CN109946784A - 一种多通带太赫兹三层真空窗及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通带太赫兹三层真空窗及其实现方法。本发明采用第一至第三介质窗片的三层窗结构，满足真空密封的需求，第一和第三介质窗片与第二介质窗片的谐振频率相互作用，促使谐振频率处带宽变宽，形成具有宽带特性的多通带，相对于单片窗来讲极大拓宽了透过的频带宽度，同时实现了多通带传输；采用第一至第三介质窗片依次间隔在第一至第四圆环支撑架中形成对称结构，圆环支撑架将介质窗片固定并真空密封，并辅助调节带宽；本发明整体结构简单，圆环支撑架与圆柱波导焊接实现真空密封，介质窗片在满足电磁波穿透性能的同时具有易于加工，成本较低的优势。

Description

一种多通带太赫兹三层真空窗及其实现方法

技术领域

本发明涉及宽带真空输出窗领域，具体涉及一种多通带太赫兹三层真空窗及其实现方法。

背景技术

太赫兹波是振荡频率位于0.1-10THz(1THz＝10¹²Hz)的电磁波。近年来，全世界各国研究学者对太赫兹技术给予了极大关注，使得太赫兹波的产生、探测及应用技术等都取得了很大进步，形成了一个新兴交叉学科领域——太赫兹科学技术。太赫兹技术在通信、生物医疗、雷达成像、无损检测等方面具有重要作用。由于太赫兹可以提供高达10Gb/s以上的无线传输速率，太赫兹通信成为太赫兹技术应用的重要领域之一。太赫兹波通信系统离不开各种太赫兹波功能器件的性能保障。虽然国内外对于太赫兹波功能器件的研究已经逐渐展开，但是太赫兹波功能器件作为太赫兹波科学技术应用中的重点和难点，相比太赫兹波产生和检测装置及太赫兹波传输波导的快速发展，仍然需要投入大量的人力和物力进行深入的探索和研究。

三层真空介质窗在太赫兹中应用广泛。随着太赫兹技术的发展，大功率的太赫兹源的应用越来越广泛，而真空电子学方法在太赫兹辐射源的产生中具有重要作用。真空输出窗作为真空太赫兹辐射源的关键输出部件，尤其是作为微波电真空器件、加速器等其他高功率微波电子系统的关键部件之一，对系统的带宽、效率以及可靠性有着重要的影响，甚至在某些情况下决定了系统研制的成败与否。因此，设计出在太赫兹波段实现超宽带、低反射的输出窗是一项重要的工作。目前国内外很多科研机构都致力于这方面的研究，并取得了一定的进展，但是至今还未有实现多通带三层窗的超高真空封接窗的报道。现有的太赫兹波段三层窗往往结构复杂，而且带宽较窄，难以满足太赫兹波超宽带的需求。带宽是太赫兹波器件发展过程中的一项关键指标，因此有必要设计一种结构简单，成本低的多通带太赫兹三层真空窗以满足未来太赫兹波技术应用需要。

现有阶段三层真空介质窗结构一般包括：圆形法兰、圆形铜环和窗片；其中，圆形铜环和窗片依次间隔连接，放置在圆形法兰中。现有的这种三层结构虽然可以满足一般输出系统的要求，但是无法实现太赫兹波段多通带的需求。

发明内容

为了解决现有三层真空介质窗结构复杂，带宽有限且成本高的不足的问题，本发明提出了一种多通带太赫兹三层真空窗及其实现方法。

本发明的一个目的在于提出一种多通带太赫兹三层真空窗。

本发明的多通带太赫兹三层真空窗包括：第一至第三介质窗片、第一至第四圆环支撑架以及圆柱波导；其中，第一圆环支撑架、第一介质窗片、第二圆环支撑架、第二介质窗片、第三圆环支撑架、第三介质窗片和第四圆环支撑架同轴且平行依次紧密排布在圆柱波导内；第一至第三介质窗片分别为沿轴向厚度均匀且在与轴垂直的平面为圆形，材料采用相同的介质；第一至第四圆环支撑架的半径相同，圆环支撑架的内径小于介质窗片的直径，并且圆环支撑架的外径等于圆柱波导的内径，从而圆环支撑架将介质窗片固定并真空密封；位于第二介质窗片两侧的第二和第三圆环支撑架的厚度相同，第一和第三介质窗片的厚度相同，从而在第二介质窗片的两侧形成对称的介质-空气/真空-介质-空气/真空-介质的结构；真空窗中电磁波的中心频率由第一至第三介质窗片的厚度决定，第二介质窗片的厚度t₀满足t₀＝Nλ_gd/2，电磁波在第二介质窗片内形成谐振，根据谐振特性，在多个谐振频率形成谐振通带，从而形成多通带；位于两侧的第一和第三介质窗片，厚度与电磁波的中心频率和所需带宽有关，厚度小于第二介质窗片的厚度，与第二介质窗片形成匹配，同时由于第一和第三介质窗片具有自己的谐振频率，进而和第二介质窗片的谐振频率相互作用，促使谐振频率处带宽变宽，进一步形成具有宽带特性的多通带；第二和第三圆环支撑架依次间隔在第一至第三介质之间，从而形成介质/真空层，通过调节第二和第三圆环支撑架的厚度辅助调节带宽；其中，t₀为第二介质窗片的厚度，N为正整数，λ_gd为第二介质窗片内电磁波的波长。

第一至第三介质窗片采用的介质为陶瓷、蓝宝石和金刚石中的一种。

第一和第三介质窗片的厚度是第二介质窗片厚度的一半。

第二和第三圆环支撑架的厚度决定了介质-空气/真空-介质-空气/真空-介质的结构中真空/介质层的厚度，因此通过调节第二和第三圆环支撑架的厚度辅助调节多通带的带宽。

第一至第四圆环支撑架采用延展性好、导热性和导电性高的材料，采用铜。

本发明的另一个目的在于提供一种多通带太赫兹三层真空窗的实现方法。

本发明的多通带太赫兹三层真空窗的实现方法，包括以下步骤：

1)根据工作频率确定圆柱波导的半径，为实现超宽频带传输，圆柱波导工作在过模状态；

2)真空窗中电磁波的中心频率由第一至第三介质窗片的厚度决定，第二介质窗片的厚度t₀满足t₀＝Nλ_gd/2时，电磁波在第二介质窗片内形成谐振，根据谐振特性，在多个频点形成谐振通带，从而形成了多通带，其中，t₀为第二介质窗片的厚度，N为正整数，λ_gd为第二介质窗片内的电磁波的波长；第二介质窗片的厚度越薄，电磁波的透过效率越高，透过电磁波的频带越宽；

3)位于两侧的第一和第三介质窗片，厚度小于第二介质窗片的厚度，与第二介质窗片形成匹配，同时由于第一和第三介质窗片具有自己的谐振频率，进而和第二介质窗片的谐振频率相互作用，促使谐振频率处带宽变宽，进一步形成具有宽带特性的多通带；

4)第二和第三圆环支撑架依次间隔在第一至第三介质之间，从而形成介质/真空层，在第二介质窗片的两侧形成对称的介质-空气/真空-介质-空气/真空-介质的结构，通过调节第二和第三圆环支撑架的厚度t₂辅助调节带宽；

5)确定圆环支撑架t₃的厚度，为了便于焊接，t₃大于t₂。

在步骤3)中，初步选定薄介质窗片厚度t₁为厚介质窗片厚度t₀的一半，再利用商业仿真软件三维高频电磁场仿真工具HFSS对薄介质窗片的厚度进行进一步优化，实现最佳的传输效果。

本发明的优点：

本发明采用第一至第三介质窗片的三层窗结构，满足真空密封的需求，第一和第三介质窗片与第二介质窗片的谐振频率相互作用，促使谐振频率处带宽变宽，形成具有宽带特性的多通带，相对于单片窗来讲极大拓宽了透过的频带宽度，同时实现了多通带传输；采用第一至第三介质窗片依次间隔在第一至第四圆环支撑架中形成对称结构，圆环支撑架将介质窗片固定并真空密封，并辅助调节带宽；本发明整体结构简单，圆环支撑架与圆柱波导焊接实现真空密封，介质窗片在满足电磁波穿透性能的同时具有易于加工，成本较低的优势。

附图说明

图1为本发明的多通带太赫兹三层真空窗的一个实施例的组装的示意图；

图2为本发明的多通带太赫兹三层真空窗的一个实施例的爆炸示意图；

图3为本发明的多通带太赫兹三层真空窗的一个实施例各部分结构的示意图，其中，(a)为第二介质窗片的示意图，(b)为第一或第三介质窗片的示意图，(c)为第二或第三圆环支撑架的示意图，(d)为第一或第四圆环支撑架的示意图；

图4为本发明的多通带太赫兹三层真空窗的一个实施例的仿真曲线图，其中，(a)为中心频率为96GHz时的反射系数图，(b)为中心频率为203GHz时的反射系数图，(c)为中心频率为396GHz时的反射系数图，(d)为中心频率为505GHz时的反射系数图，(e)为中心频率为696GHz时的反射系数图，(f)为中心频率为805GHz时的反射系数图，(g)为中心频率为912GHz时的反射系数图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1和2所示，本实施例的多通带太赫兹三层真空窗包括：第一至第三介质窗片、第一至第四圆环支撑架以及圆柱波导；其中，第一圆环支撑架1、第一介质窗片2、第二圆环支撑架3、第二介质窗片4、第三圆环支撑架5、第三介质窗片6和第四圆环支撑架7同轴且平行依次紧密排布在圆柱波导8内；第一至第三介质窗片分别为沿轴向厚度均匀且在与轴垂直的平面为圆形，材料采用相同的介质；第一至第四圆环支撑架的半径相同，圆环支撑架的内径小于介质窗片的直径，并且圆环支撑架的外径等于圆柱波导的内径，从而圆环支撑架将介质窗片固定并真空密封；位于第二介质窗片两侧的第二和第三圆环支撑架的厚度相同，第一和第三介质窗片的厚度相同，从而在第二介质窗片的两侧形成对称的介质-空气/真空-介质-空气/真空-介质的结构。

第二介质窗片如图3(a)所示，第一和第三介质窗片如图3(b)所示，第二和第三圆环支撑架如图3(c)所示，第一和第四圆环支撑架如图3(d)所示。第一至第三介质窗片的材料采用蓝宝石，第一至第四圆环支撑架的材料采用铜。

在本实施例中，设定基本工作频率f为100GHz，空气中电磁波的波长为3mm；为实现超宽频带传输，圆柱波导应工作在过模状态，所以圆柱波导的内半径为15mm，外半径为18mm；第一至第三介质窗片的半径均为15mm，相对介电常数取为10，由下面公式可以计算圆柱波导空气/真空中的波长λ_g：

c表示真空中光速，f表示圆柱波导的工作频率，这里取100GHz。可得λ_g＝3mm然后由下面公式计算第在一至第三介质窗片中的波长：

λ_gd表示在第一至第三介质窗片中电磁波的波长，ε_r表示第一至第三介质窗片的介电常数，这里取10。可得λ_gd＝0.9483mm。然后根据下面公式计算中间第二介质窗片的厚度：

t₀＝Nλ_gd/2

t₀表示第二介质窗片的厚度，N为正整数。根据经验和仿真结果，N越小，电磁波的传输效果越好，带宽越宽，但考虑到加工、焊接等因素，这里N取2。可得t₀＝0.9483mm为了使第一和第三介质窗片与第二介质窗片形成的谐振通带更宽，实现宽带的效果，第一和第二介质窗片的厚度t₁为第二介质窗片的一半，即：

t₁＝t₀/2

可得t₁＝0.4743mm，在此基础上利用仿真软件进行仿真优化，取t₁＝0.4735mm。

第二和第三圆环支撑架的内半径为14.5mm，外半径为15mm，厚度为1.028mm。在确定了第一至第三介质窗片的尺寸后，利用仿真软件对第二介质窗片与第一和第三介质窗片之间的距离进行仿真优化，找到满足较大传输带宽时的距离，得到第二和第三圆环支撑架的厚度t₂＝1.028mm。

第一和第四环支撑架的内半径为14.5mm，外半径为15mm，厚度为2mm。第一和第四环支撑架主要是起到支撑蓝宝石的介质窗片的作用，对传输带宽的影响不大，同时为了便于焊接加工，设计的厚度较厚。

从图4(a)～(g)的仿真图可以看出，中心频率为96GHz时，-25dB带宽为10GHz；中心频率为203GHz时，-25dB带宽为8GHz；中心频率为396GHz时，-15dB带宽为14GHz；中心频率为505GHz时，-15dB带宽为9GHz；中心频率为696GHz时，-10dB带宽为19GHz；中心频率为805GHz时，-10dB带宽为12GHz；中心频率为912GHz时，-10dB带宽为17GHz。从图4的仿真图可以看出，本发明的三层真空窗具多通带特性，且每个通带内具有较宽的频率范围。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种多通带太赫兹三层真空窗，其特征在于，所述多通带太赫兹三层真空窗包括：第一至第三介质窗片、第一至第四圆环支撑架以及圆柱波导；其中，所述第一圆环支撑架、第一介质窗片、第二圆环支撑架、第二介质窗片、第三圆环支撑架、第三介质窗片和第四圆环支撑架同轴且平行依次紧密排布在圆柱波导内；所述第一至第三介质窗片分别为沿轴向厚度均匀且在与轴垂直的平面为圆形，材料采用相同的介质；所述第一至第四圆环支撑架的半径相同，圆环支撑架的内径小于介质窗片的直径，并且圆环支撑架的外径等于圆柱波导的内径，从而圆环支撑架将介质窗片固定并真空密封；位于第二介质窗片两侧的第二和第三圆环支撑架的厚度相同，所述第一和第三介质窗片的厚度相同，从而在第二介质窗片的两侧形成对称的介质-空气/真空-介质-空气/真空-介质的结构；真空窗中电磁波的中心频率由第一至第三介质窗片的厚度决定，第二介质窗片的厚度t₀满足t₀＝Nλ_gd/2，电磁波在第二介质窗片内形成谐振，根据谐振特性，在多个谐振频率形成谐振通带，从而形成多通带；位于两侧的第一和第三介质窗片，厚度与电磁波的中心频率和所需带宽有关，厚度小于第二介质窗片的厚度，与第二介质窗片形成匹配，同时由于第一和第三介质窗片具有自己的谐振频率，进而和第二介质窗片的谐振频率相互作用，促使谐振频率处带宽变宽，进一步形成具有宽带特性的多通带；第二和第三圆环支撑架依次间隔在第一至第三介质之间，从而形成介质/真空层，通过调节第二和第三圆环支撑架的厚度辅助调节带宽；其中，t₀为第二介质窗片的厚度，N为正整数，λ_gd为第二介质窗片内电磁波的波长。

2.如权利要求1所述的三层真空窗，其特征在于，所述第一至第三介质窗片采用的介质为陶瓷、蓝宝石和金刚石中的一种。

3.如权利要求1所述的三层真空窗，其特征在于，所述第一和第三介质窗片的厚度是第二介质窗片厚度的一半。

4.如权利要求1所述的三层真空窗，其特征在于，所述第二和第三圆环支撑架的厚度决定了介质-空气/真空-介质-空气/真空-介质的结构中真空/介质层的厚度，通过调节第二和第三圆环支撑架的厚度辅助调节多通带的带宽。

5.如权利要求1所述的三层真空窗，其特征在于，所述第一至第四圆环支撑架采用延展性好、导热性和导电性高的材料。

6.一种多通带太赫兹三层真空窗的实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：

1)根据工作频率确定圆柱波导的半径，为实现超宽频带传输，圆柱波导工作在过模状态；

2)真空窗中电磁波的中心频率由第一至第三介质窗片的厚度决定，第二介质窗片的厚度t₀满足t₀＝Nλ_gd/2时，电磁波在第二介质窗片内形成谐振，根据谐振特性，在多个频点形成谐振通带，从而形成了多通带，其中，t₀为第二介质窗片的厚度，N为正整数，λ_gd为第二介质窗片内的电磁波的波长；第二介质窗片的厚度越薄，电磁波的透过效率越高，透过电磁波的频带越宽；

3)位于两侧的第一和第三介质窗片，厚度小于第二介质窗片的厚度，与第二介质窗片形成匹配，同时由于第一和第三介质窗片具有自己的谐振频率，进而和第二介质窗片的谐振频率相互作用，促使谐振频率处带宽变宽，进一步形成具有宽带特性的多通带；

4)第二和第三圆环支撑架依次间隔在第一至第三介质之间，从而形成介质/真空层，在第二介质窗片的两侧形成对称的介质-空气/真空-介质-空气/真空-介质的结构，通过调节第二和第三圆环支撑架的厚度t₂辅助调节带宽；

5)确定圆环支撑架t₃的厚度，t₃大于t₂。

7.如权利要求6所述的实现方法，其特征在于，在步骤3)中，初步选定薄介质窗片厚度t₁为厚介质窗片厚度t₀的一半，再利用商业仿真软件三维高频电磁场仿真工具HFSS对薄介质窗片的厚度进行进一步优化，实现最佳的传输效果。