CN107317077B - 一种高功率毫米波双锥体水负载 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型高功率毫米波双锥体水负载，属于微波功率吸收、测量技术领域。该水负载包括一端与回旋行波管输出辐射波导连接的圆波导、以及圆波导另一端连接的双锥体水负载，双锥体水负载由底部为圆形、顶部为圆锥形的内外两层壳体组成并形成中空水室，外层圆锥形壳体顶部设置有出水口、圆形底部处设置有进水口。本发明能够有效减少水负载内部电磁反射，实现宽带低反射的设计目标；同时，双锥体结构缩小了水负载体积，提高了水室内壁水流流速，解决了水室局部过热的问题。因此，本发明能够有效提升水负载工作性能。

Description

一种高功率毫米波双锥体水负载
技术领域
本发明属于微波功率吸收、测量技术领域，具体涉及一种应用在高功率毫米波系统中的宽带高功率容量水负载。
背景技术
近年来随着毫米波技术的突破性进展，毫米波电真空器件在高分辨率毫米波成像、毫米波对抗和微波通信系统等领域具有重要的应用前景。高功率毫米波系统的输出功率能够达到数千瓦甚至数十千瓦级别，为避免强电磁辐射造成电磁环境污染和人体损伤，同时实现高功率微波检测，实验室一般使用吸收负载进行电磁能量吸收。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，能够实现微波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，水室内壁的水流速度慢的问题，当输入功率较大时，水室内壁附近的水易出现气化现象，造成水室内压力过大进而引起玻璃炸裂。因此，以上四种结构水负载的功率容量都较小，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的使用要求，同时实现水负载宽带低反射的工作指标，本发明提出一种高功率毫米波双锥体水负载。
本发明具体采用如下方案：
一种高功率毫米波双锥体水负载，包括一端与回旋行波管输出辐射波导固定连接的圆波导、以及圆波导另一端连接的双锥体水负载，且圆波导内径与回旋行波管输出辐射波导内径一致。其特征在于：所述双锥体水负载由底部为圆形、顶部为圆锥形的内外两层壳体组成并形成中空水室；所述外层圆锥形壳体顶部设置有出水口、圆形底部处设置有进水口。
进一步地，所述两层圆锥形壳体采用的材料其介电常数小于5；可以是石英玻璃、聚四氟乙烯等材料。
本发明采用双锥体水负载结构，一方面，能够减少水负载内部电磁反射，实现宽带低反射的设计目标；另一方面，双锥体结构缩小了水负载体积，提高了水室内壁水流流速，解决了水室局部过热的问题。因此，双锥体结构能够有效提升水负载工作性能。
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：
θi＝θr (1)
Figure GDA0002157076640000031
θi表示入射角，θt表示折射角，θr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
Figure GDA0002157076640000032
有如下关系:
Figure GDA0002157076640000033
其中n为正整数。
因此，水负载内层壳体厚度计算公式为：
Figure GDA0002157076640000034
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。
水室厚度与电磁辐射强度相关，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：
εc＝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
Figure GDA0002157076640000041
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＝jKc (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Np/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
Figure GDA0002157076640000042
ex表示电场指向方向，Exm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：
Pa＝Pi-Pr (10)
其中Pi是待求的输入功率，Pr是根据反射参数计算的反射到输入端口的功率。
Q＝MCΔT (11)
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＝PaΔt (12)
Δt为微波功率测量所用时间。
所以，由(10)、(11)、(12)式可得：
Pa＝CρνsΔT (13)
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(10)式可以计算出输入功率。
根据(13)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。
本发明有益效果：
1、工作频带宽，反射小：工作带宽大于10GHz，反射参数小于-30dB。
2、功率容量大：双锥体玻璃结构缩小了水负载整体体积，提高了水室内壁水流速度，相比传统水负载结构提升功率容量约为一倍。
附图说明
图1常见水负载结构示意图；
图2本发明水负载轴向结构图；
图3本发明水负载轴向剖面图；
图4本发明水负载尺寸图；
图5毫米波传播路径图；
图6本发明水负载的反射参数曲线图(S11)；
图7本发明水负载的电场分布图；
图8本发明水负载的压力分布图；
图9本发明水负载的流速分布图。
附图标号说明：1表示圆波导；2表示入水口；3表示外层壳体；4表示双锥体中空水室；5表示内层壳体；6表示出水口。
具体实施方式
下面结合一种工作在Ku波段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。
设计方法：
首先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，给出水负载的结构尺寸，然后利用电磁仿真软件HFSS建立仿真模型并进行水负载S参数分析和电场分析，最后利用流体仿真软件ANSYS Workbench进行水负载流体分析，计算水负载内部水流速度分布。
Ku波段TE11模式水负载设计目标：
工作模式：TE11模；
工作频段：Ku波段(12——18GHz)；
反射参数：小于-30dB；
对外辐射：小于-40dB；
Ku波段TE11模式水负载的尺寸标注见图4。其中水负载内玻璃高度h为320mm，内侧玻璃厚度为3.1mm，圆波导与底部圆形水室内直径φ为64mm，水室厚度为5mm，外侧玻璃厚度为4mm，进水口半径为8mm，出水口半径为10mm。
根据内部玻璃高度与内半径计算的入射角度为85.43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。利用三维电磁场数值仿真软件HFSS对水负载进行仿真计算，得到S11频率特性曲线见图6：从计算结果可以看出，水负载内层玻璃厚度为3.1mm时，反射参数小于-30dB，水负载具有良好的反射特性，此时水负载的工作频带为Ku全波段。
根据水的复介电常数以及工作中心频率并结合(8)式计算的水室厚度为5mm，利用HFSS对水负载进行仿真分析，电场分布图如图7所示：此时5mm水层的电磁衰减幅度小于1/100，对外辐射小于-40dB，此时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进行水负载水室流速和压力分布分析。入水口水压设为标准自来水水压0.3Mpa，出水口水压设置为标准大气压0.1Mpa，如图8所示。此时水室内部水压约为0.2Mpa，整体压力分布较为均匀，未出现局部高压现象，水负载结构设计合理。同时进行水室流速分析，如图9所示：此时水室入口流速约为8m/s，出水口流速约为6m/s，水室中部形成湍流模式，且整体流速分布较为均匀，流速范围约5-8m/s，未出现流速过低现象。因此，可以通过提高入水口流速来提高水室整体流速，进而达到提升水负载功率容量的目标。
以上实例仅为方便说明本发明，本发明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。

Claims (2)

1.一种高功率毫米波双锥体水负载，包括一端与回旋行波管输出辐射波导固定连接的圆波导、以及圆波导另一端连接的双锥体水负载，且圆波导内径与回旋行波管输出辐射波导内径一致，其特征在于：所述双锥体水负载由底部为圆形、顶部为圆锥形的内外两层壳体组成并形成中空水室；所述外层圆锥形壳体顶部设置有出水口、圆形底部处设置有进水口；所述两层壳体采用的材料其介电常数小于5；
所述双锥体水负载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，增加工作带宽；
由几何光学的斯耐尔定律知：
θi＝θr (1)
Figure FDA0002380131480000011
θi表示入射角，θt表示折射角，θr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
Figure FDA0002380131480000012
有如下关系：
Figure FDA0002380131480000013
其中n为正整数；
因此，水负载内层壳体厚度计算公式为：
Figure FDA0002380131480000014
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。
2.如权利要求1所述的一种高功率毫米波双锥体水负载，其特征在于：所述两层壳体采用的材料为石英玻璃或者聚四氟乙烯。
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