寬帶同軸窗設(shè)計(jì)方 法。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種寬帶同軸窗的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：
[0007] S1、根據(jù)微波窗的工作頻率范圍與功率容量確定同軸線內(nèi)導(dǎo)體半徑a與同軸線外 導(dǎo)體內(nèi)半徑b;
[0008] S2、選擇陶瓷窗片的材料、窗片厚度t，并根據(jù)單模傳輸條件選擇陶瓷窗片兩側(cè)間 隙半徑c;
[0009] S3、利用微波網(wǎng)絡(luò)理論判斷步驟S2選擇的陶瓷窗片的材料、窗片厚度t、陶瓷窗片 兩側(cè)的間隙半徑C是否滿足匹配條件；
[0010] 若滿足，則進(jìn)入步驟S4;
[0011] 若不滿足，則返回步驟S2 ;
[0012] S4、利用微波網(wǎng)絡(luò)理論確定間隙厚度L;
[0013] S5、利用微波網(wǎng)絡(luò)理論判斷寬帶同軸窗的傳輸特性是否基本滿足要求；
[0014] 若滿足，則進(jìn)入步驟S6 ;
[0015] 若不滿足，則返回步驟S2 ;
[0016] S6、利用三維電磁模擬軟件對(duì)設(shè)計(jì)的典型寬帶同軸窗進(jìn)行建模與仿真，并對(duì)陶瓷 窗片兩側(cè)間隙半徑c與間隙厚度L在小范圍內(nèi)進(jìn)行掃描與優(yōu)化，得到滿足性能要求的寬帶 同軸窗。
[0017]S7、對(duì)于圖3與圖4所示的同軸窗，可按照步驟S1到步驟S6設(shè)計(jì)寬度同軸窗，然 后，按照封接強(qiáng)度和氣密性要求，選擇陶瓷窗片外半徑dl，利用三維電磁模擬軟件小范圍內(nèi) 優(yōu)化陶瓷窗片兩側(cè)間隙半徑cl與間隙厚度L1，即可得到滿足性能要求的寬帶同軸窗。
[0018] 進(jìn)一步地，步驟S1中同軸線的內(nèi)外半徑a、b對(duì)應(yīng)的特性阻抗為50歐姆。
[0019] 進(jìn)一步地，步驟S2中陶瓷窗片的厚度小于電磁波在陶瓷窗片中傳播的導(dǎo)波波長(zhǎng) 的十分之一。
[0020] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明可以快速準(zhǔn)確地求出滿足特定性能要求的寬帶同軸 窗初始結(jié)構(gòu)尺寸，克服了單純利用三維電磁模擬軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)所帶來(lái)的耗時(shí)長(zhǎng)、計(jì)算機(jī)資 源消耗大等問(wèn)題，為高性能同軸窗的快速高效設(shè)計(jì)提供了一種行之有效的方法。
【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1為典型寬帶同軸窗結(jié)構(gòu)。
[0022] 圖2為典型寬帶同軸窗的尺寸示意圖。
[0023] 圖3為一種寬帶同軸窗結(jié)構(gòu)。
[0024] 圖4為一種寬帶同軸窗的尺寸示意圖。
[0025] 圖5為典型寬帶同軸窗的等效電路模型。
[0026] 圖6為同軸線外導(dǎo)體階梯示意圖。
[0027] 圖7為同軸階梯的等效電路圖。
[0028] 圖8為本發(fā)明提供的一種寬帶同軸窗設(shè)計(jì)方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0030] 本發(fā)明提供了一種寬帶同軸窗的設(shè)計(jì)方法，如圖3所示，包括以下步驟：
[0031] S1、根據(jù)微波窗的工作頻率范圍和功率容量確定同軸線的內(nèi)導(dǎo)體半徑a和外導(dǎo)體 內(nèi)半徑b;
[0032] 同軸線與波導(dǎo)一樣，有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。同軸電纜使用的最典型的阻抗值為50歐姆和 75歐姆。很多歐洲國(guó)家使用的標(biāo)準(zhǔn)阻抗大約為60歐姆。設(shè)計(jì)時(shí)，可以直接根據(jù)工作頻率范 圍和功率容量要求選擇標(biāo)準(zhǔn)的同軸線。設(shè)計(jì)同軸線，其尺寸需要滿足兩個(gè)方面要求：（1)保 證TEM模式的單模傳輸。（2)兼顧大的傳輸功率和小損耗的要求。如何確定小同軸線的尺 寸是業(yè)內(nèi)常識(shí)，這里不再贅述。
[0033] S2、選擇陶瓷窗片的材料、窗片厚度t，并根據(jù)單模傳輸條件選擇陶瓷窗片兩側(cè)間 隙半徑c;
[0034] 常用的陶瓷材料有氧化鈹、氮化硼、藍(lán)寶石、氧化鋁陶瓷、金剛石等。不同材料具有 不同的介電特性、機(jī)械強(qiáng)度、熱傳導(dǎo)性能等，可以根據(jù)需要和成本選擇合適的陶瓷窗片。
[0035] 在寬帶同軸窗中，窗片厚度t一般遠(yuǎn)小于電磁波在陶瓷窗片中傳播的導(dǎo)波波長(zhǎng)， 通常要求小于十分之一的導(dǎo)波波長(zhǎng)。
[0036] 間隙外半徑c的選擇應(yīng)該滿足同軸線單模傳輸?shù)臈l件。根據(jù)單模傳輸條件，最高 頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)A|4"應(yīng)滿足如下關(guān)系
[0037]
[0038] 這里(以^為同軸線中的第一個(gè)高次模式TEn模的截止波長(zhǎng)，由式⑴可以確定 間隙外半徑c的取值范圍為
[0039]
[0040] S3、利用微波網(wǎng)絡(luò)理論判斷步驟S2選擇的陶瓷窗片的材料、窗片厚度t、陶瓷窗片 兩側(cè)的間隙半徑c是否滿足匹配條件；
[0041] 首先，給出寬帶同軸窗的等效電路如5所示。同軸線、間隙與陶瓷窗片等效為特性 阻抗分別為Z。、21與Z2的均勻傳輸線。同軸線的特性阻抗計(jì)算式為
[0042]
[0043] 其中，為同軸線填充介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)（對(duì)空氣或真空，ε ^ 1)，Dp02分 別為同軸線的內(nèi)導(dǎo)體半徑a和外導(dǎo)體內(nèi)半徑b。
[0044] jBi是同軸線與間隙外半徑突變引入的附加電納相對(duì)于同軸線特性阻抗Z。的歸一 化電納（j為虛數(shù)單位）。在突變處，不僅是阻抗的不連續(xù)而且由于突變的尖角，形成了電 力線的集中，相當(dāng)于增加了電場(chǎng)的儲(chǔ)能，反映在線路上即為一并聯(lián)的附加電容。同軸線與間 隙外半徑突變的等效電路見(jiàn)圖6。同軸線與間隙外半徑突變等效的附加電容Cd可按下式計(jì) 算。
[0045] Cd= 2iir1C,d (4)
[0046] 這里，巧為同軸線內(nèi)導(dǎo)體半徑，C'd滿足：
[00471
[0048] 這里，ε為同軸線內(nèi)外導(dǎo)體之間填充介質(zhì)的介電常數(shù)。如果為真空或空氣，則有 ε=ε。~8. 854e12。α為同軸線內(nèi)外導(dǎo)體半徑差與同軸階梯半徑與內(nèi)導(dǎo)體半徑差的比 值，即Λ= ^·。τ為同軸階梯半徑巧與同軸內(nèi)導(dǎo)體半徑^的比值，g卩τ= tri ll'1
[0049