CN109742005A - 一种适用于宽带大功率的同轴输能窗 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于宽带大功率的同轴输能窗，通过在阶梯状圆波导中插入锥形同轴陶瓷窗，并进行陶瓷金属封结，锥形同轴陶瓷窗的内导体的两端分别与上、下两端空气介质同轴线内导体相连，锥形同轴陶瓷窗的下端部分与阶梯状圆波导金属封装在一起，上端的空心圆柱体和空心椎体悬置在阶梯状圆波导的腔体内，同轴内导体从锥形同轴陶瓷窗中心穿过与锥状部分进行金属化焊接构成封闭的大功率、宽带锥形输能窗结构；微波信号从一端的同轴线输入，经过一段锥形同轴陶瓷窗后实现能量的传输。
Description
技术领域
本发明属于微波电真空技术领域，更为具体地讲，涉及一种适用于宽带大功率的同轴输能窗。
背景技术
输能窗(简称微波窗)是微波电子器件如行波管、速调管、返波管、磁控管等进行能量传输的一个重要组成部分，它不仅能确保微波器件中发生注-波互作用的慢波电路处于真空环境中起到密封隔绝的作用，还能使电磁波顺利通过进行能量传递和信号传输的作用。在电真空器件正常工作的过程中，电子注在密闭的真空环境中与电磁波进行相互作用，当电磁波和电子注满足相应的同步条件时，高速运行的电子注将自身的动能转化成电磁波高频场能实现信号的放大，放大的信号通过输能窗输出。在这个过程中，不仅要满足输能信号能够在损耗衰减很小的条件下传输，还必须保证产生的热量能够有效释放出去确保整管的稳定工作。随着当代军事领域想着更宽的带宽和更高的功率快速发展，在电子对抗、雷达通讯等领域就需要宽带乃至倍频程的电真空器件，这就要求输能部件的微波窗能够在较宽的带宽范围内保证微波反射小、损耗低，否则就极大地限制了器件整体的工作性能；而对于宽带、高功率电子管而言，不仅保证微波窗有极宽的带宽条件拥有良好的微波透射特性，还需要微波窗具有极高的机械强度和真空密封性能。因此微波窗的性能过对于微波电真空器件的带宽、功率容量、可靠性以及工作寿命有着重要的决定性影响。
伴随着电真空器件的高速发展，微波窗的形式是各种各样的，使用较为广泛的输能窗结构有盒型窗、同轴窗、陶瓷阶梯窗、矩形窗等。盒型窗是将圆形介质窗片密封焊接在一段圆波导内，再将圆波导通过转换和矩型波导或者直径较小的圆波导相连。因其承受的功率较大，结构较简单，工艺成熟，得到了广泛的应用。但是这种窗片的带宽往往不能做的很宽，一般无鬼模振荡带宽能达到20％。矩形窗是将矩形介质片密封在两边截面相同的矩形波导中，其结构相对其他输出窗也更简单，一般用作输入窗。陶瓷阶梯窗是为了实现阻抗匹配而发展起来的。能够获得比较宽的带宽，因其匹配的特性要求，一般使用在波长较短的情况下。圆波导窗目前主要用在回旋管中，特别是在超大功率以及高频率时，为了减小单位面积所承受的能量密度，窗介质处的圆波导半径都较大，输出一般都为高次模式。为了克服上述窗片的种种缺陷，人们又发展了双脊波导窗，这种窗片综合了双脊波导大功率、宽带的优点能够实现很宽的带宽和很高的功率输出，但是这种窗片在频率上升时，随着尺寸的减小不仅会带来封装工艺的困难，还会因为矩形结构受力不均匀性导致的窗片炸裂等问题。
受限于国内输能窗的工艺水平以及宽带宽、大功率输能窗的需求，急需发展新型的宽带大功率宽带输能窗结构。考虑到同轴输能窗结构宽频带的优势，以及结构简单，加工工艺成熟等优点，克服同轴窗易电压击穿等缺陷，发展一种结构简单、传输性能优良的锥形大功率、宽带输能窗结构对实际制管有着重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于宽带大功率的同轴输能窗，采用悬置的锥形同轴陶瓷窗来效降低电压击穿的风险，而且加工简单，增强窗子的牢固性和寿命，还具有宽带、大功率输出的优良性能。
为实现上述发明目的，本发明一种适用于宽带大功率的同轴输能窗，其特征在于，包括：锥形同轴陶瓷窗、圆柱形阶梯金属长杆、金属封装部件和阶梯状圆波导；
所述的锥形同轴陶瓷窗由下端有一定厚度的空心圆柱体和上端空心椎体组成，其中，下端空心圆柱体的外径和上端空心椎体的底边外径大小相等，下端空心圆柱体的内径和上端空心椎体的顶边外径大小相等；
所述的圆柱形阶梯金属长杆由上、下两段不同内径大小的圆柱形长杆组成，且上段圆柱形长杆的底边刚好与空心椎体的顶边对齐，圆柱形阶梯金属长杆的长度大于锥形同轴陶瓷窗，且与上、下端圆波导刚好对齐；
所述的金属封装部件为阶梯状圆波导结构，其下端的内径小于上端的内径，上端的内径又与空心圆柱体的外径相等；
所述的阶梯状圆波导由上、下两段不同内径大小的空心圆波导组成，其下端的空心圆波导的半径大于锥形同轴陶瓷窗中空心圆柱体的半径，而阶梯状圆波导的直径刚好与金属封装结构的直径相等；
将圆柱形阶梯金属长杆插入锥形同轴陶瓷窗的上端空心椎体中，并进行金属化焊接，将焊接后的整体放入至阶梯状圆波导中，再和阶梯状圆波导进行金属化焊接，构成完整的同轴输能窗；
微波信号从一端的同轴线端口输入至阶梯状圆波导，经过一段锥形同轴陶瓷窗，降低电压击穿，再通过阶梯状圆波导的另一端连接的同轴线端口输出，实现能量的传输。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种适用于宽带大功率的同轴输能窗，通过在阶梯状圆波导中插入锥形同轴陶瓷窗，并进行陶瓷金属封结，锥形同轴陶瓷窗的内导体的两端分别与上、下两端空气介质同轴线内导体相连，锥形同轴陶瓷窗的下端部分与阶梯状圆波导金属封装在一起，上端的空心圆柱体和空心椎体悬置在阶梯状圆波导的腔体内，同轴内导体从锥形同轴陶瓷窗中心穿过与锥状部分进行金属化焊接构成封闭的大功率、宽带锥形输能窗结构；微波信号从一端的同轴线输入，经过一段锥形同轴陶瓷窗后实现能量的传输。
常规的同轴窗为一薄同轴片，高频场容易在陶瓷介质和金属内导体之间堆积造成很强的电压强度容易被击穿而限制功率容量，另外由于内导体半径尺寸小、窗体厚度薄也给焊接封装带来了不小的挑战，而在本发明例中采用悬置的有较大厚度尺寸的锥形同轴陶瓷窗能够有效降低电压击穿的风险，而且加工简单，增强窗子的牢固性和寿命，还具有宽带、大功率输出的优良性能。
附图说明
图1是本发明一种适用于宽带大功率的同轴输能窗剖视图；
图2是同轴输能窗的前视图；
图3是同轴输能窗的俯视图；
图4是图1所示锥形同轴陶瓷窗与内导体结构尺寸示意图；
图5是图1所示金属封装部件的尺寸示意图；
图6是图1所示阶梯状圆波导的尺寸示意图；
图7是同轴输能窗的仿真结果S参数；
图8是同轴输能窗的仿真驻波比。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明一种适用于宽带大功率的同轴输能窗剖视图。
在本实施例中，如图1所示，本发明一种适用于宽带大功率的同轴输能窗，包括：锥形同轴陶瓷窗1、圆柱形阶梯金属长杆2、金属封装部件3和阶梯状圆波导4；
如图2所示，锥形同轴陶瓷窗1由下端有一定厚度的空心圆柱体和上端空心椎体组成，其中，下端空心圆柱体的外径和上端空心椎体的底边外径大小相等，下端空心圆柱体的内径和上端空心椎体的顶边外径大小相等，锥形同轴陶瓷窗1的上端空心椎体的空心半径小于下端空心圆柱体的半径。在本实施例中，锥形同轴陶瓷窗1采用氧化铍材料，介电常数为6.5，损耗正切值为0.0002。
圆柱形阶梯金属长杆2作为同轴输能窗的内导体，由上、下两段不同内径大小的圆柱形长杆组成，且上段圆柱形长杆的底边刚好与空心椎体的顶边对齐，圆柱形阶梯金属长杆2的长度大于锥形同轴陶瓷窗，且与上、下端圆波导刚好对齐；
金属封装部件3为阶梯状圆波导结构，其下端的内径小于上端的内径，上端的内径又与空心圆柱体的外径相等；
阶梯状圆波导4由上、下两段不同内径大小的空心圆波导组成，其下端的空心圆波导的半径大于锥形同轴陶瓷窗1中空心圆柱体的半径，而阶梯状圆波导4的直径刚好与金属封装结构的直径相等；
将内导体插入至锥形同轴陶瓷窗中，在锥形同轴陶瓷窗的下端部分与阶梯状圆波导金属封装在一起，上端的空心圆柱体和空心椎体悬置在阶梯状圆波导的腔体内，同轴内导体从锥形同轴陶瓷窗中心穿过与空心椎体进行金属化焊接构成封闭的大功率、宽带锥形输能窗结构。在本实施例中，完整的同轴输能窗的俯视图如图3所示。
微波信号从一端的同轴线端口输入至阶梯状圆波导，经过一段锥形同轴陶瓷窗，降低电压击穿，再通过阶梯状圆波导的另一端连接的同轴线端口输出，实现能量的传输。
图4是图1所示锥形同轴陶瓷窗与内导体结构尺寸示意图；
在本实施例中，锥形同轴陶瓷窗1上端面的直径为win_r1，下端面的内侧直径为win_r2，外部直径为win_r3，锥形高度为h2，下端圆柱形高度为h3；圆柱形阶梯金属长杆2作为内导体，其上端直径为In_r1，下端的直径为In_r2；内导体上端高出锥形窗的高度为h1，下端伸出长度为h4。
图5是图1所示金属封装部件的尺寸示意图。
在本实施例中，金属封装部件3的上端台阶直径为win_r1，高度为h5，下端内孔直径为out_r2，外部直径为out_r3，高度为h6。
图6是图1所示阶梯状圆波导的尺寸示意图；
在本实施例中，阶梯状圆波导4的上端台阶直径为win_r3，高度为h8，下端内孔直径为out_r4，外部直径为out_r3，高度为h7。
图7是同轴输能窗的仿真结果S参数；
在本实施例中，如图7所示，通过对同轴输能窗的S参数的仿真结果可以看出，在2-20GHz的频带范围内，S11小于-28.84dB，S21大于-0.04dB。因此，所设计的宽带大功率锥形同轴输能窗传输性能良好。
图8是同轴输能窗的仿真驻波比。
在本实施例中，如图8所示，通过对同轴输能窗的驻波比的仿真结果可以看出，在2-20GHz的频带范围内，电压驻波比VSWR小于1.075。
综上，本发明提供的一种适用于宽带大功率的同轴输能窗，采用锥形同轴悬置结构有效提高了输能窗的功率容量，增大了结构尺寸，内部空间开放，利于散热，结构简单、易于加工，是一种具有较大应用价值的宽带、大功率输能窗结构。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (4)
1.一种适用于宽带大功率的同轴输能窗，其特征在于，包括：锥形同轴陶瓷窗、圆柱形阶梯金属长杆、金属封装结构和阶梯状圆波导；
所述的锥形同轴陶瓷窗由下端有一定厚度的空心圆柱体和上端空心椎体组成，其中，其中，下端空心圆柱体的外径和上端空心椎体的底边外径大小相等，下端空心圆柱体的内径和上端空心椎体的顶边外径大小等；
所述的圆柱形阶梯金属长杆由上、下两段不同内径大小的圆柱形长杆组成，且上段圆柱形长杆的底边刚好与空心椎体的顶边对齐，圆柱形阶梯金属长杆的长度大于锥形同轴陶瓷窗，且与上、下端圆波导刚好对齐；
所述的金属封装部件为阶梯状圆波导结构，其下端的内径小于上端的内径，上端的内径又与空心圆柱体的外径相等；
所述的阶梯状圆波导由上、下两段不同内径大小的空心圆波导组成，其下端的空心圆波导的半径大于锥形同轴陶瓷窗中空心圆柱体的半径，而阶梯状圆波导的直径刚好与金属封装结构的直径相等；
将圆柱形阶梯金属长杆插入锥形同轴陶瓷窗的上端空心椎体中，并进行金属化焊接，将焊接后的整体放入至阶梯状圆波导中，再和阶梯状圆波导进行金属化焊接，构成完整的同轴输能窗；
微波信号从一端的同轴线端口输入至阶梯状圆波导，经过一段锥形同轴陶瓷窗，降低电压击穿，再通过阶梯状圆波导的另一端连接的同轴线端口输出，实现能量的传输。
2.根据权利要求1所述的一种适用于宽带大功率的同轴输能窗，其特征在于，所述锥形同轴陶瓷窗的上端空心椎体的空心半径小于下端空心圆柱体的半径。
3.根据权利要求1所述的一种适用于宽带大功率的同轴输能窗，其特征在于，所述锥形同轴陶瓷窗采用氧化铍材料，介电常数为6.5，损耗正切值为0.0002。
4.根据权利要求1所述的一种适用于宽带大功率的同轴输能窗，其特征在于，所述的圆柱形阶梯金属长杆、金属封装结构和阶梯状圆波导的材料均选用无氧铜。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20200612 |
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