CN107546449A - 一种新型大功率微波毫米波风冷型圆锥结构吸收干负载 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型大功率微波毫米波风冷型圆锥结构吸收干负载，属于高功率微波、毫米波器件领域。该结构包括周期性交替排布的金属导热片和吸波介质片，且金属导热片和吸波介质片组成内部为圆锥腔体的柱体结构，圆锥腔体底部连接圆波导；柱体结构外侧还设置有一层开槽散热片。吸波介质片与金属导热片采用周期性交替排布方式，能够减少干负载内电磁扰动，进而降低干负载的电磁反射。利用吸波介质良好的微波衰减特性保证干负载微波吸收能力；利用金属导热片的强导热性将吸波介质热量快速导入散热片，降低负载内部温度。本发明具有功率容量高，工作频带宽、稳定性好，体积小，使用方便，成本低等优点。

Description

一种新型大功率微波毫米波风冷型圆锥结构吸收干负载

技术领域

本发明属于高功率微波、毫米波器件技术领域，具体来说是一种应用在回旋行波管系统的新型宽带大功率干负载。

背景技术

回旋行波管是一种大功率、高增益，具有一定带宽的毫米波电真空器件，它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。大功率回旋行波管放大器的输出脉冲功率达一百千瓦以上，平均功率也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，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来分主要包括小功率负载、中功率负载和大功率负载，按吸收媒质来分主要包括水负载和干负载两种。

水负载一般应用在大功率(千瓦级以上)微波、毫米波的吸收。它是利用水对微波、毫米波的强吸收特性，将微波、毫米波的能量转化成热能，并通过水负载内的循环水将热能带走。但是水负载在使用时需要专门的循环冷却设备来提供循环冷却水，这就造成整个系统比较复杂且体积较大。同时，水负载在工作时还有可能出现渗水以及爆管漏水的情况，这也给水负载的使用带来一些安全问题。

干负载是一种普遍应用在中、小功率微波、毫米波领域，实现电磁能量吸收的器件。干负载一般采用耐高温、机械强度高的碳化硅、氧化铍等固体吸收材料作为吸波介质，具有体积小、使用简单可靠等优点。常见干负载一般采用倒锥形、斜面梯形以及改进型的三棱锥结构。倒锥形结构干负载工作带宽较窄，在实际使用过程中易发生尖端温度过热现象，因此倒锥形结构干负载适合小功率、窄带工作环境；斜面梯形以及改进型三棱锥结构采用渐变结构吸收介质体，具有宽带工作的优点。但是，由于固体吸波材料热导率低，影响了干负载整体导热能力，制约了功率容量的提升。因此，常见干负载功率容量都是数十瓦、百瓦量级，无法满足大功率回旋行波管使用要求。

发明内容

为了进一步提高干负载的功率容量，使其功率容量达到千瓦级，同时实现干负载宽带低反射工作要求，本发明提出一种新型大功率微波毫米波风冷型圆锥结构干负载。

本发明的一种新型大功率微波毫米波风冷型圆锥结构吸收干负载，包括周期性交替排布的金属导热片和吸波介质片，且金属导热片和吸波介质片组成内部为圆锥腔体的柱体结构，圆锥腔体底部连接圆波导且腔体底部半径与圆波导半径一致；所述柱体结构外侧还设置有一层开槽散热片。

进一步地，所述开槽散热片为设置有鱼骨型周期开槽的圆环柱。

进一步地，所述金属导热片和吸波介质片在角向周期呈1：1交替排布。

进一步地，所述单片金属导热片和吸波介质片在角向上占有角度大于5度小于15度。

所述金属导热片和吸波介质片能够减少干负载内电磁扰动，进而降低干负载的电磁反射。吸波介质片与金属导热片采用周期性交替排布方式，一方面，利用吸波介质良好的微波衰减特性保证干负载微波吸收能力；另一方面，利用金属导热片的强导热性将吸波介质热量快速导入散热片，降低负载内部温度。

所述开槽散热片结构，相比传统光滑面散热方式能够更大幅度增加干负载散热面积，进而提高了干负载的整体散热性能，有助于提升干负载功率容量。

利用电磁波反射原理设计圆锥腔结构干负载，随着锥体结构高度增加，电磁波在锥体结构表面反射次数增加，进而提高了吸波介质对微波的吸收效率。此时电磁波反射到入射端口的能量减少，驻波比趋近于1，干负载工作性能得到优化。因此，利用电磁仿真软件HFSS进行干负载驻波分析，通过优化锥体结构高度来减小干负载在工作频带内电磁扰动及反射，实现干负载低反射工作。

利用铜的良好导热特性提升干负载整体导热性能，因此本设计采用吸波介质片与金属导热片周期交替的分布结构。在一个周期内随着金属导热片占有比例增加，吸波介质片吸波面积减少，进而导致单片吸波介质片吸收功率增大，负载内部温度上升；同时，增加金属导热片的比例也会提升干负载的整体导热能力，降低负载内部温度，提升干负载的功率容量。但是，随着金属导热片的比例逐渐增加，电磁反射现象也会越来越严重，驻波比逐渐增大，此时会严重影响干负载的整体性能。因此，优化金属导热片与吸波介质片的比例是提升干负载功率容量的关键之处。

在理论上，单片金属导热片以及单片吸波介质片在角向上占有角度为θ，在一个角向周期T内两种材料的分布比例为A:B，此时干负载内部金属导热片和吸波介质片结构在角向上呈周期排布，周期数为

N＝π/θ(A+B) (1)

其中当A≤B时单个周期内的导热面积为2sA，s为单片金属导热片和单片吸波介质片的导热面积，此时干负载总的导热面积为

S＝2sAN (2)

仅当A＝B时有最大导热面积

其中当A≥B时单个周期内的导热面积为2sB，此时干负载总的导热面积为

S＝2sBN (3)

仅当A＝B时有最大导热面积。

因此，在单个周期T内两种材料比例为1:1时有最大导热面积。此时，干负载具有最好的导热效果。

本发明具有以下优点：

1、功率容量高，平均功率为10KW。

2、工作频带宽、稳定性好，例如在30——40GHz波段内，电压驻波比小于1.05。

3、体积小，使用方便，成本低。

附图说明

图1新型干负载轴向剖面图

图2新型干负载仰视图

图3新型干负载锥形吸波室高度优化反射参数(S11)曲线图

图4新型干负载吸波结构不同周期反射参数(S11)曲线图

图5新型干负载35GHz频点温度变化曲线图，其中V_copper表示单个角向周期内铜的体积，V_sic表示单个角向周期内碳化硅的体积

图6新型干负载不添加金属导热片热分析温度分布图

图7新型干负载一比一添加金属导热片热分析温度分布图

图8新型干负载散热片长度优化温度变化曲线图

附图标号说明：1表示圆波导；2表示开槽散热片；3表示金属导热片；4吸波介质片。

具体实施方式

下面结合一个工作在Ka波段、TE01模的新型干负载的设计实例以及附图对本发明作进一步的详细阐述：

Ka波段新型干负载技术指标要求：

工作模式：TE01模；

工作频段：Ka波段(30GHz-40GHz)；

反射参数：小于-30dB

干负载外形尺寸：底部微波输入端口半径24mm、总体高度300mm、散热片径向厚度40mm，采用碳化硅材料作为吸波介质片，采用金属铜作为金属导热片，吸波介质片与金属导热片数量都为18片。

利用电磁仿真软件HFSS进行锥体结构高度S参数优化，锥体结构高度优化范围为100mm到550mm，反射参数优化结果如图3所示：在30—40GHz测量频段内，随着锥形结构高度增加，干负载的反射参数总体呈下降趋势，在高度达到300mm时，反射参数小于-40dB达到了技术指标要求。锥形结构高度继续增大时，反射参数下降幅度减小，锥形结构高度大于400mm的反射参数曲线基本一致。因此，本实施例锥体高度为300mm。

对于铜与碳化硅不同比例模型进行电磁分析，得到图4所示的S参数图。结果表明：干负载在30——40GHz频段内反射参数随着铜的分布比例增加而升高，这与理论相符合。当铜与碳化硅的周期排布比例超过1:1时，反射参数大于-30dB，此时反射波较强，严重影响了调试系统工作稳定性。因此，铜与碳化硅的周期排布比例应当小于等于1:1，此时才能保证干负载工作在可靠范围内。

对铜与碳化硅不同比例模型进行热分析，外加电磁波功率为10KW，工作频率为35GHz时，结果如图5所示：其中V_Copper/V_Sic表示一个角向周期内铜的体积与碳化硅体积之比。未添加金属导热片时，干负载温度分布如图6所示，最高温度为184℃；随着两者体积之比增高，最高温度开始呈现下降趋势，在比例达到1:1时，出现最低温度，此时温度为146℃，如图7所示；当继续增加两者体积比例时，温度呈现直线上升趋势。因此，这种周期分布结构能够明显起到降低负载温度，提升负载功率容量的作用。因此，综合温度分布与反射参数考虑，两种材料比例为1:1时，有最佳的导热效果和温度分布，此时干负载功率容量最大。

对干负载外部开槽散热片尺寸进行优化处理，热分析结果如图8所示：随着散热片径向厚度增加，负载核心温度呈现下降趋势。当散热片径向厚度大于40mm时，温度下降趋势减缓，进一步加大散热片径向厚度效果不明显。因此，本实施例采用40mm散热片作为实验参数。

通过以上仿真验证，本发明能够实现大功率(千瓦级)、宽带毫米波电磁能量吸收，达到了设计目标。

以上实例仅为方便说明本发明，本发明可以适用于其他工作频率、工作模式以及散热形式的干负载上。

Claims (4)

1.一种新型大功率微波毫米波风冷型圆锥结构吸收干负载，包括周期性交替排布的金属导热片和吸波介质片，且金属导热片和吸波介质片组成内部为圆锥腔体的柱体结构，圆锥腔体底部连接圆波导且腔体底部半径与圆波导半径一致；所述柱体结构外侧还设置有一层开槽散热片。

2.如权利要求1所述的一种新型大功率微波毫米波风冷型圆锥结构吸收干负载，其特征在于：所述开槽散热片为设置有鱼骨型周期开槽的圆环柱。

3.如权利要求1所述的一种新型大功率微波毫米波风冷型圆锥结构吸收干负载，其特征在于：所述金属导热片和吸波介质片在角向周期呈1：1交替排布。

4.如权利要求1所述的一种新型大功率微波毫米波风冷型圆锥结构吸收干负载，其特征在于：所述单片金属导热片和吸波介质片在角向上占有角度大于5度小于15度。