CN107256999A - 一种新型高功率水负载 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型高功率水负载，包括波导辐射喇叭口、底座、内部带有以螺旋型流动水为微波吸收体的螺旋水室，终端短路块和位于螺旋水室外的保护壳体，螺旋水室的前端呈锥体状，后端为圆柱状，波导辐射喇叭口一端与输出辐射波导固定连接，另一端与所述底座连接；底座的另一端与螺旋水室的后端和保护壳体的底部连接，底座与螺旋水室连接的一侧设有嵌入螺旋水室的后端底部的凹槽；螺旋水室的后端与底座连接的一侧为进水口，螺旋水室的前端一侧为出水口；终端短路块的前端呈锥体状，嵌入螺旋水室的前端，终端短路块的后端与保护壳体的顶部相连。该水负载满足高功率毫米波电真空器件的使用要求，同时实现水负载的宽带低反射。

Description

一种新型高功率水负载

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新型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发展，高功率、宽频带毫米波电真空器件已经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、科技领域发挥了重要作用。为确保高功率毫米波器件的工作性能，需要对加工、组装完成的成品进行输出功率测试。但是，高功率毫米波器件测试系统的输出平均功率能够达到数十千瓦甚至上百千瓦级别。因此，为避免强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测量的功能，测试系统一般采用吸收负载进行毫米波功率吸收和测量。吸收负载按功率容量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，常见干负载平均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(微波工程，作者：王文祥，国防工业出版社)，两种水负载的基本模型，如图1所示，吸收式水负载将水室嵌入矩形波导内部，通过具有低介电常数(通常小于10)的辐射面实现电磁波透射，基本结构分为斜插水管结构、圆锥结构和斜面梯形结构。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；如图2所示，辐射式水负载将水室安置在矩形波导端口外侧，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。同时，以上两类传统结构水负载(吸收式水负载和辐射式水负载)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微波、毫米波接触面附近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，以上两种类型水负载的实际功率容量都较小。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。北京真空电子技术研究所研制了一种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，由于其水室体积较大，水室内壁附近的水流流速较慢，导致改进型辐射水负载功率容量较小。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

本发明所要解决的技术问题是提供一种新型高功率水负载，该水负载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。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种新型高功率水负载，包括波导辐射喇叭口、底座、内部带有以螺旋型流动水为微波吸收体的螺旋水室，终端短路块和位于所述螺旋水室外的保护壳体，所述螺旋水室的前端呈锥体状，后端为圆柱状，所述波导辐射喇叭口一端与输出辐射波导固定连接，另一端与所述底座连接；所述底座的另一端与所述螺旋水室的后端和保护壳体的底部连接，所述底座与螺旋水室连接的一侧设有嵌入所述螺旋水室的后端底部的凹槽；所述螺旋水室的后端与所述底座连接的一侧为进水口，所述进水口贯穿所述底座，所述螺旋水室的前端一侧为出水口，所述出水口贯穿所述保护壳体；所述终端短路块的前端呈锥体状，嵌入所述螺旋水室的前端，所述终端短路块的后端与所述保护壳体的顶部相连。

本发明的有益效果是：本发明采用的波导辐射喇叭口能够实现电真空输出端口的输出辐射波导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性。

本发明采用的底座主要用于固定水负载，保证水负载的安全使用，同时实现波导辐射喇叭口与水室的后端的端口对接。

本发明采用内部带有螺旋型流动水作为微波吸收体的螺旋水室，一方面，能够有效提升水负载内的水流流速，解决了水负载内水压损耗过高的问题，进一步的提升水负载的功率容量；另一方面，水室的前端呈锥体状能够有效提高水负载的吸波面积，减少水负载端口电磁反射，实现宽带低反射的设计目标。

本发明采用的终端短路块的前端呈锥体状，插入所述螺旋水室的前端，能够减少水负载电磁反射，提高其工作稳定性。

本发明采用的保护壳体能够有效减少水负载对外电磁辐射，提高水负载应用安全性。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述螺旋水室的高度与后端底部半径比为10～15。

采用上述进一步方案的有益效果是：减少水负载内的电磁反射，避免因反射造成微波器件的工作不稳定性。

进一步，所述终端短路块高度为所述螺旋水室高度的1/3～1/5。

采用上述进一步方案的有益效果是：有效避免保护外壳顶部对电磁波的反射作用，减少水负载内的电磁反射。

进一步，所述保护壳体的材质为金属，且所述保护壳体呈梯形结构。

采用上述进一步方案的有益效果是：避免高功率电磁波对外产生辐射，提高水负载的使用安全性。

进一步，所述螺旋水室采用介电常数小于5的材料。

采用上述进一步方案的有益效果是：降低水室材料对电磁波的反射作用，提高水负载对电磁波的吸收效率。

进一步，所述螺旋水室由聚四氟乙烯材料加工的水通道按照锥体结构模型盘绕，粘结，定型而成。

采用上述进一步方案的有益效果是：解决了水室体积过大导致的功率容量低的问题，提高了水负载的功率容量；同时此结构加工简单，成本低。

附图说明

图1为吸收式水负载结构图；

图2为辐射式水负载结构图；

图3为本发明新型水负载轴向结构图；

图4为本发明新型水负载剖面结构图；

图5为本发明新型水负载的反射参数曲线图。

图中，1-波导辐射喇叭口；2-底座；3-进水口；4-保护壳体；5-出水口； 6-终端短路块；7-螺旋水室。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图3、图4所示，本发明提供了一种新型高功率水负载，包括波导辐射喇叭口1、底座2、内部带有螺旋型流动水作为微波吸收体的螺旋水室7，终端短路块6和位于所述螺旋水室7外的保护壳体4，所述螺旋水室7的前端呈锥体状，后端为圆柱状，所述波导辐射喇叭口1一端与输出辐射波导固定连接，另一端与所述底座2连接；所述底座2的另一端与所述螺旋水室7 的后端和保护壳体4的底部连接，所述底座2与螺旋水室7连接的一侧设有嵌入所述螺旋水室7的后端底部的凹槽；所述螺旋水室7的后端与所述底座 2连接的一侧为进水口3，所述进水口3贯穿所述底座2，所述螺旋水室7 的前端一侧为出水口5，所述出水口5贯穿所述保护壳体4；所述终端短路块6的前端呈锥体状，嵌入所述螺旋水室7的前端，所述终端短路块6的后端与所述保护壳体4的顶部相连。

本发明采用的波导辐射喇叭口1能够实现电真空输出端口的输出辐射波导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性。

本发明采用的底座2主要用于固定水负载，保证水负载的安全使用，同时实现波导辐射喇叭口1与水室的后端的端口对接。采用内部带有螺旋型流动水作为微波吸收体的螺旋水室7，一方面，能够有效提升水负载内的水流流速，解决了水负载内水压损耗过高的问题，进一步的提升水负载的功率容量；另一方面，水室的前端呈锥体状能够有效提高水负载的吸波面积，减少水负载端口电磁反射，实现宽带低反射的设计目标。采用的终端短路块6的前端呈锥体状，插入所述螺旋水室7的前端，能够减少水负载电磁反射，提高其工作稳定性。采用的保护壳体4能够有效减少水负载对外电磁辐射，提高水负载应用安全性。

作为本发明的一个具体实施方式，所述螺旋水室7的高度与后端底部半径比为10～15，能减少水负载内的电磁反射，避免因反射造成微波器件的工作不稳定性。

作为本发明的一个具体实施方式，所述终端短路块6高度为所述螺旋水室7高度1/3～1/5，能有效避免保护外壳顶部对电磁波的反射作用，减少水负载内的电磁反射。

作为本发明的一个具体实施方式，所述保护壳体4的材质为金属，且所述保护壳体4呈梯形结构，能避免高功率电磁波对外产生辐射，提高水负载的使用安全性。

作为本发明的一个具体实施方式，所述螺旋水室7采用介电常数小于5 的材料，能降低水室材料对电磁波的反射作用，提高水负载对电磁波的吸收效率。

作为本发明的一个具体实施方式，所述螺旋水室7由聚四氟乙烯材料加工的水通道按照锥体结构模型盘绕，粘结，定型而成，解决了水室体积过大导致的功率容量低的问题，提高了水负载的功率容量；同时此结构加工简单，成本低。

以下为水负载螺旋水室7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″ (1)

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 (3)

又因为

γ＝α+jβ (4)

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(3)、 (4)可以计算出α对应数字。

毫米波在介质内的传播方程为

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。

功率测量理论计算，根据热功当量原理计算毫米波输出功率：

P_a＝P_i-P_r (6)

其中P_i是待求的输入功率，P_r是根据反射参数计算的反射到输入端口的功率。

Q＝MCΔT (7)

M为水的质量，C为水的比热容，ΔT表示水上升的温度

其中：

Q＝P_aΔt (8)

Δt为微波功率测量所用时间。

所以，由(6)、(7)、(8)式可得：

P_a＝C ρνs ΔT (9)

ν表示入口处水流速度，s表示入口处截面面积。因此，在已知介质比热容ρ的前提下可以通过测量水流速度和温度幅值变化来计算吸收功率，通过(7)式可以计算出输入功率。

根据(9)式可知，负载内部水流流速与吸收功率呈现正相关关系，因此可以通过提高水室水流速度提升水负载功率容量。

实施例1

在上述本实施例的内部带有螺旋型流动水作为微波吸收体的螺旋水室7 采用聚四氟乙烯材料加工的水通道按照锥体结构模型盘绕，粘结，定型而成，其中波导辐射喇叭口1内半径为16mm，出口内半径为50mm，高度为100mm；底座2与螺旋水室7后端内半径为50mm；水室高度500mm，聚四氟乙烯材料水管外半径为7mm，内半径为5mm；终端短路块6高度为100mm。

首先，根据水的复介电常数以及工作中心频率并结合(5)式计算水管内半径，理论计算结果为5mm时，水管内电磁波电场幅值衰减95％。同时，考虑到保护外壳4对电磁波的反射作用，辐射到螺旋水室7外部的电磁波会反射回到水层内，并再次被吸收。因此，5mm厚度的水层能够实现99.5％的电磁衰减。此时，水负载具有良好的吸收特性。同时使用三维电磁场频域仿真软件HFSS对水负载进行反射仿真优化，优化结果显示水管厚度为2mm 时电磁反射最小。图5给出了水管外半径为7mm，水管内半径为5mm时模型的反射参数随频率变化的特性曲线。从计算结果可以看出，在Ku波段范围内，水负载聚四氟乙烯材料的厚度为2mm时，TE₁₁模式反射参数小于-30dB。

同时，根据公式(5)可知，电磁波在水中呈现指数衰减趋势，因此，电磁波损耗的能量主要集中在水管内表面。因此，水负载的高温区域存在于靠近聚四氟乙烯材料水管内壁的地方。根据水的复介电常数以及工作中心频率计算可得：0.5mm水层内电磁波损耗的能量达到总能量的46％。当电磁波的总平均功率为100KW，根据公式(9)和水负载尺寸计算水管内表层温度与流速关系可得：其中ν表示水管内表层0.5mm厚度处的流速，ΔT表示水上升的温度。因此，通过控制水管内的造成水汽化以及负载内部气压过高。

以上实例仅为方便说明本发明新型，本发明新型水负载结构可以适用于其他工作频率、工作模式的水负载上。

本发明提供的新型高功率水负载具有以下优点：

1、工作频带宽，反射小：相对工作带宽大于40％，反射参数小于-30dB。

2、功率容量大：锥体结构缩小了水负载整体体积，保证了水管内水流流速一致，提高了水室整体水流速，进而避免了水管内局部过热的可能,提升了水负载功率容量。相比传统水负载结构提升功率容量约为20倍左右。

3、结构简单，易加工：将加工完成的聚四氟乙烯水管按照锥体结构模型盘绕，粘结，定型即可实现水负载的制作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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保护范围之。

Claims (6)

1.一种新型高功率水负载，其特征在于，包括波导辐射喇叭口、底座、内部带有以螺旋型流动水为微波吸收体的螺旋水室，终端短路块和位于所述螺旋水室外的保护壳体，所述螺旋水室的前端呈锥体状，后端为圆柱状，所述波导辐射喇叭口一端与输出辐射波导固定连接，另一端与所述底座连接；所述底座的另一端与所述螺旋水室的后端和保护壳体的底部连接，所述底座与螺旋水室连接的一侧设有嵌入所述螺旋水室的后端底部的凹槽；所述螺旋水室的后端与所述底座连接的一侧为进水口，所述进水口贯穿所述底座，所述螺旋水室的前端一侧为出水口，所述出水口贯穿所述保护壳体；所述终端短路块的前端呈锥体状，嵌入所述螺旋水室的前端，所述终端短路块的后端与所述保护壳体的顶部相连。

2.根据权利要求1所述的新型高功率水负载,其特征在于，所述螺旋水室的高度与后端底部半径比为10～15。

3.根据权利要求1所述的新型高功率水负载,其特征在于，所述终端短路块的高度为所述螺旋水室高度的1/3～1/5。

4.根据权利要求1所述的新型高功率水负载,其特征在于，所述保护壳体的材质为金属，且所述保护壳体呈梯形结构。

5.根据权利要求1所述的新型高功率水负载,其特征在于，所述水室采用介电常数小于5的材料。

6.根据权利要求1所述的新型高功率水负载,其特征在于，所述螺旋水室由聚四氟乙烯材料加工的水通道按照锥体结构模型盘绕，粘结，定型而成。