CN107240742B - 一种螺旋导流结构高功率水负载 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型螺旋导流结构高功率水负载，属于高功率微波、毫米波技术领域。该结构包括圆波导、导流结构、双锥体结构、进水口以及出水口。其中导流结构由两层圆柱形壳体、以及嵌于两层壳体底部且螺旋上升的导流层组成，导流层宽度与两层壳体之间的间隙宽度一致；双锥体结构由两层圆锥形壳体组成并形成中空水室，双锥体结构底部与导流结构顶部相连并组成水负载水室。本发明的双锥体水负载结构，减少了水负载端口电磁反射，实现宽带低反射的设计目标；同时有效缩小水负载体积，提高水室内整体水流流速，提高水负载的功率容量。采用的螺旋上升结构导流层能够实现引导水流流向并形成螺旋上升水流的目标，保证水室内流速分布更为合理、均匀。

Description

一种螺旋导流结构高功率水负载

技术领域

本发明属于高功率微波、毫米波技术领域，具体来说是一种应用在高功率毫米波系统中的宽带高平均功率容量水负载。

背景技术

近年来随着高功率毫米波技术的突破性进展，毫米波电真空器件已经在高功率、宽频带方面得到了快速发展。高功率毫米波电真空器件在高分辨率毫米波成像、毫米波对抗和雷达发射机系统等军事、科技领域的应用具有重要的意义。高功率毫米波器件测试系统的输出平均功率能够达到数千瓦甚至数十千瓦级别，因此，为避免强毫米波电磁辐射造成电磁环境污染和人体损伤，同时实现高功率毫米波功率检测的功能，测试系统一般采用吸收负载进行毫米波吸收和测量。吸收负载按吸收功率量级分类包括小功率负载、中功率负载和高功率负载，按吸收媒质分类包括干负载和水负载。

干负载普遍应用在中、小功率微波、毫米波领域，一般采用耐高温、机械强度高的碳化硅、氧化铍等吸波陶瓷作为吸波材料，外部采用风冷或水冷散热结构。因此干负载具有体积小、使用简单等优点。但是吸收陶瓷材料热导率低，影响了干负载整体导热能力，限制了干负载功率容量提升。因此，常见干负载功率容量一般在数瓦至百瓦级别，无法满足高功率毫米波电真空器件的使用要求。

水负载是一种应用在高功率(千瓦级以上)微波、毫米波领域，能够实现功率测量的吸收负载。它是利用水对微波、毫米波的强吸收特性，将电磁能量转化成水的热能，并通过水负载内的循环冷却水将热能带走。目前，高功率水负载基本结构主要分为两种：吸收式水负载和辐射式水负载，如图1所示。吸收式水负载基本结构分为斜插水管结构(a)、圆锥结构(b)和斜面梯形结构(c)。斜插水管结构水负载具有低反射的特点，但是由于水室与微波接触面积小，散热面积有限，导致功率容量不足，无法实现高功率微波测量吸收；圆锥结构和斜面梯形结构水负载工作频带较宽，但是由于水室放置在波导内部，易出现玻璃碎裂、漏水等现象，安全性较差；辐射式水负载(d)通过端口辐射的方式进行电磁能量吸收，结构简单且有效的解决了吸收式负载玻璃易碎、漏水的问题，但是这种辐射式水负载结构工作带宽窄，不能满足宽带微波测量吸收的要求。为了提高水负载的工作带宽及功率容量，多种设计方法和措施被尝试，如图e所示的改进型辐射式水负载，此结构解决了传统辐射式水负载工作带宽窄的问题，有效的拓宽了水负载工作频带。但是，以上(b)、(c)、(d)、(e)四种水负载都存在水室体积过大的问题。由于水室结构的不合理造成水与毫米波接触面上的水流速度慢且分布不均匀，当输入功率较大时，水室内壁局部区域易出现水温度过高并气化的现象，造成水室内压力过大进而引起水室材料碎裂。因此，以上四种结构水负载的功率容量都较小(改进型辐射式水负载结构最大平均功率容量为5kW)，无法满足高功率毫米波电真空器件数十千瓦级别高功率使用要求。

发明内容

为了进一步提高水负载的功率容量，使其满足高功率毫米波电真空器件(如回旋行波管)的使用要求，同时实现水负载的宽带低反射，本发明提出一种高平均功率螺旋导流结构水负载。

本发明采用如下方案：

一种螺旋导流结构高功率水负载，包括圆波导、导流结构、双锥体结构、进水口以及出水口。

所述圆波导一端与回旋行波管输出辐射波导固定连接，另一端为导流结构，且圆波导内径与回旋行波管输出辐射波导内径一致。

所述导流结构由内外两层圆柱形壳体、以及嵌于两层圆柱形壳体底部且螺旋上升的导流层组成，导流层宽度与两层圆柱壳体之间的间隙宽度一致。

所述双锥体结构由内外两层圆锥形壳体组成并形成中空水室，双锥体结构底部与导流结构顶部相连，并组成水负载水室。

所述进水口设置于导流层起始端外侧，与导流结构外侧形成30-60度夹角。所述进水口内半径为出水口内半径的2/3。

所述出水口设置于外层圆锥形壳体顶部，进水口采用小口径尺寸，出水口采用大口径尺寸。

所述导流层螺旋角度为360度，其末端高度等于或高于进水口高度。

进一步地，所述双锥体结构与圆柱形壳体采用材料的介电常数小于10；可以是石英玻璃、氧化铍陶瓷、氧化铝陶瓷等材料。

所述导流层采用易加工的硬质介质材料，如聚四氟乙烯，聚乙烯等。

本发明采用的圆波导能够实现毫米波输出端口与水负载结构的无缝连接，保证毫米波的有效传输和水负载的工作安全。

本发明采用的斜角为30-60度、小口径尺寸进水口，能够有效避免水室内水流对冲现象，解决了水负载内水压损耗过高的问题；采用的大口径出水口能够有效解决出水口的水阻问题。

本发明采用的螺旋上升结构导流层能够实现引导水流流向并形成螺旋上升水流的目标，进一步保证双锥体结构内流速分布更为合理、均匀。

本发明采用的双锥体水负载结构，一方面，能够减少水负载端口电磁反射，实现宽带低反射的设计目标；另一方面，双锥体结构能够有效缩小水负载体积，提高水室内整体水流流速，提高水负载的功率容量。

有益效果：

1、工作频带宽，反射小：工作带宽大于10GHz，反射参数小于-30dB。

2、结构简单，易加工：导流层可采取塑料填充方式嵌入导流结构，能够有效降低水负载加工难度。

3、功率容量大：双锥体结构缩小了水负载整体体积，提高了水室整体水流速度，相比传统水负载结构提升功率容量约为10倍左右。

附图说明

图1常见水负载结构示意图；

图2水负载轴向结构图；

图3水负载导流结构示意图；

图4水负载剖面结构图；

图5水负载尺寸标注图；

图6毫米波传播路径图；

图7水负载的反射参数曲线图(S₁₁)；

图8水负载水室的电场分布参数图；

图9水负载的流速分布图；

图10水负载的温度分布图。

在图2、3、4中，数字1表示法兰盘；2表示圆波导；3表示进水口；4表示双锥结构；5表示出水口；6表示导流层。

具体实施方式

下面结合一种工作在Ku波段TE₀₁模式和TE₁₁模式水负载设计实例以及附图对本发明作进一步的详细阐述。

双锥体水负载水室的几何光学分析设计：利用光学反射和透射原理分析毫米波在空气、壳体介质中的传播路径及其相位变化，通过优化内层壳体厚度实现相位抵消，进而减少反射到毫米波输入端口的能量，降低负载内部反射参数。水负载内部毫米波传播路径图如图5所示。

由几何光学的斯耐尔定律可知：

θ_i＝θ_r (1)

θ_i表示入射角，θ_t表示折射角，θ_r表示反射角，ε₀为空气相对介电常数，ε₁为壳体材料相对介电常数。

要使得反射最小，则需要透射到内层壳体中的透射波，在内层壳体与中层冷却水的分界面上经过一次反射后、再一次透射到水负载内部空气中的传播相移φ，与水负载内部空气中的反射波的传播相移有如下关系:

其中n为正整数。

因此，水负载内层壳体厚度计算公式为：

d表示内层壳体厚度，V表示真空中的光速，f表示毫米波工作频率。由(4)便可求出内层壳体的厚度。

以下为水负载水室厚度理论计算。根据毫米波在介质内的传播特性优化水室厚度，降低毫米波对外辐射强度。

水的复介电常数表达式为：

ε_c＝ε′-jε″ (5)

ε'表示相对介电常数，ε″表示介质中的电极化损耗。

此时水介质内的毫米波波数为

ω表示毫米波角频率，μ表示水的相对磁导率。

毫米波的传播常数为：

γ＝jK_c (7)

又因为

γ＝α+jβ (8)

其中α为衰减常数，表示毫米波每传播单位距离其振幅的衰减量，单位为N_p/m(捺培/米)；β为相位常数，其单位为rad/m(弧度/米)。根据式(7)、(8)可以计算出α对应数字。

毫米波在介质内的传播方程为

e_x表示电场指向方向，E_xm表示电场横截面分布函数，z表示毫米波传播方向。由(9)式知，当α为正数时，毫米波在介质内沿传播方向不断衰减。因此，根据水负载设计目标可以计算出理想的水室厚度。

设计方法：

首先我们借助几何光学分析方法和理论分析，建立高功率水负载的分析模型，设计水负载的结构尺寸，然后利用电磁仿真软件HFSS建立仿真模型并进行水负载反射参数分析和水室内电场衰减分析，最后利用流体仿真软件ANSYS Workbench对水负载进行流体分析和热分析，验证水负载的功率容量。

Ku波段TE₀₁模式和TE₁₁模式水负载设计目标：

工作模式：TE₀₁模式和TE₁₁模式；

工作频段：Ku波段(12——18GHz)；

反射参数：小于-30dB；

对外辐射：小于-40dB；

水负载的尺寸标注见图5。其中水负载内玻璃高度h为351mm，内侧玻璃厚度为3.1mm，圆波导与底部导流结构内直径φ为64mm，水室厚度为5mm，外侧玻璃厚度为3mm，进水口半径为8mm，出水口半径为10mm，进水口设置于导流层起始端外侧，与导流结构外侧形成60度夹角，导流层螺旋角度为360度，其末端高度等于进水口高度。

空气相对介电常数为1，石英玻璃相对介电常数为3.6，中心频率为15GHz时，根据(4)式计算的内层玻璃厚度约为3.1mm。使用三维电磁场频域仿真软件HFSS对水负载进行反射仿真计算，得到反射参数随频率变化的特性曲线，见图6。从计算结果可以看出，在Ku波段范围内，水负载内层玻璃厚度为3.1mm时，TE₀₁模式和TE₁₁模式反射参数均小于-30dB，水负载的反射特性仿真结果达到了设计指标。

根据水的复介电常数以及工作中心频率并结合(8)式计算的水室厚度。理论计算结果为5mm时，水室内电磁波电场幅值衰减99％，水负载对外辐射参数小于-40dB。利用HFSS对水负载进行仿真分析，水室内电场参数分布图如图8所示：此时5mm水层的电场幅值衰减为99.5％，对外辐射小于-40dB，此时理论计算结果与仿真结果吻合。因此，5mm水室厚度的水负载具有良好的吸收特性和防辐射能力，达到了设计指标。

利用流体分析软件ANSYS Workbench进行水负载导流结构和双锥体结构流速分布分析。入水口水压设为标准自来水水压0.3Mpa，出水口水压设置为0.15Mpa，仿真结果如图9所示。此时水室入口流速约为5m/s，出水口流速约为3m/s，水流在底部导流结构形成螺旋模式，并在双锥结构内实现螺旋、加速上升。水室内流速分布较为均匀，双锥结构内平均流速为5-10m/s，未出现局部流速过低现象。同时，为验证水负载功率容量，利用流体分析软件ANSYS Workbench进行水负载热分析。由图9可以看出，电场在水负载水室内侧急速衰减，0.5mm范围内吸收功率约为46％(理论结果为47％)，因此，水负载出现高温的区域在水室内侧。在水负载水室内侧添加与吸收功率相对应的热流密度(吸收功率比上吸波面积)计算水室内侧温度分布，仿真结果如图10所示：当热流密度为50000W/mm²，对应输入平均功率为50kW，入水口水温为300K(25℃)时，水室内侧最高温度为344.6K(69.4℃)，此时水室内侧温度分布均匀，整体温差较小，这与以上流体计算结果是一致的。因此，通过对水负载结构进行流体分析与热分析，验证了水负载的功率容量能够到达平均功率50kW的设计目标。

通过以上实例对本发明水负载结构进行了理论建模、电磁仿真、流体分析与热分析，并验证了水负载的工作带宽、反射特性以及功率容量。结果表明：采用双锥体结构和导流结构的水负载能够实现高平均功率宽带毫米波能量吸收的设计目标。

Claims (6)

1.一种螺旋导流结构高功率水负载，包括圆波导、导流结构、双锥体结构、进水口以及出水口；其特征在于：所述圆波导一端与回旋行波管输出辐射波导固定连接，另一端为导流结构，且圆波导内径与回旋行波管输出辐射波导内径一致；

所述导流结构由内外两层圆柱形壳体、以及嵌于两层圆柱形壳体底部且螺旋上升的导流层组成，导流层宽度与两层圆柱壳体之间的间隙宽度一致；

所述双锥体结构由内外两层圆锥形壳体组成并形成中空水室，双锥体结构底部与导流结构顶部相连，并组成水负载水室；

所述进水口设置于导流层起始端外侧，与导流结构外侧形成30-60度夹角；所述出水口设置于外层圆锥形壳体顶部，进水口口径小于出水口口径。

2.如权利要求1所述的一种螺旋导流结构高功率水负载，其特征在于：所述导流层螺旋角度为360度，其末端高度等于或高于进水口高度。

3.如权利要求1所述的一种螺旋导流结构高功率水负载，其特征在于：所述进水口内半径为出水口内半径的2/3。

4.如权利要求1所述的一种螺旋导流结构高功率水负载，其特征在于：所述双锥体结构与圆柱形壳体采用材料的介电常数小于10。

5.如权利要求4所述的一种螺旋导流结构高功率水负载，其特征在于：所述双锥体结构与圆柱形壳体采用的材料为石英玻璃、氧化铍陶瓷或者氧化铝陶瓷。

6.如权利要求1所述的一种螺旋导流结构高功率水负载，其特征在于：所述导流层的材料为聚四氟乙烯或者聚乙烯。