CN101789534A - 一种大功率盒形窗口 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大功率盒形窗口，其特征在于本发明对传统结构作了改进创新，采用AgCuTi真空钎焊介电常数低，介电损耗小，高温导热好的氮化硼陶瓷，封接圆波导采用外套保护金属钼环的薄壁无氧铜材料，在冷却上采用风冷或水冷两种可供选择的有效方式，从而解决了传统大功率窗口封接难、功率损耗大，长时间工作温度高，且散热难的问题。

Description

一种大功率盒形窗口

技术领域

本发明属于微波电子器件制造领域，特别是一种大功率盒形输能窗口。

背景技术

大功率真空微波器件是利用电子注与微波电磁场互相作用而进行微波放大的电真空器件，它具有高峰值功率，高平均功率以及较低成本等特点，是各种微波电子系统的心脏，在进入21世纪的今天，仍然是一种不可替代的微波功率源。微波电真空器件能够可靠运行，就需要高真空的内部环境，输能窗就是解决高频能量输出和维持器件本身高真空性能之间的矛盾而出现的，它对器件和系统的功率容量、高频特性、可靠性和寿命具有重要的影响。

一直以来，大功率真空器件都是利用一种盒形窗，即将一个圆盘介质片密封在截面相同的圆波导中，两端通过转换和矩形波导相连而成，这种窗的优点是承受的功率大，频带宽，结构简单，常用的介质片一般为Al2O3陶瓷和玻璃，但都具有一些不可避免的缺点。首先介质的热膨胀系数比较小，为了得到高可靠的封接结构，金属一般选用热膨胀系数与介质相近的可伐或钼铜镍金属，由于此两种金属的表面电阻都比较大，增大了功率的损耗，在长时间的工作状态下，输能窗的温度就会持续升高，对结构的稳定性带来很大的危害：其次，介质的导热能力一般，不能将产生的热量很快的传导出去，从而加剧了窗口温度的升高；最后，Al₂O₃陶瓷的相对介电常数比较大，增加了等效加载电容，使得频带变窄，虽然玻璃具有较低的相对介电常数，频带可以较宽，但其功率和热承受能力很低，很容易击穿或钎焊时炸裂。

发明内容

本发明提出了一种新型的大功率盒形输能窗口，功率容量大，高频特性好，可靠性和寿命都有大幅度提高。所述技术方案如下：

一种大功率盒形输能窗口，在圆波导中设置一个圆盘陶瓷介质片，其特征在于，所述输能窗门的窗瓷为各向异性的氮化硼陶瓷，封接采用垂直于氮化硼沉积方向的套封结构，无氧铜外围陶瓷封装的位置紧套一个金属钼环。

优选的，所述输能窗口的封接圆波导采用高导电率，高导热率的无氧铜材料。

优选的，所述氮化硼陶瓷采用AgCuTi焊料在真空炉中钎焊的方式进行封接。

优选的，所述输能窗口的无氧铜波导的壁厚为0.5mm。

优选的，无氧铜封接波导的外围套用一钼金属环作为保护。

优选的，所述输能窗口在工作时采用风冷或水冷此两种冷却方式中的一种进行冷却。

优选的，所述氮化硼陶瓷和封接圆波导之间的应有0.1mm-0.15mm的间隙用来涂Ti粉不超过0.02mm。

优选的，所述介质陶瓷采用气息沉降形成的各向异性的氮化硼陶瓷。

本发明的有益效果是，与常用的盒形输能窗口相比，由于采用了氮化硼作为介质，其介电损耗小，高温导热好，且采用无氧铜密封介质片，其又具有导电率高、导热能力好的特性，因此本发明所述的大功率盒形窗口功率损耗小，加之采用冷却技术，长期工作仍能保持低温状态，可靠性大大提高。

附图说明

图1为本发明所述的采用风冷的大功率窗的结构示意图；其中，a为b的剖视图，c为a的局部放大视图；1-1为氮化硼陶瓷、1-2为可伐金属支撑环、1-3为封接圆波导、1-4为金属钼保护环；

图2为是本发明所述的采用水冷的大功率窗的结构示意图；其中，2-1为氮化硼陶瓷、2-2为可伐金属支撑环、2-3为封接圆波导、24为金属钼保护环、2-5为水管接头；

图3为本发明所述热冲击试验曲线示意图；其中，3-1和3-1为放进窗口，3-2和3-4为取出窗口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

本发明在结构上作了改进创新，采用高导热系数的氮化硼陶瓷，提供了一种结构合理，既能解决陶瓷开裂，又能解决窗口温度持续增高问题的新型大功率窗口。首先，氮化硼陶瓷是采用气息沉降形成的各向异性材料，尤其具有介电常数低，介电损耗小，高温导热好，介电强度高等令其他陶器无法比拟的优良电气性能。自身结构上的各向异性，使得氮化硼陶瓷在不同的方向上的物理机械性能均有较大差异，由于平行于沉积面方向的强度较高，故封接时采用垂直于沉积方向的套封结构。考虑到所用金属对功率有较低损耗和具有良好的导热性能，密封介质片的圆波导采用高电导率、高导热的无氧铜材料，同时为避免金属和陶瓷热膨胀系数上的巨大差异而造成的陶瓷高温拉裂的问题，通过计算和实验，特别将无氧铜圆波导的壁厚设计为0.5mm，并在无氧铜外围陶瓷封接的位置紧套一个热膨胀系数低的金属钼环，这样最终形成了一种对氮化硼陶瓷产生以径向压应力为主的牢靠结构。此外为了保证整个窗口的机械强度，在整个窗口的外围套用一个壁厚1.0mm的无氧铜环作为支撑，同时，此环的边缘又是应用输能窗时氩弧焊所用。根据此窗口的应用环境，上述方法所形成的结构可以选择采用两种方便而又有效的冷却方式，其一，风冷结构。金属钼环与支撑环紧密贴合，内部热量传导到外围的表面被风带走；其二，水冷结构。无氧铜环和支撑环之间留有足够的空间，并冲满流动的水以进行冷却。其次，氮化硼的介电损耗小，高温导热好，无氧铜的导电率高，导热能力好，故此设计一方面对功率的损耗小，另一方面由于采用的材料导热性好，加之采用风冷或水冷，保证了窗口在长期工作中仍处于一个低温的状态，从而就保证了窗口的稳定可靠性。最后，采用AgCuTi真空钎焊，从而解决的氮化硼封接难的问题。

下面结合附图，对本新型结构的制作工艺作进一步的描述：

1.将研磨好的钛粉(颗粒度＜0.02mm)经消棉调和成膏状，均匀涂抹于氮化硼陶瓷(l-l)的焊接面上，其余部分不能沾有Ti粉，烘干后，称量，直到涂抹到与φ0.5的AgCu28焊料丝相对应的重量(重量根据焊接面积计算)；

2.将涂镀好的氮化硼陶瓷装配到封接圆波导1-3上，注意间隙不能超过0.02mm(涂铍前的间隙在0.1-0.15mm)，且装配到紧贴封接圆波导的台阶为准，在显微镜下检查除焊接面外不能沾有Ti粉颗粒。并将金属钼环套在封接圆波导外侧。

3.用Φ0.5的AgCu28焊料丝绕制与封接圆波导内径相同的焊料环1圈，然后将焊料环放进封接圆波导内，紧贴氮化硼陶瓷。

4.将支撑无氧铜环1-5装配到封接圆波导的外侧，最后将转接方波导分别装配到封接圆波导的两侧，带有螺丝孔的转接方波导1-6为白铜材料，具有很高的强度，另一侧的转接方波导1-7为无氧铜材料，具有很低的损耗。

5.在装配过程中，在图1中1-8处用Φ0.5的PdAgCu10焊料丝绕制相同直径的焊料丝环，并将焊料装配好。

6.在真空炉钎焊过程中，按照PdAgCu10的钎焊程序进行。

7.采用水冷的结构需先将进出水口与支撑环钎焊在一起，且还得注意进出水口的方向与窗口法兰的相对位置；

8.用钎焊所用的工装将装配好的窗口固定好，进入真空钎焊炉钎焊；

9.钎焊完毕，取下工装检验气密性。

10.在可控马弗炉中做热冲击试验，试验条件如图四所示，在马弗炉温度升到500℃时，打开炉门放进窗口，保温15min，打开炉门取出窗口，大气中冷却至室温，此过程重复五次，最终仍能保证良好的气密性。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种大功率盒形输能窗口，在圆波导中设置一个圆盘陶瓷介质片，其特征在于，所述输能窗口的窗瓷为各向异性的氮化硼陶瓷，封接采用垂直于氮化硼沉积方向的套封结构，无氧铜外围陶瓷封装的位置紧套一个金属钼环。

2.如权利要求1所述的大功率盒形输能窗口，其特征在于，所述输能窗口的封接圆波导采用高导电率，高导热率的无氧铜材料。

3.如权利要求1、2所述的大功率盒形输能窗口，其特征在于，所述氮化硼陶瓷采用AgCuTi焊料在真空炉中钎焊的方式进行封接。

4.如权利要求2所述的大功率盒形输能窗口，其特征在于，所述输能窗口的无氧铜波导的壁厚为0.5mm。

5.如权利要求1、2所述的大功率盒形输能窗口，其特征在于，整个窗口的外围套用一个可伐金属环作为支撑。

6.如权利要求1所述的大功率盒形输能窗口，其特征在于，所述输能窗口在工作时采用风冷或水冷此两种冷却方式中的一种进行冷却。

7.如权利要求1所述的大功率盒形输能窗口，其特征在于，所述氮化硼陶瓷和封接圆波导之间的间隙不超过0.02mm。

8.如权利要求1-7所述的大功率盒形输能窗口，具特征在于，所述介质陶瓷采用气息沉降形成的各向异性的氮化硼陶瓷。

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