CN105489975A - 一种微波输出窗及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微波输出窗及其制造方法，该微波输出窗包含第一金属膜片和第二金属膜片，以及第一防护环和第二防护环，该微波输出窗使得介质窗片内的微波为行波状态，介质窗片内的场强可显著降低，避免了介质窗片被高频击穿损坏，进而获得较普通盒型窗更高的功率容量；防护环增大了介质窗片与圆波导焊接处的表面积，进一步减小了焊接处的场强，避免了介质窗片被高频击穿损坏；介质窗片厚度小，介质损耗小，降低了介质窗片损耗功率；防护环的存在降低了介质窗片的封接难度，提高了介质窗片与圆波导的焊接可靠性。

Description

一种微波输出窗及其制造方法

技术领域

本发明涉及大功率真空电子器件技术领域，尤其涉及一种微波输出窗及其制造方法。

背景技术

高能加速器、对撞机、自由电子激光器等大型科学实验装置的发展对数十到百兆瓦功率量级的速调管提出了需求。此类速调管的设计、制作与测试具有很高的难度，尤其体现在其输出窗部件上。输出窗在速调管中有两个功能，一是保证速调管与外界的真空隔离，二是把微波能量高效率地传输至外负载。随着微波功率量级的提高，输出窗介质窗片处的场强急剧增大，容易发生高频击穿，使介质窗片损坏。为此，需要发展具有更高功率容量的速调管输出窗。

速调管的微波输出一般采用盒形窗(见文献“大功率速调管输出窗设计的研究”，北京广播学院学报，2004年12月，第11卷，第4期)，其结构如图1所示，其由圆波导13、介质窗片14、矩形输入波导11、矩形输出波导12组成。其介质窗片14的厚度为1/2波导波长，在介质窗片两侧的微波均以行波模式传播，而介质窗片内的微波则为驻波模式。

在高峰值功率速调管中，输出窗的主要失效原因是高频电场击穿造成介质窗片损坏。若要提高输出窗功率容量，主要是降低介质窗片处的电场强度。为此，国外学者曾提出大半径盒形窗、长尺寸盒形窗、波纹介质窗片盒形窗等结构，其思路集中在加大介质窗片表面积以降低电场强度上，这种方式可以在一定程度上提高功率容量，但效果并不显著。同时，输出窗几何尺寸的扩大是有限度的，当介质窗片直径大于波导对角线长度过多时，容易引起非工作模式振荡现象，加大介质窗片损坏的几率。现有技术存在如下技术缺陷：

(1)在普通盒型窗中，介质窗片内的微波场以驻波形式存在，电场强度大，容易引起高频击穿；

(2)介质窗片较厚，容易引起振荡模式，且介质损耗大；

(3)介质窗片与圆波导焊接处未采取保护措施，焊接造成的不均匀性容易引起高频击穿；受以上技术缺陷限制，普通盒型窗功率容量较低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种微波输出窗及其制造方法。

(二)技术方案

本发明提供了一种微波输出窗，该微波输出窗包括矩形输入波导11、矩形输出波导12、圆波导13、第一金属膜片15和第二金属膜片16，其中，第一金属膜片15为矩形环状结构，该矩形环状结构的外周长等于矩形输入波导11矩形截面的内周长，其四边固定于矩形输入波导11的靠近圆波导13的内腔壁；第二金属膜片16为矩形环状结构，该矩形环状结构的外周长等于矩形输入波导12矩形截面的内周长，其四边固定于矩形输入波导12的靠近圆波导13的内腔壁。

优选地，该微波输出窗还包括介质窗片14、第一防护环17和第二防护环18，第一防护环17和第二防护环18为圆环结构，圆环的外直径等于圆波导13内腔的直径，第一防护环17和第二防护环18分别紧贴介质窗片14的两侧并固定于圆波导13的内腔壁。

优选地，第一金属膜片15和第二金属膜片16与介质窗片14阻抗匹配，微波在介质窗片14表面无反射，介质窗片14内的微波呈行波状态。

优选地，第一金属膜片15和第二金属膜片16与介质窗片14表面的距离L满足：

$L={\mathrm{\λ}}_g\[\frac{1}{2}-\frac{1}{4\mathrm{\π}}\arctan (\frac{2}{{\mathrm{\λ}}_g-{\mathrm{\λ}}_g^{\′}}/\sqrt{{\mathrm{\λ}}_g^{\′}{\mathrm{\λ}}_g})\]$

式中λ_g、λ′_g分别为微波在介质窗片14内和介质窗片14外的圆波导13内腔的波导波长。

优选地，介质窗片14厚度为λ′_g/4，λ′_g为微波在介质窗片14外的圆波导13内腔的波导波长。

本发明还提供了一种微波输出窗的制造方法，具体包括：步骤A：将介质窗片14、第一防护环17和第二防护环18固定于圆波导13内腔；在步骤A之前、之后或同时，还包括步骤B：将第一金属膜片15、第二金属膜片16分别固定于矩形输入波导11和矩形输出波导12；步骤C：将矩形输入波导11和矩形输出波导12连接至圆波导13，制成微波输出窗。

优选地，步骤A具体包括：子步骤A1：将第一防护环17放置于圆波导13内腔，四周与圆波导13内腔壁接触，将圆波导13放入高温钎焊炉，将第一防护环17焊接至圆波导13内腔；子步骤A2：将介质窗片14放置于圆波导13内腔并紧贴第一防护环17，四周与圆波导13内腔壁接触，将圆波导13放入高温钎焊炉，将介质窗片14焊接至圆波导13内腔；子步骤A3：将第二防护环18放置于圆波导13内腔并紧贴介质窗片14，四周与圆波导13内腔壁接触，将圆波导13放入高温钎焊炉，将第二防护环18焊接至圆波导13内腔。

优选地，步骤A具体包括：子步骤A1’：将介质窗片14放置于圆波导13内腔，四周与圆波导13内腔壁接触，将圆波导13放入高温钎焊炉，将介质窗片14焊接至圆波导(13)内腔；子步骤A2’：将第一防护环17和第二防护环18放置于圆波导13内腔并紧贴介质窗片14，四周与圆波导13内腔壁接触，将圆波导13放入高温钎焊炉，将第一防护环17和第二防护环18焊接至圆波导13内腔。

优选地，步骤B具体包括：将第一金属膜片15和第二金属膜片16分别放置于矩形输入波导11和矩形输出波导12，四周与矩形输入波导11和矩形输出波导12的内腔壁接触，将矩形输入波导11和矩形输出波导12放入高温钎焊炉，将第一金属膜片15和第二金属膜片16焊接至矩形输入波导11和矩形输出波导12。

优选地，步骤C具体包括：将矩形输入波导11和矩形输出波导12分别放置于圆波导13两端，并放入高温钎焊炉，将矩形输入波导11和矩形输出波导12焊接至圆波导13，制成微波输出窗。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明的微波输出窗及其制造方法具有以下有益效果：

(1)介质窗片内的微波为行波状态，介质窗片内的场强可显著降低，避免了介质窗片被高频击穿损坏，进而获得较普通盒型窗更高的功率容量；

(2)防护环增大了介质窗片与圆波导焊接处的表面积，进一步减小了焊接处的场强，避免了介质窗片被高频击穿损坏；

(3)介质窗片厚度小，介质损耗小，降低了介质窗片损耗功率；

(4)防护环的存在降低了介质窗片的封接难度，提高了介质窗片与圆波导的焊接可靠性。

附图说明

图1为现有技术的微波输出窗的结构图；

图2为本发明实施例的微波输出窗的三维外观图；

图3为本发明实施例的微波输出窗的三维半剖视图；

图4为本发明实施例的微波输出窗的二维剖视图；

图5为本发明实施例的微波输出窗的制造方法流程图。

【符号说明】

11-矩形输入波导；12-矩形输出波导；13-圆波导；14-介质窗片；15-第一金属膜片；16-第二金属膜片；17-第一防护环；18-第二防护环。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

作为大功率微波电子系统的关键部件，微波输出窗将高频功率传送出去的同时，还使器件内部保持良好的气密性。普遍使用的盒型输出窗将一个圆盘介质片密封在截面相同的圆波导中，两端和矩形波导连接。高功率容量的微波输出窗具有重要意义和迫切需求，如何避免介质片被高频电场击穿以提高输出窗的功率容量是一个重要课题，本发明正是提供了一种微波输出窗，可以避免介质片被高频电场击穿，从而提高了输出窗的功率容量。

参照图2、图3和图4，在本发明第一实施例中，提供了一种微波输出窗。该微波输出窗包括矩形输入波导11、矩形输出波导12、圆波导13、介质窗片14、第一金属膜片15、第二金属膜片16、第一防护环17和第二防护环18。其中，

矩形输入波导11、矩形输出波导12为两端开口、截面为矩形的柱形腔体；

圆波导13为圆柱形腔体，其两端面各开有一开口，开口尺寸与矩形输入波导11和矩形输出波导12的矩形截面的尺寸匹配，圆波导13两端面开口对准矩形输入波导11和矩形输出波导12的开口，分别与矩形输入波导11和矩形输出波导12连接；

介质窗片14为具有一定厚度的圆形窗片，其直径等于圆波导13内腔的直径，其四周密闭固定于圆波导13的内腔壁；

第一金属膜片15位于矩形输入波导11的靠近圆波导13的腔体端部，其为矩形环状结构，该矩形环状结构的外周长等于矩形输入波导11矩形截面的内周长，其四边固定于矩形输入波导11的内腔壁；

第二金属膜片16位于矩形输出波导12的靠近圆波导13的腔体端部，其为矩形环状结构，该矩形环状结构的外周长等于矩形输出波导12矩形截面的内周长，其四边固定于矩形输出波导12的内腔壁；

第一防护环17和第二防护环18为圆环结构，圆环的外直径等于圆波导13内腔的直径，其分别紧贴介质窗片14的两侧固定于圆波导13的内腔壁。

本发明的微波输出窗，微波在微波输出窗传输时，圆波导13内的工作模式为TE₁₁模式，矩形输入波导11及输出波导工作模式为TE₁₀模式。

优选地，圆波导13为无氧铜材料，圆波导13内腔的直径为57.8mm，长度为72.85mm。优选地，矩形输入波导11和矩形输出波导12的截面内腔尺寸为标准波导截面尺寸，材料为无氧铜，矩形输入波导11和矩形输出波导12分别高温钎焊至圆波导13两端；更进一步地，矩形输入波导11和矩形输出波导12的截面内腔尺寸为C波段标准波导截面尺寸，22.15mm×44.55mm。

优选地，在本发明的实施例中，为了获得最大带宽，介质窗片14厚度优选λ′_g/4，λ′_g为微波在介质窗片14外的圆波导13内腔中的波导波长，介质窗片14选用陶瓷材料。更进一步地，介质窗片14选用97％氧化铝陶瓷，介质窗片14直径为57.8mm，介质窗片14厚度为3.85mm，介质窗片14四周侧面金属化，例如钼金属镀膜，以便于与圆波导13焊接。介质窗片14与圆波导13经高温钎焊固结，介质窗片14位于第一防护环17和第二防护环18之间、圆波导13的中间位置。

第一金属膜片15和第二金属膜片16与介质窗片14的阻抗良好匹配，起到调谐作用，使微波在介质窗片14表面无反射，从而使得介质窗片14内的微波呈行波状态，相比于现有技术中介质窗片14内的微波呈驻波状态，减小了介质窗片14内的电场强度，并且增大了微波输出窗的带宽，从而避免了在高功率输出状态下介质窗片14被击穿，提高了微波输出窗的输出功率。

优选地，第一金属膜片15和第二金属膜片16的截面为圆形、矩形或其他形状，材料为不锈钢材料，第一金属膜片15和第二金属膜片16分别钎焊于矩形输入波导11和矩形输出波导12内。

优选地，第一金属膜片15和第二金属膜片16与介质窗片14表面距离L满足：

$L={\mathrm{\λ}}_g\[\frac{1}{2}-\frac{1}{4\mathrm{\π}}\arctan (\frac{2}{{\mathrm{\λ}}_g-{\mathrm{\λ}}_g^{\′}}/\sqrt{{\mathrm{\λ}}_g^{\′}{\mathrm{\λ}}_g})\]$

式中λ_g、λ′_g分别为微波在介质窗片14内和介质窗片14外的圆波导13内腔的波导波长。第一金属膜片15和第二金属膜片16的截面尺寸通过CST电磁软件进行参数扫描优化计算，当介质窗片14无反射时对应的截面尺寸即为所需的截面尺寸，从而确定第一金属膜片15和第二金属膜片16的尺寸。

第一防护环17和第二防护环18增大了介质窗片14与圆波导13内腔接触处的表面积，相当于增大了介质窗片14四周边缘处的面积，从而增大了介质窗片14的表面积，进一步减小了介质窗片14处的电场强度，并且，相对于简单地加大介质窗片14直径来增大介质窗片14表面积的做法，本发明采用的第一防护环17和第二防护环18无需增大介质窗片14直径，可以在不改变微波输出窗几何尺寸的情况下，增大介质窗片14表面积，从而避免了介质窗片14直径大于矩形波导对角线长度过多时引起的非工作模式振荡现象，减小了介质窗片14损坏的概率。

并且，第一防护环17和第二防护环18的存在为介质窗片14与圆波导13内腔接触处提供了保护，降低了介质窗片14的封接难度，提高了介质窗片14与圆波导13的焊接可靠性，避免了由于封装和焊接不均匀引起的强电场畸变，出现轴向强电场而造成微波输出窗的击穿。

优选地，第一防护环17和第二防护环18的截面为圆形、矩形或其他形状，其尺寸通过CST电磁软件计算确定，通过计算第一防护环17和第二防护环18表面的电场强度，达到所需的安全值所对应的尺寸即为第一防护环17和第二防护环18的尺寸；其材料为无氧铜，与圆波导13钎焊在一起；更进一步地，第一防护环17和第二防护环18的截面为半径3mm的圆形。

需要说明的是，本实施例的微波输出窗不必同时包括金属膜片和防护环，其可以不包括第一金属膜片15和第二金属膜片16，从而构成本发明的另一实施例的微波输出窗，也可以不包括第一防护环17和第二防护环18，从而构成本发明的又一实施例的微波输出窗。

参照图5，本发明的第二实施例提出了一种第一实施例的微波输出窗的制造方法，具体包括：

步骤A：将介质窗片14、第一防护环17和第二防护环18固定于圆波导13内腔。

步骤A具体包括：

子步骤A1：将第一防护环17放置于圆波导13内腔，四周与圆波导13内腔壁接触，将圆波导13放入高温钎焊炉，将第一防护环17焊接至圆波导13内腔。

子步骤A2：将介质窗片14放置于圆波导13内腔并紧贴第一防护环17，四周与圆波导13内腔壁接触，将圆波导13放入高温钎焊炉，将介质窗片14焊接至圆波导13内腔。

子步骤A3：将第二防护环18放置于圆波导13内腔并紧贴介质窗片14，四周与圆波导13内腔壁接触，将圆波导13放入高温钎焊炉，将第二防护环18焊接至圆波导13内腔。

除了上述方法之外，还可以采用其他的方法来完成步骤A，例如步骤A还可以按照以下子步骤执行：

子步骤A1’：将介质窗片14放置于圆波导13内腔，四周与圆波导13内腔壁接触，将圆波导13放入高温钎焊炉，将介质窗片14焊接至圆波导13内腔。

子步骤A2’：将第一防护环17和第二防护环18放置于圆波导13内腔并紧贴介质窗片14，四周与圆波导13内腔壁接触，将圆波导13放入高温钎焊炉，将第一防护环17和第二防护环18焊接至圆波导13内腔。

在步骤A之前、之后或同时，还包括步骤B(图5仅示出了步骤B在步骤A之后的情形)，

步骤B：将第一金属膜片15、第二金属膜片16分别固定于矩形输入波导11和矩形输出波导12。

步骤B具体包括：将第一金属膜片15和第二金属膜片16分别放置于矩形输入波导11和矩形输出波导12，四周与矩形输入波导11和矩形输出波导12的内腔壁接触，将矩形输入波导11和矩形输出波导12放入高温钎焊炉，将第一金属膜片15和第二金属膜片16焊接至矩形输入波导11和矩形输出波导12。

步骤C：将矩形输入波导11和矩形输出波导12连接至圆波导13，制成微波输出窗。

步骤C具体包括：将矩形输入波导11和矩形输出波导12分别放置于圆波导13两端，并放入高温钎焊炉，将矩形输入波导11和矩形输出波导12焊接至圆波导13，制成微波输出窗。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明的微波输出窗及其制造方法有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)介质窗片选用其他常用陶瓷材料；

(2)调整各零件尺寸，构成用于非C波段的微波输出窗；

(3)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；

(4)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

综上所述，本发明提供一种微波输出窗及其制造方法，介质窗片的场强可显著降低，进而获得更高的功率容量；介质窗片厚度小，介质损耗小；防护环的存在降低了介质窗片的封接难度，提高了介质窗片与圆波导的焊接可靠性；由于上述优点，该微波输出窗功率容量较普通盒型窗高。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微波输出窗，其特征在于，该微波输出窗包括矩形输入波导(11)、矩形输出波导(12)、圆波导(13)、第一金属膜片(15)和第二金属膜片(16)，其中，

第一金属膜片(15)为矩形环状结构，该矩形环状结构的外周长等于矩形输入波导(11)矩形截面的内周长，其四边固定于矩形输入波导(11)的靠近圆波导(13)的内腔壁；

第二金属膜片(16)为矩形环状结构，该矩形环状结构的外周长等于矩形输入波导(12)矩形截面的内周长，其四边固定于矩形输入波导(12)的靠近圆波导(13)的内腔壁。

2.如权利要求1所述的微波输出窗，其特征在于，该微波输出窗还包括介质窗片(14)、第一防护环(17)和第二防护环(18)，第一防护环(17)和第二防护环(18)为圆环结构，圆环的外直径等于圆波导(13)内腔的直径，第一防护环(17)和第二防护环(18)分别紧贴介质窗片(14)的两侧并固定于圆波导(13)的内腔壁。

3.如权利要求2所述的微波输出窗，其特征在于，第一金属膜片(15)和第二金属膜片(16)与介质窗片(14)阻抗匹配，微波在介质窗片(14)表面无反射，介质窗片(14)内的微波呈行波状态。

4.如权利要求2所述的微波输出窗，其特征在于，第一金属膜片(15)和第二金属膜片(16)与介质窗片(14)表面的距离L满足：

$L={\mathrm{\λ}}_g[\frac{1}{2}-\frac{1}{4\mathrm{\π}}\arctan (\frac{2}{{\mathrm{\λ}}_g-{\mathrm{\λ}}_g^{\′}}/\sqrt{{\mathrm{\λ}}_g^{\′}{\mathrm{\λ}}_g})]$

式中λ_g、λ′_g分别为微波在介质窗片(14)内和介质窗片(14)外的圆波导(13)内腔的波导波长。

5.如权利要求2所述的微波输出窗，其特征在于，介质窗片(14)厚度为λ′_g/4，λ′_g为微波在介质窗片(14)外的圆波导(13)内腔的波导波长。

6.一种如权利要求1-5中任一项所述的微波输出窗的制造方法，具体包括：

步骤A：将介质窗片(14)、第一防护环(17)和第二防护环(18)固定于圆波导(13)内腔；

在步骤A之前、之后或同时，还包括步骤B：将第一金属膜片(15)、第二金属膜片(16)分别固定于矩形输入波导(11)和矩形输出波导(12)；

步骤C：将矩形输入波导(11)和矩形输出波导(12)连接至圆波导(13)，制成微波输出窗。

7.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，步骤A具体包括：

子步骤A1：将第一防护环(17)放置于圆波导(13)内腔，四周与圆波导(13)内腔壁接触，将圆波导(13)放入高温钎焊炉，将第一防护环(17)焊接至圆波导(13)内腔；

子步骤A2：将介质窗片(14)放置于圆波导(13)内腔并紧贴第一防护环(17)，四周与圆波导(13)内腔壁接触，将圆波导(13)放入高温钎焊炉，将介质窗片(14)焊接至圆波导(13)内腔；

子步骤A3：将第二防护环(18)放置于圆波导(13)内腔并紧贴介质窗片(14)，四周与圆波导(13)内腔壁接触，将圆波导(13)放入高温钎焊炉，将第二防护环(18)焊接至圆波导(13)内腔。

8.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，步骤A具体包括：

子步骤A1’：将介质窗片(14)放置于圆波导(13)内腔，四周与圆波导(13)内腔壁接触，将圆波导(13)放入高温钎焊炉，将介质窗片(14)焊接至圆波导(13)内腔；

子步骤A2’：将第一防护环(17)和第二防护环(18)放置于圆波导(13)内腔并紧贴介质窗片(14)，四周与圆波导(13)内腔壁接触，将圆波导(13)放入高温钎焊炉，将第一防护环(17)和第二防护环(18)焊接至圆波导(13)内腔。

9.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，步骤B具体包括：将第一金属膜片(15)和第二金属膜片(16)分别放置于矩形输入波导(11)和矩形输出波导(12)，四周与矩形输入波导(11)和矩形输出波导(12)的内腔壁接触，将矩形输入波导(11)和矩形输出波导(12)放入高温钎焊炉，将第一金属膜片(15)和第二金属膜片(16)焊接至矩形输入波导(11)和矩形输出波导(12)。

10.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，步骤C具体包括：将矩形输入波导(11)和矩形输出波导(12)分别放置于圆波导(13)两端，并放入高温钎焊炉，将矩形输入波导(11)和矩形输出波导(12)焊接至圆波导(13)，制成微波输出窗。