CN104465274A - 一种新型宽带高平均功率风冷结构输出窗 - Google Patents

Abstract

该发明公开了一种新型宽带高平均功率风冷结构输出窗，涉及一种微波、毫米波电真空器件的输出窗结构，特别是一种回旋行波管的宽带高平均功率输出窗结构。通过将背景技术中的单层或双层窗片替换为3层窗片，将3层窗片间隔设置于窗片安装环上，窗片安装环上设置有与相邻窗片间的空腔连接的通气孔，通过该通气孔对窗片进行冷却，从而有效地扩展输出窗的工作带宽，同时有效地提高输出窗的功率容量的效果。

Description

一种新型宽带高平均功率风冷结构输出窗

所属技术领域

本发明涉及一种微波、毫米波电真空器件的输出窗结构，特别是一种回旋行波管的宽带高平均功率输出窗结构。

背景技术

输出窗是微波、毫米波电真空器件的关键部件之一，其主要功能是将微波毫米波电真空器件内的真空环境与大气隔开，保障电真空器件内的高真空度；同时输出微波毫米波电真空器件产生的高功率微波、毫米波。

输出窗设计的好坏直接关系到电真空器件的输出性能乃至整管研制的成败。输出窗设计的难点主要包括两个方面，一方面是输出带宽的问题，另一方面功率容量的问题。

回旋行波管是一种重要的微波、毫米波电真空器件，以其宽带高功率的特点在新一代高功率毫米波雷达、通讯、深空探测等方面有着巨大的应用前景，因而在国际上倍受重视。随着回旋行波管研究工作的不到深入，回旋行波管的性能也在不断提高，工作带宽不断扩展，输出功率(包括脉冲功率和平均功率)不断提高，进而对其关键部件之一的输出窗的研制提出了更高的要求。传统的单窗片结构输出窗，在一些回旋行波管上也有应用，但其工作带宽较窄，这大大限制了回旋行波管的工作带宽。为了扩展输出窗的工作带宽，也有一种双窗片结构的输出窗出现，但该类结构输出窗的相对工作带宽也只有10％左右，对于研制相对工作带宽大于10％的回旋行波管来说，双窗片结构输出窗已不能满足需求。此外，以上提及的两种传统结构输出窗都采用窗片边沿冷却的方式进行输出窗冷却，由于一般的输出窗片，如：蓝宝石窗片、氧化铝陶瓷窗片等导热性能较差，当此类输出窗在传输高平均功率电磁波时，窗片中心处得不到有效冷却，造成输出窗片的中心到边沿的温差较大，进而降低了输出窗的功率容量。

发明内容

本发明针对背景技术的不足所要解决的技术问题是提出一种针对电真空器件的新型宽带高平均功率风冷结构输出窗，达到有效地扩展输出窗的工作带宽，同时有效地提高输出窗的功率容量的目的。

本发明的技术方案是一种新型宽带高平均功率风冷结构输出窗，通过将背景技术中的单层或双层窗片替换为3层窗片，将3层窗片间隔设置于窗片安装环上，窗片安装环上设置有与相邻窗片间的空腔连接的通气孔，通过该通气孔对窗片进行冷却，从而实现发明目的。因而本发明一种新型宽带高平均功率风冷结构输出窗包括：输入波导、窗片模块、输出波导，窗片模块设置于输入波导与输出波导之间，并保持密封连接；输入波导的另一端设置有输入连接法兰，输入连接法兰上设有银铜连接法兰；输出波导的另一端设置有输出连接法兰，输出连接法兰上开设有螺钉孔；所述窗片模块包括：三层窗片、窗片安装环，风管安装环、进风管、排风管；三层窗片间隔设置于窗片安装环内，窗片安装环上开设有与相邻窗片间的空腔连通的进气孔和出气孔；窗片安装环固定于风管安装环内，风管安装环上设置有进风管，该进风管与窗片安装环上的进气孔连通，同时风管安装环上设置有排风管，该排风管与窗片安装环上的出气孔连通；

所述窗片安装环与外层的风管安装环之间开设有密闭的环形空腔，通过两片隔板将该空腔分为两个腔体，一个为进气腔另一个为出气腔；窗片安装环上开设有多个连通进气腔与相邻窗片间空腔的进气孔，同时窗片安装环上还开设有多个连通出气腔与相邻窗片间空腔的出气孔；在风管安装环上设置有与进气腔连通的进风管、与出气腔连通的排风管。

所述进气孔与出气孔的直径为相邻窗片间距的0.5～0.8倍。

所述三层窗片的尺寸相同，各层窗片的厚度

$T_w=0.5\×\frac{C}{f_0\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}---\left(a\right)$

其中：C为真空中的光速，f₀为工作频率范围内的中心频率，ε_r为输出窗片介质的相对介电常数。

所述相邻窗片间距的计算公式为：

$D_w=0.25\×{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{gmn}}=0.25\×2\mathrm{\π}/{\mathrm{\β}}_{\mathrm{mn}}=0.25\×2\mathrm{\π}/\sqrt{{({2\mathrm{\πf}}_0/C)}^2-{(u_{\mathrm{mn}}/R_w)}^2}---\left(b\right)$

其中：λ_gmn为圆波导中TE_mn模的波导波长，β_mn为圆波导中TE_mn模的相位常数，

u_mn为圆波导中TE_mn模的贝塞尔函数的根，R_w为输入、输出圆波导的半径。

本发明的新型宽带高平均功率风冷结构输出窗的优点：

一是有效地扩展输出窗的工作带宽；二是有效地提高输出窗的功率容量；三是增加了输出窗的工作稳定性。

附图说明

图1新型风冷结构宽带输出窗的三维剖视图；

图2新型风冷结构宽带输出窗的横向剖面；

图3新型风冷结构宽带输出窗的纵向剖面；

图4传输TE01模时，新型风冷结构宽带输出窗在Ka波段的传输(S21)参数；

图5传输TE01模时，新型风冷结构宽带输出窗在Ka波段的反射(S11)参数；

图6在Ka波段传输相同功率的TE01模时，新型风冷结构宽带输出窗与传统结构输出窗的温度沿窗片半径分布的比较；

图7在Ka波段传输TE01模时，新型风冷结构宽带输出窗与传统结构输出窗功率容量的比较。

图中：1.第一窗片，2.第二窗片，3.第三窗片，4.进风管，5.排风管，6.通风小孔，7.输入波导，8.输入连接法兰，9.银铜焊料槽，10.输出连接法兰，11.螺钉孔，12.隔板，13.输出波导。

具体实施方式

以下就以工作中心频率34GHz，工作模式为TE01模的宽带高平均功率风冷结构输出窗为例，对本发明进一步详细说明。

附图1即为该输出窗的3维剖视图，图2为该输出窗的横向剖面；图3为该输出窗的纵向剖面；该输出窗包括：三片蓝宝石输出窗片(包括第一窗片(1)、第二窗片(2)、第三窗片(3))；一个与回旋行波管收集极相焊接的输入连接法兰(8)，输入连接法兰(8)上还有焊接时用的两条银铜焊料槽(9)；一个与回旋行波管天馈系统或大功率水负载相连接的输出连接法兰(10)，输出连接法兰(10)上还有连接用的八个螺钉孔(11)；一段输入波导(7)和一段输出波导(13)，其半径与输出窗片半径相同；一个进风管(4)和一个排风管(5)；一个进风和排风隔离用隔板(12)；八个进风用通风小孔(6)和八个排风用通风小孔(6)，它们之间用隔板隔开。

其中，蓝宝石窗片的介电常数为9.2，第一窗片(1)、第二窗片(2)、第三窗片(3)的直径都为32毫米，厚度(高度)由(a)式可得都为1.45毫米，窗片之间的间距由(b)式可得同为2.05毫米；进风管(4)和排风管(5)内直径都为6毫米，外直径都为10毫米，长度都20毫米，材料都为无氧铜；十六个通风小孔(6)的直径都为1毫米，高度都为2.5毫米；输入波导(7)和输出波导(13)直径同为32毫米，长度都是50毫米，壁厚都是5毫米，材料都为无氧铜；输入连接法兰(8)直径为50毫米，高度3毫米，材料为无氧铜，银铜焊料槽(9)的深度为1毫米，宽带为1毫米；输出连接法兰(10)的直径为60毫米，高度为10毫米，材料为无氧铜，八个螺钉孔(11)的直径为8毫米，且沿角向均布。

图4为传输TE01模时，新型风冷结构宽带输出窗在Ka波段的传输(S21)参数；图5为传输TE01模时，新型风冷结构宽带输出窗在Ka波段的反射(S11)参数。由图4和图5可知，该输出窗的反射(S11)参数小于-20dB，传输(S21)参数大于-0.1dB的频段为31GHz到37GHz，达到6GHz带宽，相对带宽大于17％。

图6为在Ka波段传输相同功率的TE01模时，新型风冷结构宽带输出窗与传统结构输出窗的温度沿窗片半径分布的比较图；由图可知，新型风冷结构宽带输出窗与传统结构的输出窗相比，其窗片中心到窗片边沿的稳态温度差得到了大幅度减小，进而大大降低了输出窗的热应力，提高了输出窗的功率容量。

图7为在Ka波段传输TE01模时，新型风冷结构宽带输出窗与传统结构输出窗功率容量的比较。由图可知，新型风冷结构宽带输出窗与传统结构的输出窗相比，其功率容量得到了大幅度提高。

以上实例仅为方便说明本发明新型，本发明新型可以适用于如X波段、KU波段、K波段、Q波导、U波段、V波段、W波段等其他频段的高平均功率宽带输出窗的设计上。输出窗片的尺寸以及窗片之间的间距可根据不同的频率、工作模式、输出窗所选用的介质材料的介电常数、传输圆波导的半径大小，由式(a)和式(b)求得。

Claims (5)

1.一种新型宽带高平均功率风冷结构输出窗，该输出窗包括：输入波导、窗片模块、输出波导，窗片模块设置于输入波导与输出波导之间，并保持密封连接；输入波导的另一端设置有输入连接法兰，输入连接法兰上设有银铜连接法兰；输出波导的另一端设置有输出连接法兰，输出连接法兰上开设有螺钉孔；所述窗片模块包括：三层窗片、窗片安装环，风管安装环、进风管、排风管；三层窗片间隔设置于窗片安装环内，窗片安装环上开设有与相邻窗片间的空腔连通的进气孔和出气孔；窗片安装环固定于风管安装环内，风管安装环上设置有进风管，该进风管与窗片安装环上的进气孔连通，同时风管安装环上设置有排风管，该排风管与窗片安装环上的出气孔连通。

2.如权利要求1所述的一种新型宽带高平均功率风冷结构输出窗，其特征在于所述窗片安装环与外层的风管安装环之间开设有密闭的环形空腔，通过两片隔板将该空腔分为两个腔体，一个为进气腔另一个为出气腔；窗片安装环上开设有多个连通进气腔与相邻窗片间空腔的进气孔，同时窗片安装环上还开设有多个连通出气腔与相邻窗片间空腔的出气孔；在风管安装环上设置有与进气腔连通的进风管、与出气腔连通的排风管。

3.如权利要求1所述的一种新型宽带高平均功率风冷结构输出窗，其特征在于所述进气孔与出气孔的直径为相邻窗片间距的0.5～0.8倍。

4.如权利要求1所述的一种新型宽带高平均功率风冷结构输出窗，其特征在于所述三层窗片的尺寸相同，各层窗片的厚度

其中：C为真空中的光速，f₀为工作频率范围内的中心频率，ε_r为输出窗片介质的相对介电常数。

5.如权利要求1所述的一种新型宽带高平均功率风冷结构输出窗，其特征在于所述相邻窗片间距的计算公式为：

其中：λ_gmn为圆波导中TE_mn模的波导波长，β_mn为圆波导中TE_mn模的相位常数，u_mn为圆波导中TE_mn模的贝塞尔函数的根，R_w为输入、输出圆波导的半径。