CN107230815A - 一种带冷却层的宽带高平均功率介质微波窗的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种带冷却层的宽带高平均功率介质微波窗的设计方法；属于微波真空电子器件CAD仿真设计领域；包括：首先利用中心频率电磁波垂直入射到传统三层介质窗的无反射传输条件，得到传统三层介质窗的初始设计参数；然后通过一定的方式映射得到带内部冷却层的宽带高平均功率介质微波窗的结构参数；最后通过电磁仿真软件对所得到的初始设计参数在初始值附近进行小范围内的优化设计，可快速得到兼具带宽和散热，满足性能要求的宽带高平均功率微波窗；本申请的方法是一种快速高效、便于操作的实用设计方法；为高功率宽频带的矩形窗、圆波导窗等应用提供了设计方案。

Description

一种带冷却层的宽带高平均功率介质微波窗的设计方法

技术领域

本发明属于微波真空电子器件CAD仿真设计领域，特别涉及一种多层窗片微波窗的设计方法。

背景技术

微波窗是微波真空电子器件的关键部件之一，其主要作用是将管内真空与外界大气环境相隔离，同时将管外信号尽可能低损耗地耦合进入微波管，或者将管内信号尽可能无损地耦合出去。微波窗性能的优劣将对整管的增益、带宽、电子注与电磁波互作用的效率、功率容量等方面有着直接的影响，与系统的可靠性和寿命也同样密切相关。尤其在高功率微波真空电子器件中，微波窗的损坏已成为限制微波管功率进一步提升的瓶颈。

在高功率微波管中，通常采用单层窗片微波窗，通过直接在波导中插入一定厚度的介质窗片构成。窗片形式包括矩形和圆形等。常见的矩形波导单层窗片微波窗如图1所示，其中1为介质窗片。这种单层窗片微波窗带宽较窄，散热效果较差，功率容量较低，大大限制了微波管的性能。为了改善微波窗的性能，可以采用双层窗片或多层窗片微波窗。传统的三层窗片微波窗如图2所示，其中1为中间窗片，2为左侧窗片，3为右侧窗片。三个介质窗片紧密焊接在一起。通常左侧窗片2与右侧窗片3具有相同的介电常数，中间窗片1的介电常数不同于两侧窗片。通过合理选择窗片材料和窗片厚度，可以大大提升三层窗片微波窗的工作带宽。但是，这种三层窗片微波窗在窗片封接处容易损坏，且散热效果不佳，导致功率容量变小。为了在保证工作带宽的基础上，改善三层窗片微波窗的散热效果，可以将三层窗片间隔分布，中间通冷却气体(空气或碳氟化合物FC-75等)或液体，进一步提高微波窗的功率容量。这种带冷却层的介质微波窗见图3，其中1为中间窗片，2和2′为冷却气体或者液体，3和3′为两侧窗片。

这种带冷却层的介质微波窗能够兼具带宽和散热，满足宽带高功率微波窗的性能要求。以矩形波导窗为例，其结构参数见图4，其中a，b分别为矩形波导的宽边和窄边，ε₀为真空区域的介电常数；ε_r1,ε_rb,ε_ra分别为中间窗片1、冷却液2(2′)和外侧窗片3(3′)的相对介电常数。这种带内部冷却层的介质微波窗的设计主要是根据中心频率f₀，选择合适的矩形波导(包括宽边a和窄边b)以及陶瓷窗片，设计各陶瓷窗片的厚度与冷却层的厚度，使得微波窗在工作频率范围内满足所要求的传输性能。通常采用对称的结构设计，即两侧窗片和冷却层对称分布在中心窗片的两侧，具有相同的结构尺寸和相同的材料属性。

设计多层窗片微波窗主要有两种方法：一种是在所求工作频带内利用仿真软件进行全参数扫描优化，另一种是利用中心频率电磁波无反射传输条件进行理论分析来确定各个结构参数。利用电磁仿真软件在工作频带内对各个参数扫描优化的方法，在介质窗的层数比较多，尤其是大于三时，由于设计参数较多，参数范围取值较大，需要耗费巨大的机时和存储空间。在某些情况下，还无法搜索到最优的参数组合使之满足微波窗的带宽和驻波比等性能要求。对于第二种方法，在介质窗的层数比较多，尤其是大于三时，推导过程非常复杂，设计效率低。

对于带冷却层的宽带高平均功率介质微波窗，其实质是五层介质。即使采用对称结构，也有三个结构参数需要确定。采用如上两种方法的效率都非常低。

发明内容

本发明为解决多层介质窗片微波窗设计难度大、效率低、计算机资源消耗大、耗时等问题，本申请提出了一种带冷却层的宽带高平均功率介质微波窗的设计方法；首先利用中心频率电磁波垂直入射到传统三层介质窗的无反射传输条件，得到传统三层介质窗的初始设计参数；然后通过一定的方式映射得到带内部冷却层的宽带高平均功率介质微波窗的结构参数；最后通过电磁仿真软件对所得到的初始设计参数在初始值附近进行小范围内的优化设计，就可快速得到兼具带宽和散热，满足性能要求的宽带高平均功率微波窗。该方法是一种快速高效、便于操作的实用设计方法。

本发明采用的技术方案是：一种带冷却层的宽带高平均功率介质微波窗的设计方法，包括：

S1、根据工作频段选取相应波导尺寸；

S2、设计传统三层介质窗，选择中间窗片介质材料，确定中间窗片相对介电常数ε_r1，求得中间窗片厚度d₁、侧窗相对介电常数ε_r2和侧窗厚度d₂；

S3、将步骤S2中确定的中间窗片，作为带冷却层的宽带高平均功率介质微波窗的中间窗片；

S4、选择冷却层材料，然后确定冷却层的介电常数；

S5、选择外层窗片的材料，确定外层窗片的介电常数；

S6、根据步骤S2得到的传统三层介质微波窗，获得带冷却层的宽带高平均功率介质微波窗的侧窗厚度d_a和冷却层厚度d_b之和L的初始值，以及冷却层厚度比例系数k的初始值；

S7、对步骤S6确定的L、k的初始值进行小范围内的扫描以及优化，选取最优电压驻波比对应的L和k，从而确定带冷却层的宽带高平均功率介质微波窗侧窗厚度d_a和冷却层厚度d_b；

S8、对中间窗片厚度d₁进行初始值附近微小范围扫描，根据最优电压驻波比确定最优中间窗片厚度d₁，完成带冷却层的宽带高平均功率介质微波窗中间窗的设计。

进一步地，步骤S6具体为：

首先，让带冷却层的宽带高平均功率介质微波窗的侧窗厚度d_a与冷却层厚度d_b之和等于传统三层介质微波窗侧窗的厚度d₂，同时满足：

ε_rad_a+ε_rbd_b＝ε_r2d₂

其中，ε_ra，ε_rb分别为带冷却层的宽带高平均功率介质微波窗的侧窗和冷却层的相对介电常数，ε_r2为传统三层介质微波窗侧窗的相对介电常数；

然后，通过求解得到侧窗厚度d_a的初始值与冷却层厚度d_b的初始值

最后，引入冷却层厚度比例系数k，满足冷却层厚度d_b为kL，侧窗厚度d_a为(1-k)·L，从而计算得到冷却层厚度比例系数k的初始值；

进一步地，步骤S7所述选取最优电压驻波比对应的L具体为：

根据步骤S6中确定的L的初始值，先通过仿真对参数L在初始值附近进行小范围扫描，得到第一若干扫描曲线；

设定参考中心频率，并选取第一若干扫描曲线中中心频率最靠近参考中心频率的左右两组扫描曲线所对应的L值作为参数L的上下界。

更进一步地，步骤S7所述选取最优电压驻波比对应的k具体为：

首先，选取L上下界对应的两条扫描曲线中与参考中心频率更靠近的扫描曲线所对应的L值，对参数k在初始值附近进行小范围扫描，得到第二若干扫描曲线；

设定参考电压驻波比，选取第二扫描曲线中中心频率处的电压驻波比值最靠近参考电压驻波比的上下两组扫描曲线对应的k作为参数k的上下界；

最后对参数L、k在各自的上下界范围内进行优化，得到最优电压驻波比对应的一组L和k。

进一步地，步骤S4所述冷却层材料为液体材料或者气体材料。

进一步地，步骤S7中所述小范围为L、k的初始值的85％～115％的范围。

进一步地，步骤S8中所述微小范围为d₁初始值的95％～105％的范围。

本发明的有益效果：本发明的方法，将冷却液层与外侧窗视为整体，等效为传统三层介质窗中的外层介质，从而确定该液体层与外侧窗的厚度比例，保证了其等效介电常数与传统三层介质窗中外层窗介质的介电常数相等；再通过仿真软件对其长度之和和比例系数进行初始值附近的扫描，进行调谐，从而得到外层窗和液体层的厚度；最后对中间窗片的厚度进行计算值附近的微小范围内的优化设计，确定其厚度；可快速得到兼具带宽和散热，满足性能要求的宽带高平均功率微波窗；本申请的方法是一种快速高效、便于操作的实用设计方法；为高功率宽频带的矩形窗、圆波导窗等应用提供了设计方案。

附图说明

图1传统单层介质窗模型图。

图2传统三层介质窗模型图。

图3带内部风冷或液冷的三层介质窗模型图。

图4带冷却层的三层介质窗设计实例中的矩形窗模型图。

图5带冷却层的宽带高平均功率介质微波窗的仿真设计流程。

图6对长度L进行扫描的电压驻波比曲线。

图7对比例系数k进行扫描的电压驻波比曲线。

图8对中间窗片厚度d₁进行扫描的电压驻波比曲线。

图9矩形窗设计实例中的反射参数S₁₁。

图10矩形窗设计实例中的电压驻波比曲线。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

下面结合附图与实例，以中心频率为32GHz，工作模式为TE₁₀模的带冷却层的宽带高平均功率介质矩形微波窗的设计过程为例，对本发明的内容做进一步的详细举例说明。

如图5所示为本申请的方案流程图，本申请的技术方案为：一种带冷却层的宽带高平均功率介质微波窗的设计方法，包括以下步骤：

S1、根据工作频段选取相应波导尺寸。

一般情况下，可以根据中心频率与工作频率范围选择标准的传输波导。对本实例要求的中心频率为32GHz的Ka波段矩形波导，查看标准矩形波导数据手册，可以选择矩形波导BJ320，其宽边尺寸a＝7.112mm，窄边尺寸b＝3.556mm。

当然，也可以根据工作频率范围，以及矩形波导主模TE₁₀模的单模传输条件等设计矩形波导。圆波导的选取和矩形波导类似，这个过程为本领域熟知的过程，这里不再赘述。

S2、设计传统三层介质窗，选择中间窗片介质材料，确定中间窗片相对介电常数ε_r1，求得中间窗片厚度d₁、侧窗相对介电常数ε_r2和侧窗厚度d₂。

在设计传统三层介质窗时，通常采用对称性设计，即两侧窗片对称分布在中间窗片两侧，具有相同的厚度和介电常数，并且满足中间窗的相对介电常数ε_r1等于两侧窗相对介电常数的乘积。即有：

利用中心频率电磁波垂直入射到传统三层介质窗的无反射传输条件，各层窗片的厚度d取各层窗片内中心频率电磁波对应波导波长的1/4，即：

以矩形波导为例，有

其中，f₀为中心频率，c为真空中光速，ε_r为对应各层介质窗的相对介电常数，比如需要计算中间窗厚度d₁时，则ε_r赋值为ε_r1；同理计算侧窗厚度d₂时，ε_r赋值为ε_r2；m、n为波导模式的特征值。

对矩形波导主模TE₁₀模，有

设计传统三层介质窗时，首先选取中间窗片1的材料，确定ε_r1，根据公式(1)求得传统三层介质窗中两侧窗片2的相对介电常数ε_r2，再根据公式(2)～(4)求得中间窗片的厚度d₁以及侧窗的厚度d₂，得到传统三层介质窗的设计方案。

本实施例中，电磁波中心频率为32GHz，选取中间窗片1的材料为氧化铍陶瓷，其相对介电常数ε_r1为6.76，微波窗的工作模式为主模TE₁₀，根据公式(4)可求得d₁＝0.93mm。由公式(1)可得侧窗的相对介电常数ε_r2＝2.6。由公式(4)可得d₂＝1.59mm。

根据上述确定的中间窗片和侧窗的介电常数，以及中间窗片厚度d₁，侧窗厚度d₂，即可确定传统的三层介质微波窗。

S3、根据步骤S2确定的传统三层介质微波窗，确定带冷却层的宽带高平均功率介质微波窗中间窗片的材料与厚度。

通常，带冷却层的宽带高平均功率介质微波窗的中间窗片和传统三层窗的中间窗片相同，具有相同的相对介电常数ε_r1和厚度d₁。

S4、选择冷却层的气体或者液体材料，确定冷却层的介电常数。

对于带冷却层的宽带高平均功率介质微波窗，合适的冷却气体或者液体的选择非常重要。为了减少微波损耗，冷却气体一般可选择空气或碳氟化合物FC-75等，冷却液一般可选戊烷、石油醚、汽油、己烷、四氯化碳、甲苯、苯等非极性液体。冷却气体或液体的介电常数也需要合理考虑。

本实施例中，选取冷却层为液态的戊烷，其相对介电常数ε_rb＝1.8。

S5、选择外侧窗片的材料，确定外侧窗片的介电常数。

外层窗片的材料，一般要求有较小的介质损耗角、较高的热导率、以及较小的介电常数等。

本实施例中，选取外层窗片材料为化学气相淀积氮化硼陶瓷，即BN-CVD，其相对介电常数ε_ra＝3.4。

S6、根据步骤S2得到的传统三层介质微波窗，获得带冷却层的宽带高平均功率介质微波窗侧窗厚度d_a和冷却层厚度d_b之和L以及冷却层厚度比例系数k的初始值。

根据步骤S2得到的传统三层介质微波窗，可按下面的方式初步确定带冷却层的宽带高平均功率介质微波窗的尺寸d_a和d_b。

首先，让带冷却层的宽带高平均功率介质微波窗的侧窗厚度d_a与冷却层厚度d_b之和等于传统三层介质微波窗侧窗的厚度d₂，即

d_a+d_b＝d₂ (5)

同时满足：

ε_rad_a+ε_rbd_b＝ε_r2d₂ (6)

其中，ε_ra，ε_rb分别为带冷却层的宽带高平均功率介质微波窗的侧窗和冷却层的相对介电常数，ε_r2为传统三层介质微波窗侧窗的相对介电常数。

由方程(5)和方程(6)联立求解，可得

记带冷却层的宽带高平均功率介质微波窗的冷却层厚度与侧窗厚度之和为L，并引入冷却层厚度比例系数k，满足冷却层厚度d_b为kL，侧窗厚度d_a为(1-k)·L，则有：

L＝d_a+d_b＝d₂ (9)

d_b＝kL (11)

d_a＝(1-k)L (12)

在本实施例中，L＝1.59mm，k＝0.5。

S7、利用三维电磁仿真软件在步骤S6确定的L、k的初始值附近进行小范围的扫描、优化，选取最优电压驻波比对应的L和k，以此确定带冷却层的宽带高平均功率介质微波窗侧窗厚度d_a和冷却层厚度d_b。一般选择在L、k的初始值±15％的范围内进行扫描、优化；即L、k的初始值的85％～115％的范围内进行扫描、优化。扫描一般取3～7个之间，本申请取扫描个数为5个。

选取最优电压驻波比对应的L的过程为：

首先，根据步骤S6中确定的L，k的初始值，先通过三维电磁仿真软件对参数L在初始值附近(±15％，即L的初始值的85％～115％的范围内)进行小范围扫描，考察其电压驻波比特性，如图6所示。

然后，以中心频率32GHz为参考，选取扫描曲线中中心频率最靠近32GHz的左右两组L。如图6所示，分别是L＝1.350mm和L＝1.4675mm，可以看出L＝1.350mm对应的曲线的中心频率更靠近32GHz。电压驻波比，也表示为VSWR，以下采用VSWR进行阐述。

选取最优电压驻波比对应的k的过程为：

首先，令L取值为其扫描曲线中中心频率与32GHz更靠近的曲线所对应的值，即L＝1.350mm，对参数k在初始值附近(±15％，即k的初始值的85％～115％的范围内)进行小范围扫描，考察其电压驻波比特性，如图7所示。

然后，以VSWR为1.2为参考，选取扫描曲线中中心频率处的VSWR值分别最靠近1.2的上下两组k，可见分别是k＝0.5375和k＝0.575。

最后同时对参数L、k在分别得到的两组取值范围内进行目标值S₁₁在25％的相对带宽内小于-20dB的优化。

即对1.350＜L＜1.4675，0.5375＜k＜0.575范围内进行优化，优化得到的一组L和k的取值为：L＝1.37mm，k＝0.562。对确定的L、k按照公式(11)(12)得到带冷却层的宽带高平均功率介质微波窗侧窗厚度d_a＝0.60mm、冷却层厚度d_b＝0.77mm。

S8、利用三维电磁仿真软件对中间窗片厚度d₁进行初始值附近(±5％，即d₁初始值的85％～115％的范围内)的扫描，根据最优电压驻波比确定最优中间窗片厚度d₁，完成带冷却层的宽带高平均功率介质微波窗侧窗的设计。

确定L和k的值后，对d₁进行计算值附近(±5％)的微小范围扫描，选取扫描曲线中中心频率在32GHz的曲线所对应的d₁值。

本实施例中，对d₁进行扫描，如图8所示，最终选取d₁＝0.95mm，实现中心频率位于32GHz目标。

一般来说，经过上述的设计步骤，即得到该带冷却层的宽带高平均功率介质微波窗全部参数的设计。如图9所示(图中Frequency表示频率)给出了本实施例的输入反射参数S₁₁曲线，如图10所示给出了本实施例的VSWR曲线，对本实施例的输入反射参数S₁₁，如图9所示，在27.8－36.7GHz范围内，S₁₁小于-20dB。对应本实施例中设定的中心频率32GHz，S₁₁小于-20dB的相对带宽为27.8％。通过软件仿真发现，此带冷却层的宽带高平均功率微波窗在窗框施以水冷的散热条件下，可传输70kW的高平均功率，从而验证了本申请方法设计的微波窗，其电参数曲线良好，同时可传输较高的平均功率。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种带冷却层的宽带高平均功率介质微波窗的设计方法，其特征在于，包括：

S1、根据工作频段选取相应波导尺寸；

S2、设计传统三层介质窗，选择中间窗片介质材料，确定中间窗片相对介电常数ε_r1，求得中间窗片厚度d₁、侧窗相对介电常数ε_r2和侧窗厚度d₂；

S3、将步骤S2中确定的中间窗片，作为带冷却层的宽带高平均功率介质微波窗的中间窗片；

S4、选择冷却层材料，从而确定冷却层的介电常数；

S5、选择外层窗片的材料，确定外层窗片的介电常数；

S6、根据步骤S2得到的传统三层介质微波窗，获得带冷却层的宽带高平均功率介质微波窗的侧窗厚度d_a和冷却层厚度d_b之和L的初始值，以及冷却层厚度比例系数k的初始值；

S7、对步骤S6确定的L、k的初始值进行小范围内的扫描以及优化，选取最优电压驻波比对应的L和k，从而确定带冷却层的宽带高平均功率介质微波窗侧窗厚度d_a和冷却层厚度d_b；

S8、对中间窗片厚度d₁进行初始值附近微小范围扫描，根据最优电压驻波比确定最优中间窗片厚度d₁，完成带冷却层的宽带高平均功率介质微波窗中间窗的设计。

2.根据权利要求1所述的一种带冷却层的宽带高平均功率介质微波窗的设计方法，其特征在于，步骤S6具体为：

首先，让带冷却层的宽带高平均功率介质微波窗的侧窗厚度d_a与冷却层厚度d_b之和等于传统三层介质微波窗侧窗的厚度d₂，同时满足：

ε_rad_a+ε_rbd_b＝ε_r2d₂；

其中，ε_ra，ε_rb分别为带冷却层的宽带高平均功率介质微波窗的侧窗和冷却层的相对介电常数，ε_r2为传统三层介质微波窗侧窗的相对介电常数；

然后，通过求解得到侧窗厚度d_a的初始值与冷却层厚度d_b的初始值；

最后，引入冷却层厚度比例系数k，满足冷却层厚度d_b为kL，侧窗厚度d_a为(1-k)·L，从而计算得到冷却层厚度比例系数k的初始值；

<mrow> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mi>rb</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mi>ra</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mi>rb</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow>

3.根据权利要求1所述的一种带冷却层的宽带高平均功率介质微波窗的设计方法，其特征在于，步骤S7所述选取最优电压驻波比对应的L具体为：

根据步骤S6中确定的L的初始值，先通过仿真对参数L在初始值附近进行小范围扫描，得到第一若干扫描曲线；

设定参考中心频率，并选取第一若干扫描曲线中中心频率最靠近参考中心频率的左右两组扫描曲线所对应的L值作为参数L的上下界。

4.根据权利要求3所述的一种带冷却层的宽带高平均功率介质微波窗的设计方法，其特征在于，步骤S7所述选取最优电压驻波比对应的k具体为：

首先，选取L上下界对应的两条扫描曲线中与参考中心频率更靠近的扫描曲线所对应的L值，对参数k在初始值附近进行小范围扫描，得到第二若干扫描曲线；

设定参考电压驻波比，选取第二扫描曲线中中心频率处的电压驻波比值最靠近参考电压驻波比的上下两组扫描曲线对应的k值作为参数k的上下界；

最后对参数L、k在各自的上下界范围内进行优化，得到最优电压驻波比对应的一组L和k。

5.根据权利要求1所述的一种带冷却层的宽带高平均功率介质微波窗的设计方法，其特征在于，所述冷却层材料为液体材料或气体材料。

6.根据权利要求1所述的一种带冷却层的宽带高平均功率介质微波窗的设计方法，其特征在于，步骤S7中所述小范围为L、k的初始值的85％～115％的范围。

7.根据权利要求1所述的一种带冷却层的宽带高平均功率介质微波窗的设计方法，其特征在于，步骤S8中所述微小范围为d₁初始值的95％～105％的范围。