CN105742140A - 一种降低介质材料等效介电常数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微波、毫米波真空电子器件领域，涉及电磁波传输领域中的多层介质匹配结构，具体为一种降低介质材料等效介电常数的方法，用以解决现有的具有优良性能的介电材料在实际应用中，其介电常数与要求不匹配的问题。该方法基于指定的多层介质匹配结构中的基准介质层，设置与基准介质层的介电常数相匹配的匹配介质层时，对匹配介质层沿电场分布开孔，得到包括多个通孔的匹配介质层；或者将所述匹配介质层的通孔位置用介质柱替换，介质柱材料与匹配介质层的材料相同，同时将匹配介质层的非通孔位置的介质材料替换为空气。本发明能够对介质材料等效介电常数做到精确调整，实现多层介质匹配结构的介电常数完美匹配；大大提高器件性能。

Description

一种降低介质材料等效介电常数的方法

技术领域

本发明属于微波、毫米波真空电子器件领域，涉及电磁波传输领域中的多层介质匹配结构，具体为一种采用在介质材料上开孔或生长晶格阵列的方式来降低介质材料等效介电常数的方法。

背景技术

在毫米波大功率源以及传输链路中，如法拉第旋转器、回旋行波管输出窗等器件结构中都会使用到多层介质匹配结构。如回旋行波管作为一种重要的微波、毫米波高功率放大器，以其宽频带和高平均或脉冲功率的优点在新一代毫米波雷达、电子对抗、远距离通讯以及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断深入，对回旋行波管的各种性能指标的提升要求也在不断增加，主要体现为对工作带宽的展宽和对输出功率的提高。回旋行波管频带展宽的一个关键部件就是对输出窗工作带宽的提升，较为常见的方案就是采用双窗片或三窗片的结构，如文献“Ku波段TE₁₁模回旋行波管宽带输出窗设计”(《真空科学与技术学报》，2014年2月，作者：李生辉、徐勇、罗勇)中提出了具有真空间隙的双层介质窗，窗片材料采用蓝宝石，该结构在Ku波段相对带宽达12％；又如文献“Developmentofawide-bandHE₁₁modewindowforaW-bandgyro-TWA”(《第16届国际真空电子学会议》，2015年4月27-29日，作者：CraigR.Donaldson,PaulMcElhinney,LiangZhangandWenlongHe)中提出的具有真空间隙的三层介质窗，中间窗片采用氧化铝陶瓷(相对介电常数9.75)，两侧的匹配窗片采用石英晶体(相对介电常数为3.1)，该结构在W波段获得了10％的相对带宽。

在多层窗片(三明治结构)的设计过程中，通常可将两侧的空气和中间的多层介质的介电常数进行调节以满足一定的关系从而提高入射波的透过率并降低其反射系数。以三层介质窗为例，两侧介质外侧与空气或真空相连接，假设中间介质的介电常数为ε_A,两侧的匹配介质层相对介电常数为ε_B，真空或空气的相对介电常数为1，则要保证入射波的透射率和反射率均达到最佳，就要求介质匹配层的相对介电常数对于回旋行波管中的常用材料，常见中间介质采用蓝宝石，此时根据上述公式计算可知具有该最佳匹配介电常数的材料为石英晶体或陶瓷，但是在高功率微波或毫米波的应用中，石英晶体的损耗较大，同时导热性能较差；常用陶瓷材料可采用氧化铍(BeO)、氮化硼(BN)陶瓷等，但其介电常数又不能做到完美的匹配；因此，本发明提供一种降低介质材料等效介电常数的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种降低介质材料等效介电常数的方法，用以解决现有的具有优良性能的介电材料(如氧化铍(BeO)或氮化硼(BN)陶瓷材料)在实际应用中，其介电常数与要求不匹配的问题。为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种降低介质材料等效介电常数的方法，其特征在于，基于指定的多层介质匹配结构中的基准介质层，设置与基准介质层的介电常数相匹配的匹配介质层时，对匹配介质层沿电场分布开孔，得到包括多个通孔的匹配介质层。

其中，通孔的数量及大小由以下公式确定：

$\mathrm{\ϵ}=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_i^2\·g+{\mathrm{\ϵ}}_a^2\·f},f=1-g;$

ε表示等效介电常数，ε_i表示原介质材料介电常数，ε_a表示空气介电常数；g为填充比，f为空隙率。

进一步的，将所述匹配介质层的通孔位置用介质柱替换，介质柱材料与匹配介质层的材料相同，同时将匹配介质层的非通孔位置的介质材料替换为空气。

其中，介质柱的数量及大小由以下公式确定：

$\mathrm{\ϵ}=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_i^2\·g+{\mathrm{\ϵ}}_a^2\·f},f=1-g;$

ε表示等效介电常数，ε_i表示原介质材料介电常数，ε_a表示空气介电常数；g为填充比，f为空隙率。

需要说明的是本发明中，将通孔位置用介质柱替换且同时将匹配介质层的非通孔位置的介质材料替换为空气可采用生长晶格阵列工艺实现；开孔或者生长晶格阵列之后的介质材料等效于空气与原介质材料的混合的等效介质，则所述的填充比g，表示开孔或者生长出晶格之后介质材料面积占等效介质总面积的比值；空隙率f，表示开孔或者生长出晶格之后空气面积占等效介质总面积的比值。

本发明提供一种降低介质材料等效介电常数的方法，通过打孔或生长晶格阵列的方法有效降低介质材料的等效介电常数，用于实现多层介质匹配结构中多层介质层之间的介电常数匹配。本发明能够对介质材料等效介电常数做到精确调整，实现多层介质匹配结构的介电常数完美匹配；大大提高器件性能。

附图说明

图1为实施例中降低介质材料等效介电常数的多孔结构示意图。

图2为实施例中相邻层任意三个相邻小孔间尺寸及位置关系示意图。

图3为实施例中计算的等效介电常数与模拟仿真的等效介电常数对比曲线。

图4为实施例中传输TE₀₁模时，降低介质材料等效介电常数多孔结构在Q波段的反射系数S₁₁理论结果图。

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详细说明。

本实施例中以工作在Q波段，工作模式为TE₀₁模的回旋行波管宽频带输出窗片为例，该输出窗片为多层窗片(三明治结构)，中间介质层一般采用蓝宝石(相对介电常数为9.4)，指定中间介质层为基准介质层，根据上述公式：基准介质层的介电常数为ε_A,两侧的匹配介质层相对介电常数为ε_B；两侧介质材料可采用相对介电常数比3.1略高，且具有低损特性和高导热系数的氧化铍(BeO)(相对介电常数为6.5)或氮化硼(BN)陶瓷(相对介电常数为4)，通过降低两侧介质材料的相对介电常数至3.1来保证窗片的传输性能达到最佳；本实施例中采用BeO陶瓷，采用BeO陶瓷层打孔降低其等效介电常数。

如图1所示为本实施例BeO陶瓷层打孔后呈现的多孔结构；其中，2为BeO陶瓷层、1为通孔；该输出窗片工作模式为TE₀₁模，电场的分布呈角向均匀对称分布；窗片的半径为R，开孔后最外层通孔外围构成的圆的半径为R′，R′满足关系式(1)，通孔的半径为r，相邻层的相邻通孔间的距离为d(如图2所示)，开孔层数为M，各层开孔的个数满足光子晶体结构分布规律(满足角向对称的分布规律)，通孔的总个数为N，填充比g的计算公式如式(2)，空隙率f的计算公式如式(3)，

R′＝(M-1)d(1)

g＝(Nπr²)/(πR^′2)(2)

f＝1-g(3)

如图3所示为计算的等效介电常数与模拟仿真的等效介电常数对比图；由图3可知，等效介电常数的计算结果与模拟仿真的结果基本一致。

如图4所示为传输TE₀₁模时，降低介质材料等效介电常数多孔结构在Q波段的反射系数S₁₁理论结果；由图4可知，反射系数S₁₁小于-18dB的频段为33.5GHz到48GHz，达到14.5GHz带宽，相对带宽达36％，而传统三层窗片输出窗在Q波段的相对带宽仅达14％。

同理，本实施例同样可以采用生长晶格阵列实现，在中间介质层(蓝宝石)上通孔对应位置生长晶格阵列，生长晶格阵列后保证其填充率和孔隙率不变。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (4)

1.一种降低介质材料等效介电常数的方法，其特征在于，基于指定的多层介质匹配结构中的基准介质层，设置与基准介质层的介电常数相匹配的匹配介质层时，对匹配介质层沿电场分布开孔，得到包括多个通孔的匹配介质层。

2.按权利要求1所述降低介质材料等效介电常数的方法，其特征在于，所述等效介电常数由以下公式确定：

$\mathrm{\ϵ}=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_i^2\·g+{\mathrm{\ϵ}}_a^2\·f},f=1-g;$

ε表示等效介电常数，ε_i表示原介质材料介电常数，ε_a表示空气介电常数；g为填充比，f为空隙率。

3.按权利要求1所述降低介质材料等效介电常数的方法，其特征在于，将所述匹配介质层的通孔位置用介质柱替换，介质柱材料与匹配介质层的材料相同，同时将匹配介质层的非通孔位置的介质材料替换为空气。

4.按权利要求3所述降低介质材料等效介电常数的方法，其特征在于，等效介电常数由以下公式确定：

$\mathrm{\ϵ}=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_i^2\·g+{\mathrm{\ϵ}}_a^2\·f},f=1-g;$

ε表示等效介电常数，ε_i表示原介质材料介电常数，ε_a表示空气介电常数；g为填充比，f为空隙率。