CN101281848A - 消除高功率盒型输出窗鬼模的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种消除高功率盒型输出窗鬼模的方法，涉及电真空器件技术，是用三段不同直径的圆波导段和二个锥形波导段组成的圆波导结构代替传统盒形窗的单圆波导段，并在圆波导－矩形波导交界处放置匹配装置。选择窗片材料和尺寸、圆波导结构的尺寸，匹配装置的尺寸，使盒型输出窗在3100～3500MHz工作频带内无鬼模，且驻波比小于1.1。本发明方法能够将高功率盒型输出窗在工作频带内存在的鬼模移出工作频带，从而避免高功率输出窗因鬼模引起损坏的方法。该方法可推广到其它工作频率范围。

Description

消除高功率盒型输出窗鬼模的方法及装置

技术领域

本发明涉及微波电真空器件技术领域，是一种消除高功率盒型输出窗鬼模的方法及装置。

背景技术

高功率盒型输出窗是大功率微波电真空器件，加速器和其他大功率微波电子系统的关键部件，对器件和系统的功率容量，可靠性和寿命具有重要影响。盒型输出窗是将一个圆盘型介质片密封在截面相同的圆波导中，圆波导两端通过圆变方变换段与矩形波导相接。盒型窗的优点是承受的功率容量大，频带宽，结构简单。对于高峰值功率和高平均功率(或连续波)速调管，输出窗的损坏是影响器件寿命的重要因素之一。导致盒型输出窗损坏的机理为窗表面的二次电子倍增效应和工作频带内鬼模的存在引起窗的非正常加热，使窗片炸裂。通过在窗片表面涂覆Ti(或TiN)，Cr2O3等低二次电子发射材料可抑制二次电子倍增效应。除此之外，在工作频带内存在谐振模式是引起高功率盒型输出窗的损坏的另一种机理。引起高功率输出窗损坏的研究表明，由于这些谐振模式是由制造工艺中产生的输出窗结构的不对称性引起，它有时出现，有时又不出现，存在一定的偶然性，所以称为鬼模。通常，落在工作频带内的鬼模为TM01和TE21模。由于鬼模不能在矩形波导中传输，因而具有高的Q值，使窗片和圆波导-矩形波导转换处产生高的电场，引起窗片的击穿和波导打火，损坏输出窗，并导致器件和系统的损坏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种消除高功率盒型输出窗鬼模的方法及装置，保证器件在高功率下正常工作，提高器件和系统的稳定性和寿命。为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

本发明所述的高功率盒型输出窗由输入和输出矩形波导段、三个不同直径的圆波导段和二个锥形波导段组成的圆波导结构、陶瓷窗片，和匹配装置等部分组成。匹配装置为4个长方形的金属条。陶瓷窗片材料为95％Al2O3，输入和输出矩形波导段、圆波导段、锥形波导段和匹配装置等部件的材料均为无氧铜。陶瓷窗片经高温金属化后与圆波导段钎焊，保证其真空密封。其它部件均采用钎焊方法焊接，保证连接处的真空密封性。

本发明的主要特点是采用三个不同直径的圆波导段和二个锥形波导段组成的圆波导结构代替传统盒形窗的单圆波导段结构，并在圆波导-矩形波导之间放置匹配装置，并通过选择窗片材料和尺寸、圆波导结构的尺寸、圆波导-矩形波导变换段放置的匹配装置的形状和尺寸，使盒型输出窗在工作频带内无鬼模，且驻波比小于1.1。

本发明的主要优点：制备和装配工艺简单。该方法能保证在消除频带内鬼模的同时，在要求的工作频率范围内驻波比小于1.1。

附图说明

图1是本发明的消除频带内鬼模的高功率盒形输出窗结构图；图中，输入矩形波导段101，输出矩形波导段110；两匹配装置102、109；圆波导段(一)103，圆波导段(三)108；锥形波导段(一)104，锥形波导段(二)107；两圆波导段(二)105、105a；窗片106。

图2是由本发明设计的一个S波段高功率盒形输出窗的电压驻波比特性曲线。图中：S波段高功率盒形输出窗的电压驻波比特性曲线(要求的工作频率范围3.1～3.5GHz内驻波比小于1.04，鬼模TM010模和TE210模的谐振频率分别为3074MHz和3559MHz)

具体实施方式

请参照图1，本发明消除高功率盒形输出窗频带内鬼模的方法的实施方式如下：

1)对于选定的窗片材料95％Al2O3陶瓷，选择窗片的直径和厚度、三个圆波导段的直径和长度，二个锥形波导段的长度，对图1所示的结构，采用三维电磁场模拟软件计算鬼模(TM010模和TE210模)的谐振频率。通过增大圆波导段(一)(103)和圆波导段(三)(108)的直径，使鬼模TM010模的谐振频率向工作频带低端(3100MHz)移出。通过减少窗片(106)的厚度使鬼模TE210模的谐振频率向工作频带高端(3500MHz)移出。计算鬼模的谐振频率时，应选择输入波导段(101)和输出波导段(110)的长度大于1/2波导波长，使计算获得的TM010模和TE210模的谐振频率不随其长度变化而变化。

2)在圆波导-矩形波导交界处，矩形波导内放置匹配装置(102，109)，调节匹配装置高度和宽度，圆波导段(一)(103)和圆波导段(三)(108)的长度，使输出窗在工作频带内的驻波比小于1.1。

3)根据步骤1)和2)确定的输出窗的几何尺寸，再采用三维电磁场模拟软件计算鬼模(TM010模和TE210模)的谐振频率，如鬼模的谐振频率落在工作频带以外，则完成设计，否则重复步骤1)和2)，直到输出窗的驻波比小于1.1和鬼模的谐振频率落在工作频带以外同时满足。

Claims (4)

1.一种消除高功率盒型输出窗鬼模的方法，其特征在于：该输出窗的工作频段为S波段，频率范围为3100～3500MHz；选择窗片材料为95％Al2O3陶瓷，其介电常数为9.0；窗片的直径范围为76-78mm；窗片的厚度范围为2.4-2.8mm；三个直径不同的圆波导段和二个锥形波导段的直径和长度在76-78mm；BJ32标准矩形波导的宽度为72.14mm，高度为34.04mm；匹配装置为4个材料为无氧铜的长方形金属条，其位置在圆波导段(103)和(108)与矩形波导的交界处，在输入波导(101)和输出波导(110)的窄边上，其长度为34.04mm，其厚度和宽度应在一定范围内；该装置使盒型输出窗在工作频带内无鬼模，且驻波比小于1.1。

2.一种消除高功率盒型输出窗鬼模的装置，其特征在于，该输出窗由输入和输出波导段、圆波导结构、陶瓷窗片和匹配装置组成，所述圆波导结构是由三个直径不同的圆波导段和二个锥形波导段组成，其材料均为无氧铜，其直径与窗片的直径相同为76-78mm，长度为9～11mm；圆波导段(103)和(108)的直径范围为80-82mm，其长度为4～6mm；锥形波导段(104)和(107)的两个端面直径分别与圆波导段(105)和(103)相同，其长度为4～6mm；匹配装置(101)和(109)长度为34.04mm，宽度为3～5mm。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述圆波导段(105)和与窗片(106)是在氢炉中通过高温钎焊的方法焊接，保证输出窗的真空密封。

4.按权利要求1所述的消除高功率盒型输出窗鬼模的装置，其特征在于，所述匹配装置为4个长方形金属条，其材料为无氧铜，其位置为圆波导段(103)和(108)与矩形波导的交界处，在输入波导(101)和输出波导(110)的窄边上，其长度为34.04mm，厚度为3～4mm，宽度为3～5mm，对应于矩形波导的宽边方向。

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