CN107508016A - 一种用于传输高功率微波和毫米波的新型多孔通风圆波导 - Google Patents

一种用于传输高功率微波和毫米波的新型多孔通风圆波导 Download PDF

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徐勇
李洋
王兆栋
孙淼
罗勇
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Abstract

本发明公开了一种用于传输高功率微波和毫米波的新型多孔通风圆波导，属于高功率微波、毫米波器件技术领域。该结构为在圆波导的波导壁上设置有等间距平行排布的若干列圆形通风孔。本发明通风孔将波导内的空气与外界大气连通，起到通风的作用。波导的通风环境改善后，波导内的空气流动加强，一方面使得大功率真空器件的输出窗表面的对流散热能力增强，达到提高输出窗功率容量的目的。另一方面波导内的空气流动加强，降低了微波在波导内打火几率，同时还提高了因微波击穿打火造成空气膨胀，气压升高而导致输出窗损坏的功率阈值，间接地提高了输出窗的功率容量。

Description

一种用于传输高功率微波和毫米波的新型多孔通风圆波导
技术领域
本发明属于高功率微波、毫米波器件技术领域，具体地说是在回旋行波管的输出系统中，用于传输高功率微波、毫米波的一种新结构金属圆波导。
背景技术
波导是微波、毫米波工程技术领域广泛应用的一种元器件。波导的作用是引导微波、毫米波沿特定的方向传播。常见的波导包括规则金属波导(如矩形波导、圆波导等)、传输线(如同轴线、平行双线等)以及表面波波导等。
近年来，随着一种高功率微波、毫米波电真空器件-回旋行波管的发展，它已经能够在微波、毫米波波段产生数十乃至于数百千瓦级以上的高功率电磁辐射。众所周知，回旋行波管的输出系统中，输出窗到负载终端之间一般都使用传统的金属圆波导来传输产生的电磁能量。但是，传统的金属圆波导与回旋行波管输出窗以及负载终端相连接后，其波导内的空气几乎处于密闭状态，而且流通性较差。在这样的波导环境中，回旋管输出窗的散热方式主要通过介质窗的径向传导和截面辐射来散热，而空气的对流散热较小，这样限制了回旋管输出窗功率容量的进一步提高，造成回旋管的输出介质窗片，因散热问题而导致损坏。
此外，由于传统的输出金属圆波导内空气的流通性较差，进而导致波导内发生高功率微波击穿的几率更高。而且当波导内发生高功率击穿放电打火时，短时间内释放大量的热量，引起波导内的空气快速膨胀，波导内气压会快速上升，但是波导又处于相对密闭状态，要释放波导内的压力，只有通过损坏与传统圆波导相连接的最薄弱的部件-回旋管的输出窗来完成，这样也限制了回旋管输出窗功率容量的进一步提高。
为了提高回旋管输出窗的功率容量，科学家和工程师们尝试多种方法和措施，如：在波导系统中加注灭弧惰性气体(六氟化硫等SF6)或者对波导系统进行抽真空处理，来减少波导系统中的微波打火，提高波导系统的打火阈值，进而提高了输出窗的功率容量；采用低损冷却液对输出窗进行冷却，采用人造金刚石作为输出窗的介质材料以及采用中间风冷结构输出窗等方法和措施来提高输出窗的功率容量。以上提及的方法和措施，都是通过工程实践证明可行的，但是实际操作起来有些结构比较复杂，有些甚至需要以花费大量的资金(如采用人造金刚石作为输出窗介质材料，一片直径为50毫米的输出窗，其价值达到数十万圆人民币)以及污染环境为代价(如在波导系统中加注的惰性六氟化硫气体对环境有一定污染)。
发明内容
由以上的分析可以看出，传统的输出金属圆波导内空气的流通性较差是阻碍回旋管输出窗的功率容量进一步提高的一个重要因素。为了解决这个问题，本发明提出一种结构简单又经济环保的新型多孔通风圆波导。
本发明的一种用于传输高功率微波和毫米波的新型多孔通风圆波导，其特征在于：圆波导的波导壁上设置有等间距平行排布的若干列通风孔。
所述通风孔为圆形通风孔。
所述圆波导的波导壁上设置有6-8列通风孔。
进一步地，所述通风孔半径小于通风孔内耦合产生圆波导基模TE11模相应频率的截止半径。
进一步地，一列通风孔相邻两孔之间的间距为圆波导TEmn模中心频点处波导波长的1/2。
进一步地，所述通气孔厚度由通气孔基模TE11模传播常数和对外辐射指标确定，其中通气孔对外辐射指标应小于-100dB。
本发明通风孔将波导内的空气与外界大气连通，起到通风的作用。波导的通风环境改善后，波导内的空气流动加强，一方面使得大功率真空器件的输出窗表面的对流散热能力增强，达到提高输出窗功率容量的目的。另一方面波导内的空气流动加强，降低了微波在波导内打火几率，同时还提高了因微波击穿打火造成空气膨胀，气压升高而导致输出窗损坏的功率阈值，间接地提高了输出窗的功率容量。
设计方法：
利用圆波导中电磁波的传播特性，计算出通风孔的半径和间距，使通风孔的半径小于同频段工作的圆波导的基模(TE11模)的截止半径，让电磁波在圆形通风孔内处于截止状态，同时还可以避免工作模式在主波导内产生较强的模式变换以及形成较强的驻波。根据计算圆波导的基模(TE11模)在通风孔内的衰减常数，然后计算出对外辐射功率参数下的波导厚度。
根据圆柱形波导中电磁波的传播特性，主波导传输TEmn模时，将在通风孔内耦合产生圆波导基模(TE11模)，为了减少电磁波对外辐射，必须使TE11模在通风孔内处于截止状态，因此通风孔半径要小于相应频率TE11模的截止半径。
因此根据圆波导截止波数计算公式，有：
Kc＝pmn/r (1)
式中pmn为贝塞尔函数的根，mn表示圆波导传输波的模式，r为通风孔半径。
又因为：
式中Kc为圆波导截止波数，ωc表示截止角频率，μ表示相对磁导率，ε表示相对介电常数。
自由空间波数
式中ω0为自由空间角频率。
传播常数
且γ＝α+jβ，其中α表示衰减常数，β表示相位常数。
因此电磁波的传播方程为
式中为电场方向单位矢量，Exm为电场幅值，z为电磁波传播方向。
根据圆波导TEmn模传播特性计算一列通风孔相邻两孔之间的间距，使得间距达到中心频点处TEmn模波导波长的1/2，达到减小圆波导反射的目的。
圆波导内TEmn模波导波长为：
λg＝2π/β (6)
设计要点：
首先，必须保证金属圆波导良好的电磁传输特性，同时减小电磁波通过通风孔的对外辐射。根据(1)、(2)式可以计算出小孔截止频率下的截止半径，根据(3)、(4)式可计算出衰减常数，然后依据(5)式得出小孔对外辐射参数下的波导厚度。因此，根据以上5个公式可以得出相应截止频率下的截止半径和通风孔长度。
根据(1)、(2)、(3)、(4)式可以计算出圆波导内TEmn模的传播常数，因为圆波导半径大于截止半径，因此，电磁波可以正常传播，此时传播常数等于相位常数。根据(6)式可以计算出波导波长，进而确定一列通风孔相邻两孔之间的间距。
本发明具有以下的主要优点：
1：经济环保，结构、工艺简单。
2：与传统的金属圆波导相比，改善了回旋行波管输出窗的对流换热条件，有效提高回旋管输出窗的功率容量，提高幅度达20％，同时解决了回旋行波管输出结构打火的问题。
3：传输特性和反射特性良好，工作频带宽，例如在Ka波段能全波段工作。
附图说明
图1本实施例圆波导轴向结构图；
图2本实施例圆波导俯视图；
图3本实施例圆波导正视图；
图4本实施例圆波导剖面图；
图5本实施例圆波导反射参数和传统圆波导反射参数图；
图6本实施例圆波导传输参数和传统圆波导传输参数图；
图7本实施例圆波导小孔传输参数图；
图8传统型圆波导输出窗热分析温度分布俯视图；
图9传统型圆波导输出窗热分析温度分布剖面图；
图10本实施例圆波导输出窗热分析温度分布俯视图；
图11本实施例圆波导输出窗热分析温度分布剖面图。
附图标号说明：1表示标准圆波导；2表示圆波导法兰盘；3表示通风孔。
具体实施方式
下面结合一个工作在Ka波段、TE01模的用于传输高功率微波和毫米波的新型多孔通风圆波导的设计实例以及附图对本发明作进一步的详细阐述：
Ka波段新型多孔通风圆波导技术指标：
工作模式：TE01模；
工作频段：Ka波段(26.5GHz-40GHz)；
圆波导尺寸：圆波导内半径尺寸：16mm，外半径尺寸：26mm，高度：50mm；圆波导壁上等间距设置有8列通风孔，每列中有6个通风孔，通风孔半径：1mm，一列通风孔相邻两孔之间间距为5.2mm。
根据圆柱形波导中电磁波的传播特性，主波导传输TE01模时，将在通风孔内产生圆波导基模(TE11)，为了减少电磁波对外辐射，必须抑制TE11模在通风孔内的传输，因此小孔半径要小于Ka波段TE11模的截止半径，选择小孔截止频率为40GHz能够满足以上要求。因此根据截止波数计算公式(1)、(2)式可得rc＝2.2mm，因此，通风孔半径要小于2.2mm，选择通风孔半径r为1mm作为计算参数。
根据(1)式可得TE11模的截止波数为Kc＝1841；根据(3)式可得TE11模的自由空间波数K0＝733；根据(4)式可得：α＝1688.75；根据(5)式计算：在理论上，通气孔厚度为9.55mm时，电磁波衰减小于-140dB。因此，本次设计通风孔厚度为10mm。
根据以上(1)、(2)、(3)、(4)式计算出圆波导内TE01模的相位常数为β＝0.6015，因此，波导波长为λg＝10.4mm；一列通风孔相邻两孔之间间距为1/2波导波长，即5.2mm。
利用电磁仿真软件HFSS进行S参数仿真，得到图5、6、7所示的S参数图。如图5所示的S11参数，结果表明通气圆波导在Ka波段内反射参数小于-40dB，反射功率小于0.01％；同时，如图6所示的S21参数，在整个Ka波段内大于-0.01dB，波动极小，保证了透气圆波导的电磁传输特性；如图7所示的通风孔辐射参数，在Ka波段内小于-145dB，达到了电磁辐射理论计算的标准。
在外加电磁波功率为20KW时，使用ANSYS Workbench进行热分析，两种波导接口处输出窗的温度分布如图8-11。与采用传统圆波导结构的输出窗温度分布相比，本实施例的输出窗温度分布的最高和最低温度值之间的温差降低幅度大于20％，进而提升输出窗的功率容量达20％以上。因此，本发明的用于传输高功率微波和毫米波的新型多孔通风圆波导能够使得回旋管输出窗的对流散热能力增强，具有良好的降温作用，达到提高输出窗功率容量的目的。可见，本发明圆波导能够有效地提高回旋管输出窗的功率容量。
以上实例仅为方便说明本发明，本发明可以适用于其他频段、其他工作模式以及其他形状的多孔通气减压波导上。

Claims (5)

1.一种用于传输高功率微波和毫米波的新型多孔通风圆波导，其特征在于：圆波导的波导壁上设置有等间距平行排布的若干列通风孔。
2.如权利要求1所述的一种用于传输高功率微波和毫米波的新型多孔通风圆波导，其特征在于：所述通风孔为圆形通风孔。
3.如权利要求1或2所述的一种用于传输高功率微波和毫米波的新型多孔通风圆波导，其特征在于：所述通风孔半径小于通风孔内耦合产生圆波导基模TE11模相应频率的截止半径。
4.如权利要求1或2所述的一种用于传输高功率微波和毫米波的新型多孔通风圆波导，其特征在于：一列通风孔相邻两孔之间的间距为圆波导TEmn模中心频点处波导波长的1/2。
5.如权利要求1或2所述的一种用于传输高功率微波和毫米波的新型多孔通风圆波导，其特征在于：所述圆波导的波导壁上设置有6-8列通风孔。
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