CN103367081A

CN103367081A - 回旋器件的宽带输出窗

Info

Publication number: CN103367081A
Application number: CN2013102165682A
Authority: CN
Inventors: 鄢然; 王丽; 潘成胜; 罗勇; 徐勇; 蒲友雷; 王建勋
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2013-06-03
Filing date: 2013-06-03
Publication date: 2013-10-23

Abstract

本发明公开了一种回旋器件的宽带输出窗，所述输出窗为双窗片结构，在输出窗的窗壁之间设有两个窗片，其中第一窗片连接回旋行波管的收集极，第二窗片连接到输出波导。通过采用双窗片结构，本发明的输出窗能降低输出窗对微波的反射、增加输出窗对微波的传输和增加输出窗的带宽。

Description

回旋器件的宽带输出窗

技术领域

本发明涉及一种输出窗，尤其涉及用于回旋器件的输出窗。

背景技术

输出窗是真空微波毫米波器件的关键部件之一，一方面起隔绝外部大气的作用从而保证真空器件的高真空度，另一方面作为微波毫米波器件的输出窗口对放大的微波和毫米波能无反射的通过，因此输出窗的好坏直接影响器件性能，甚至研制的成败。

当窗片对工作模式的反射升高时，一方面造成高频功率不能全部输出到负载，另一方面反射的微波信号会返向传播进入高频互作用段从而干扰前向波对回旋电子注的正常调制，导致极大的影响回旋行波管的正常工作。

已有的输出窗，都是单窗片结构(附图1a)，输出窗窗片结构一边是真空，一边为空气，微波在穿过输出窗时将在内真空与输出窗，输出窗与外空气所对应的两个界面处，发生一系列的反射和透射。由于单片结构只有一个最佳的频率匹配点，导致其频带比较窄。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明公开了一种回旋器件的宽带输出窗，通过采用双窗片结构，从而实现降低输出窗对微波的反射、增加输出窗对微波的传输和增加输出窗的带宽的目的，扩展了频段的适用范围，提高了回旋器件，尤其是回旋行波管针对不同频段微波的传输能力。

为实现上述目的，本发明是通过下述技术方案实现的：

回旋器件的宽带输出窗，所述输出窗为双窗片结构，在输出窗的窗壁之间设有两个窗片，其中第一窗片连接回旋行波管的收集极，第二窗片连接到输出波导。

通过上述结构，微波在穿过输出窗片时将在输出窗片的两个表面处，发生一系列的反射和透射，微波在单窗片的两个表面之间和在两个窗片之间的面形成若干的反射和透射，通过对窗片厚度和距离的调整，使得在单窗片中的微波发射相消，使微波在不同的频点反射相消，从而实现了增加传输和输出带宽的目的。

为了有效控制折射和反射，本发明的输出窗第一窗片两侧分别为真空环境，第一窗片与第二窗片之间为真空环境，第二窗片两侧分别为真空环境和空气环境。

其中，所述输出窗为圆柱形。

本发明的输出窗，窗片可以由任意合适的材料制成，如氧化铝陶瓷、石英玻璃、氮化硼陶瓷等，考虑到机械性能、热传导性能、介电常数、介质耗损等综合需要，优选所述第一窗片、第二窗片由蓝宝石材料制成，其损耗小，热传导性能高，适合作为高功率毫米波的回旋管输出窗片。

本发明的输出窗，所述窗片的厚度和两个窗片之间的距离，使得微波经过系列反射的波达到相位叠加相消，具体的调节方式为：调节窗片的厚度，使在单窗片中的微波反射相消；调节两个窗片之间的距离，使微波在不同的频点反射相消。

在不同的工作模式下，对应的厚度和间距各不相同。由于TE₀₁模(中心频率34GHz)相对于其它高次模式的模式竞争更易于控制，本发明的输出窗尤其适用于TE01模的工作模式下，此时优选的窗片厚度为1.46mm、窗片间距为1.26mm，在此参数下微博损耗最小，传输带宽最大。其他模式下，如TE02、TE11、TE23、TE41等工作模式下本发明也是可用的。

在本发明中，所公开的宽带输出窗可以广泛用于多种类型的回旋器件，如回旋速调管、回旋行波管等。

本发明的输出窗，由于有效抑制了输出窗对微波的反射，增加了输出窗对微波的传输，并能增加输出窗的带宽。

附图说明

图1a、1b分别为单窗片结构和本发明输出窗的纵向剖面结构图；

图1c为本发明输出窗横向结构剖面图；

图2a、2b为常见单窗片结构的输出窗的反射参数S11、传输参数S21的曲线图；

图3a、3b为本发明的输出窗的反射参数S11、传输参数S21的曲线图。

在所附附图中，1为回旋放大器收集极，2代表输出波导，3为单窗片输出窗的窗片，3-1、3-2为本发明输出窗的第一窗片和第二窗片，4为输出窗的输出窗壁。

具体实施方式

下面申请人结合具体实施例对本发明的输出窗进行说明，在实施例中所限定的参数条件以及环境条件仅为示意，本领域技术人员在本发明的基础上对其进行调整依旧属于本发明的保护范围。

参考附图1b、1c，本发明的宽带输出窗，为双窗片结构，由第一窗片3-1、第二窗片3-2构成，其中第一窗片3-1连接到回旋放大器的收集极1，第二窗片3-2右端连接输出波导2，第一窗片3-1、第二窗片3-2由蓝宝石材料制成，形状为圆柱形。

其中，第一窗片3-1的两侧都是真空，第二窗片3-2两侧分别为真空与空气。

本发明的输出窗的工作过程为在回旋器件的放大器得到放大的电磁波从左端的收集极1入射到输出窗，经过窗片的发射和透射，由输出波导2传输到负载。

本发明的输出窗是基于下述原理设计的：

对于介电常数及磁导率分别为e₁、e₂和m₁、m₂的两种均匀介质，由Fresnel公式可以得到垂直入射的条件下的反射及透射系数满足如下条件，其中r为反射系数，t为透射系数：

r = \frac{\sqrt{e_{1} m_{2}} - \sqrt{e_{2} m_{1}}}{\sqrt{e_{1} m_{2}} + \sqrt{e_{2} m_{1}}}

t = \frac{2 \sqrt{e_{1} m_{2}}}{\sqrt{e_{1} m_{2}} + \sqrt{e_{2} m_{1}}}

在本发明的输出窗中，蓝宝石的相对介电常数e_r≈9.2，相对磁导率m＝1，输出窗的第片窗片的两侧都是真空，第二窗片两侧分别为真空与空气，对于真空，其介电常数及磁导率都为e₀和m₀，基于上述算式，可得到本发明输出窗两个窗片中各个面的反射系数及透射系数：

r_1左≈-0.552、t_1左≈0.448；r_1右≈0.552、t_1右≈1.552。

r_2左≈-0.552、t_2左≈0.448；r_2右≈0.552、t_2右≈1.552。

假设输出窗厚度为d，则电磁波在输出窗的窗片中来回反射一次引起的相位差为：

d = 2 d \sqrt{{(\frac{2 p}{1})}^{2} e_{r} - {(\frac{c_{mn}}{R_{w}})}^{2}} = 2 d \sqrt{{(\frac{2 pf}{c})}^{2} e_{r} - {(\frac{c_{mn}}{R_{w}})}^{2}}

其中，c_mn为输出窗对应工作模式的特征根，R_w为输出窗半径。

假设两个输出窗之间的距离为L，则电磁波在输出窗的窗片中来回反射一次引起的相位差为：

d = 2 L \sqrt{{(\frac{2 p}{1})}^{2} e_{0} - {(\frac{c_{mn}}{R_{w}})}^{2}} = 2 L \sqrt{{(\frac{2 pf}{c})}^{2} e_{0} - {(\frac{c_{mn}}{R_{w}})}^{2}}

其中，c_mn为输出窗对应工作模式的特征根，R_w为输出窗半径

当相位差d＝2pp(p＝1，2，…)时，r＝0，|t|＝1，返回到高频系统的反射波完全相消，输出波无反射透过输出窗，电磁波在窗片间经过系列反射的波满足相位叠加相消原理，所有输出都全部进入负载。

当采用单窗片的输出窗时，对工作模式为TE₀₁模、中心频率为34GHz回旋行波放大器，得到无反射输出窗的厚度d为：

d = \frac{pp}{\sqrt{{(\frac{2 p}{1})}^{2} e_{r} - {(\frac{c_{mn}}{R_{w}})}^{2}}} = \frac{pp}{\sqrt{{(\frac{2 pf}{c})}^{2} e_{r} - {(\frac{c_{mn}}{R_{w}})}^{2}}} \approx p \times 1.464 \times 10^{- 3} (m)

由于在工程设计中需要输出窗片厚度最小，以减小窗片的吸收功率，当p＝1时输出窗取得最小厚度，因此工作模式为TE₀₁模、中心频率为34GHz的回旋行波管放大器蓝宝石输出窗厚度为1.464mm。

参考附图2a、2b，给出了窗片厚度为1.464mm、中心频率为34GHz和工作模式为TE₀₁模的单窗片结构的输出窗的S11参数即反射系数和S21参数即传输系数。

如图2a所示，S11参数在频率为34GHz处有极小值，为-47.40dB，也就是说单窗片结构只有一个匹配点，单窗片结构在工作频率34GHz时有最小的反射，S11参数小于-12dB的频率范围是32.1GHz到36GHz。

如图2b所示，S21参数在频率为34Ghz处有极大值，频率在32.1GHz到36GHz之间的S21参数都大于-0.3dB的。说明微波在工作频率在32.1GHz到36GHz之间有很好的传输。

由以上数据可以看出，窗片厚度为1.464mm的单窗片结构的带宽为32.1GHz到36GHz。

本发明的输出窗，通过调节双窗片之间的距离，使得在两个匹配点之间的工作频率的S11参数降低而S21参数提高，即在两个匹配点之间降低微波的反射和增加微波的传输。

图3a、3b给出了本发明的输出窗在窗片厚度为1.46mm、窗片间距为1.26mm、中心频率为34GHz和工作模式为TE₀₁模的双窗片结构的S11参数即反射系数和S21参数即传输系数。

如图3a所示，S11参数在频率为34.15GHz和38.20GHz处有极小值，分别为-56.75dB和-42.09dB，显示双窗片结构有两个匹配点，说明反射系数在此两个频率点上最小的反射，S11参数小于-12dB的频率范围是33GHz到39.6GHz。

如图3b所示，S21参数在频率为34.15GHz和38.20GHz处有极大值，频率在33GHz到39.6GHz之间的S21参数都大于-0.3dB。说明微波在工作频率为33GHz到39.6GHz之间有很好的传输。

由以上数据可以确定，本发明的双窗片的输出窗在TE₀₁模工作模式下，窗片厚度为1.46mm、窗片间距为1.26mm的双窗片结构的带宽在33GHz到39.6GHz。

由上述数据可见，本发明的输出窗采用双窗片结构的带宽要比单窗片结构的带宽要宽，用于回旋行波管时，回旋行波管放大器要求工作带宽大于1.5GHz，由上述数据可见，本发明的输出窗结构完全满足回旋行波管放大器要求。

Claims

1.回旋器件的宽带输出窗，其特征在于所述输出窗为双窗片结构，在输出窗的窗壁之间设有两个窗片，其中第一窗片连接回旋行波管的收集极，第二窗片连接到输出波导。

2.根据权利要求1所述的宽带输出窗，其特征在于所述第一窗片两侧分别为真空环境，第一窗片与第二窗片之间为真空环境，第二窗片两侧分别为真空环境和空气环境。

3.根据权利要求1所述的宽带输出窗，其特征在于所述输出窗为圆柱形。

4.根据权利要求1所述的宽带输出窗，其特征在于所述第一窗片、第二窗片由蓝宝石材料制成。

5.根据权利要求1所述的宽带输出窗，其特征在于所述窗片的厚度和两个窗片之间的距离，使得微波经过系列反射的波达到相位叠加相消。

6.根据权利要求5所述的宽带输出窗，其特征在于在TE₀₁模的工作模式下，窗片厚度为1.46mm、窗片间距为1.26mm。

7.根据权利要求1所述的宽带输出窗，其特征在于所述回旋器件是回旋行波管。