CN110596466A - 高功率真空窗片材料的电磁参数检测系统及方法 - Google Patents

高功率真空窗片材料的电磁参数检测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高功率真空窗片材料的电磁参数检测系统及检测方法，包括第一吸波材料、高功率真空窗片材料、第一光学镜面、第二圆锥喇叭天线、第二扩展模块、第一扩展模块、第一圆锥喇叭天线、第二耦合膜片、第一耦合膜片、第二光学镜面、第二吸波材料、矢量网络分析仪；通过对开放腔结构和耦合方式进行改进，采用耦合膜片作为馈电方式的开放腔的检测装置，简化了开放腔的馈电方式，降低了光学镜面的加工难度，采用开放腔的结构显著提高了开放腔的品质因数，并提高了检测系统的精确度，以及开放腔腔长可变的装置，显著改进了微波可调频率的范围。

Description

高功率真空窗片材料的电磁参数检测系统及方法
技术领域
本发明属于高功率窗片材料领域，更具体地，涉及一种开放腔法测量高功率窗片材料电磁参数的检测系统及检测方法。
背景技术
高功率微波器件为了保持微波管内的真空度，必须采用介质窗片在输入和输出波导的端口处进行密封，同时避免因放置介质片而影响功率传输，因此设计的结构应以介质片为中心具有带通特性。高功率窗片属于低损耗材料，电磁波通过窗片过程中会产生介质损耗，在高频功率下，窗片会发热，并且随着微波功率的增大而增加，热量积累导致窗片热应力过大而发生损坏。高功率窗片的性能直接或间接受窗片材料的固有特性影响，因此在设计高功率窗片之前材料的选择显得非常重要。到目前为止，高功率窗片材料的选择余地非常有限，只有人造金刚石是公认的做高功率窗片损耗最小的材料，但人造金刚石窗片生产周期长，价钱昂贵，因此寻找较易获得的低损耗窗片材料对批量生产高功率窗片，提高高功率窗片的功率和寿命显得非常重要。这就需要有可靠检测系统对其进行测量。
就目前所见的报道而言，基于开放腔法的检测系统多平凹腔检测系统，而且检测装置大多是使用小孔耦合或者波导耦合对开放腔进行微波信号源的馈入，这种耦合方式使得加工光学镜面非常困难，光学镜面的加工工艺本身非常复杂，在光学镜面上开凿工耦合孔，容易使得光学镜面破碎，加工过程中可能存在一些小裂纹，但是用肉眼不容易看出来，这些裂纹对整个测试系统精确度有非常大的影响；而且平凹腔的腔长小于光学镜面的曲率半径，平凹腔测试装置常常会出现样品与镜面之间间隙不足，致使测试样品的放置也成为一个问题；针对馈源模块来说，大多是使用频谱技术，频谱框架比较复杂，难以实现。
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于双球腔的高功率真空窗片材料的电磁参数检测系统及方法。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高功率真空窗片材料的电磁参数检测系统及利用所述系统的电磁参数检测方法。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种高功率真空窗片材料的电磁参数检测系统，包括矢量网络分析仪13、第一扩展模块 7、第一圆锥喇叭天线8、开放腔、第二圆锥喇叭天线4、第二扩展模块6；
所述开放腔包括第一光学镜面3、第二光学镜面11，开放腔腔体内部用于放置高功率真空窗片材料2以及第一耦合膜片10；第一光学镜面3和第二光学镜面11的焦点在同一水平线上，该水平线为光轴，所述高功率真空窗片材料2横向上位于第一光学镜面3和第二光学镜面11之间，且高功率真空窗片材料2的中心位于所述光轴上；第一耦合膜片10的中心也在所述光轴上，所述第一耦合膜片10横向上位于高功率真空窗片材料2和第二光学镜面11之间，第一耦合膜片10与所述光轴成45°角度，第一耦合膜片10的上方为第一吸波材料1，第一耦合膜片10的下方为第二耦合膜片9，第一耦合膜片10、第一吸波材料1、第二耦合膜片9三者中心在纵向上对齐；
所述第二耦合膜片9和第一耦合膜片10平行位置，第二耦合膜片9的下方为第一圆锥喇叭天线8，第二耦合膜片9横向上位于第二圆锥喇叭天线4和第二吸波材料12之间；第二圆锥喇叭天线4、第二耦合膜片9、第二吸波材料12三者的中心在横向上对齐；
矢量网络分析仪13的输出端通过电缆与第一扩展模块7相连，第一扩展模块7的输出端与第一圆锥喇叭天线8的波导端口相连，第一圆锥喇叭天线8和第二耦合膜片9二者的中心在纵向上对齐，第二圆锥喇叭天线4的波导端口和第二扩展模块6连接，第二扩展模块6的输出端与矢量网络分析仪13的输入端相连。
作为优选方式，所述开放腔使太赫兹信号作用于高功率真空窗片材料2，通过调整第一光学镜面3与第二光学镜面的11之间的距离使开放腔达到谐振状态；第一吸波材料1用于吸收自由空间中的电磁波防止其进入开放腔；
第一圆锥喇叭天线8用于发射太赫兹信号，第二耦合膜片9用于对第一圆锥喇叭天线8 的太赫兹信号进行分束、并将分束后的太赫兹信号传播到第一耦合膜片10，太赫兹信号通过第一耦合膜片10分束后给开放腔馈电；第一耦合膜片10用于给开放腔馈电、使太赫兹信号作用于开放腔产生谐振，将开放腔中谐振的太赫兹信号分束后传播给第二耦合膜片9，第二耦合膜片9分束后传播到第二圆锥喇叭天线4，所述第二圆锥喇叭天线4作为接收模块接收第二耦合膜片9分束的太赫兹信号；第二吸波材料12用于吸收自由空间中的电磁波防止其进入第二耦合膜片9；
所述第二扩展模块6用于对接收到的太赫兹信号进行放大以及滤波；所述第一扩展模块7 作为发射前端，用于在通电后产生太赫兹信号并向第一圆锥喇叭天线8提供太赫兹信号。
作为优选方式，第一圆锥喇叭天线8依次通过第二耦合膜片9和第一耦合膜片10的分束给开放腔馈电，太赫兹信号经过开放腔反射后又依次通过第一耦合膜片10和第二耦合膜片9 的分束，被第二圆锥喇叭天线4接收。
作为优选方式，第二圆锥喇叭天线4和第一圆锥喇叭天线8的波导端口为矩形波导。
作为优选方式，所述高功率是指峰值功率大于1兆瓦。
作为优选方式，高功率真空窗片材料为人造金刚石。
作为优选方式，第一光学镜面3和第二光学镜面11为黄铜镀银镜面。
作为优选方式，第一耦合膜片10和第二耦合膜片9为聚四氟乙烯。
作为优选方式，第一吸波材料1和第二吸波材料12为铁氧体和石墨加氯丁橡胶制作。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种高功率真空窗片材料的电磁参数检测方法，使用上述的检测系统，包括如下步骤：由矢量网络分析仪13提供输入微波信号，第一扩展模块 7对微波信号进行倍频，输出太赫兹信号，由第一圆锥喇叭天线8辐射太赫兹信号，该太赫兹信号被第二耦合膜片9和第一耦合膜片10分束馈入开放腔，通过调整开放腔的腔长使开放腔产生谐振，太赫兹信号经开放腔反射后被第二耦合膜片9和第一耦合膜片10分束，由第二圆锥喇叭天线4接收，太赫兹信号传至第二扩展模块6处理，最后太赫兹信号输出到矢量网络分析仪13。
本发明的工作原理如下：
介质厚度t为半波长的整数倍的条件为tn＝mλ1/2，其相邻的为tn＝(m+1)λ2/2，可以得到m＝λ2/(λ1-λ2)，值得注意的是m为一个整数。介质厚度t＝mλ1/(2n)，开放腔的腔长可以表示为 D＝qλ/2+mλ/(2n)+(λ/(2π))arccos[1-D/R] (1)
其中：
t——介质厚度；
n——介质折射率；
D——开放腔的腔长；
R——开放腔的曲率半径，即第一光学镜面和第二光学镜面的曲率半径；
m——一个整数；
λ——波长；
q——模式数。
加载样品的腔长D1和空腔的腔长D2的表达式分别为
所以有
n＝m(m-2ΔD/λ+[arccos[1-D2/R]-arccos[1-D1/R])-1 (3)
式中，ΔD＝D2-D1。
损耗角正切为
tanδ＝(D/(tε'))(1/Q1-1/Q0)或者tanδ＝(D/t)(1/Q2-1/Q0) (4)
Q0——空载时开放腔的品质因数；
Q1——放入介质片，边界场最大时的品质因数；
Q2——放入介质片，边界场最小时的品质因数。
本发明的有益效果为：
1.通过对关键模块如第一扩展模块、圆锥喇叭天线、开放腔、第二扩展模块进行选择和使用，各模块功能清晰，易于后期的维护和检修；
2.采用双球腔的开放腔系统，大大提高了品质因数，显著提高了测量精度；
3.腔长可调的设计，有助于快速的确定谐振频，且增加了频率的可调节范围；
4.采用膜片耦合的耦合方式，简化了开放腔的耦合方式，降低了光学镜面的加工难度；
附图说明
图1是本发明的开放腔示意图。
图2是本发明的整体结构系统框图。
其中，1为第一吸波材料，2为高功率真空窗片材料，3为第一光学镜面，4为第二圆锥喇叭天线，6为第二扩展模块，7为第一扩展模块，8为第一圆锥喇叭天线，9为第二耦合膜片，10为第一耦合膜片，11为第二光学镜面，12为第二吸波材料，13为矢量网络分析仪。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
一种高功率真空窗片材料的电磁参数检测系统，包括矢量网络分析仪13、第一扩展模块 7、第一圆锥喇叭天线8、开放腔、第二圆锥喇叭天线4、第二扩展模块6；
所述开放腔包括第一光学镜面3、第二光学镜面11，开放腔腔体内部用于放置高功率真空窗片材料2以及第一耦合膜片10；第一光学镜面3和第二光学镜面11的焦点在同一水平线上，该水平线为光轴，所述高功率真空窗片材料2横向上位于第一光学镜面3和第二光学镜面11之间，且高功率真空窗片材料2的中心位于所述光轴上；第一耦合膜片10的中心也在所述光轴上，所述第一耦合膜片10横向上位于高功率真空窗片材料2和第二光学镜面11之间，第一耦合膜片10与所述光轴成45°角度，第一耦合膜片10的上方为第一吸波材料1，第一耦合膜片10的下方为第二耦合膜片9，第一耦合膜片10、第一吸波材料1、第二耦合膜片9三者中心在纵向上对齐；
所述第二耦合膜片9和第一耦合膜片10平行位置，第二耦合膜片9的下方为第一圆锥喇叭天线8，第二耦合膜片9横向上位于第二圆锥喇叭天线4和第二吸波材料12之间；第二圆锥喇叭天线4、第二耦合膜片9、第二吸波材料12三者的中心在横向上对齐；
矢量网络分析仪13的输出端通过电缆与第一扩展模块7相连，第一扩展模块7的输出端与第一圆锥喇叭天线8的波导端口相连，第一圆锥喇叭天线8和第二耦合膜片9二者的中心在纵向上对齐，第二圆锥喇叭天线4的波导端口和第二扩展模块6连接，第二扩展模块6的输出端与矢量网络分析仪13的输入端相连。
所述开放腔使太赫兹信号作用于高功率真空窗片材料2，通过调整第一光学镜面3与第二光学镜面的11之间的距离即开放腔的腔长使开放腔达到谐振状态；第一吸波材料1用于吸收自由空间中的电磁波防止其进入开放腔；
第一圆锥喇叭天线8用于发射太赫兹信号，第二耦合膜片9用于对第一圆锥喇叭天线8 的太赫兹信号进行分束、并将分束后的太赫兹信号传播到第一耦合膜片10，太赫兹信号通过第一耦合膜片10分束后给开放腔馈电；第一耦合膜片10用于给开放腔馈电、使太赫兹信号作用于开放腔产生谐振，将开放腔中谐振的太赫兹信号分束后传播给第二耦合膜片9，第二耦合膜片9分束后传播到第二圆锥喇叭天线4，所述第二圆锥喇叭天线4作为接收模块接收第二耦合膜片9分束的太赫兹信号；第二吸波材料12用于吸收自由空间中的电磁波防止其进入第二耦合膜片9；
所述第二扩展模块6用于对接收到的太赫兹信号进行放大以及滤波；所述第一扩展模块7 作为发射前端，用于在通电后产生高功率太赫兹信号并向第一圆锥喇叭天线8提供太赫兹信号。
所述第一圆锥喇叭天线8依次通过第二耦合膜片9和第一耦合膜片10的分束给开放腔馈电，太赫兹信号经过开放腔反射后又依次通过第一耦合膜片10和第二耦合膜片9的分束，被第二圆锥喇叭天线4接收。
所述第二圆锥喇叭天线4和第一圆锥喇叭天线8的波导端口为矩形波导，矩形波导选用 BJ1200标准型号，其中心频率为95GHz左右。
所述开放腔的曲率半径为140mm，开放腔的腔长选取在100mm—120mm之间。
所述高功率是指峰值功率大于1兆瓦。
所述高功率真空窗片材料为人造金刚石。
所述第一光学镜面3和第二光学镜面11为黄铜镀银镜面。
所述第一耦合膜片10和第二耦合膜片9选用聚四氟乙烯薄膜制作。
所述第一吸波材料1和第二吸波材料12选用铁氧体和石墨加氯丁橡胶制作。
本实施例还提供一种高功率真空窗片材料的电磁参数检测方法，包括如下步骤：由矢量网络分析仪13提供输入微波信号，第一扩展模块7对微波信号进行倍频，输出太赫兹信号，由第一圆锥喇叭天线8辐射太赫兹信号，该太赫兹信号被第二耦合膜片9和第一耦合膜片10 分束馈入开放腔，通过调整开放腔的腔长使开放腔产生谐振，太赫兹信号经开放腔反射后被第二耦合膜片9和第一耦合膜片10分束，由第二圆锥喇叭天线4接收，太赫兹信号传至第二扩展模块6处理，最后太赫兹信号输出到矢量网络分析仪13。分别对空腔进行测试以及加载高功率真空窗片后对开放腔进行测试，通过微调光学镜面的距离使开放腔谐振，计算机通过 GPIB电缆控制矢量网络分析仪，对数据进行采集分析。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种高功率真空窗片材料的电磁参数检测系统，其特征在于：包括矢量网络分析仪(13)、第一扩展模块(7)、第一圆锥喇叭天线(8)、开放腔、第二圆锥喇叭天线(4)、第二扩展模块(6)；
所述开放腔包括第一光学镜面(3)、第二光学镜面(11)，开放腔腔体内部用于放置高功率真空窗片材料(2)以及第一耦合膜片(10)；第一光学镜面(3)和第二光学镜面(11)的焦点在同一水平线上，该水平线为光轴，所述高功率真空窗片材料(2)横向上位于第一光学镜面(3)和第二光学镜面(11)之间，且高功率真空窗片材料(2)的中心位于所述光轴上；第一耦合膜片(10)的中心也在所述光轴上，所述第一耦合膜片(10)横向上位于高功率真空窗片材料(2)和第二光学镜面(11)之间，第一耦合膜片(10)与所述光轴成45°角度，第一耦合膜片(10)的上方为第一吸波材料(1)，第一耦合膜片(10)的下方为第二耦合膜片(9)，第一耦合膜片(10)、第一吸波材料(1)、第二耦合膜片(9)三者中心在纵向上对齐；
所述第二耦合膜片(9)和第一耦合膜片(10)平行位置，第二耦合膜片(9)的下方为第一圆锥喇叭天线(8)，第二耦合膜片(9)横向上位于第二圆锥喇叭天线(4)和第二吸波材料(12)之间；第二圆锥喇叭天线(4)、第二耦合膜片(9)、第二吸波材料(12)三者的中心在横向上对齐；
矢量网络分析仪(13)的输出端通过电缆与第一扩展模块(7)相连，第一扩展模块(7)的输出端与第一圆锥喇叭天线(8)的波导端口相连，第一圆锥喇叭天线(8)和第二耦合膜片(9)二者的中心在纵向上对齐，第二圆锥喇叭天线(4)的波导端口和第二扩展模块(6)连接，第二扩展模块(6)的输出端与矢量网络分析仪(13)的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的高功率真空窗片材料的电磁参数检测系统，其特征在于：
所述开放腔使太赫兹信号作用于高功率真空窗片材料(2)，通过调整第一光学镜面(3)与第二光学镜面的(11)之间的距离使开放腔达到谐振状态；第一吸波材料(1)用于吸收自由空间中的电磁波防止其进入开放腔；
第一圆锥喇叭天线(8)用于发射太赫兹信号，第二耦合膜片(9)用于对第一圆锥喇叭天线(8)的太赫兹信号进行分束、并将分束后的太赫兹信号传播到第一耦合膜片(10)，太赫兹信号通过第一耦合膜片(10)分束后给开放腔馈电；第一耦合膜片(10)用于给开放腔馈电、使太赫兹信号作用于开放腔产生谐振，将开放腔中谐振的太赫兹信号分束后传播给第二耦合膜片(9)，第二耦合膜片(9)分束后传播到第二圆锥喇叭天线(4)，所述第二圆锥喇叭天线(4)作为接收模块接收第二耦合膜片(9)分束的太赫兹信号；第二吸波材料(12)用于吸收自由空间中的电磁波防止其进入第二耦合膜片(9)；
所述第二扩展模块(6)用于对接收到的太赫兹信号进行放大以及滤波；所述第一扩展模块(7)作为发射前端，用于在通电后产生太赫兹信号并向第一圆锥喇叭天线(8)提供太赫兹信号。
3.根据权利要求1所述的高功率真空窗片材料的电磁参数检测系统，其特征在于：第一圆锥喇叭天线(8)依次通过第二耦合膜片(9)和第一耦合膜片(10)的分束给开放腔馈电，太赫兹信号经过开放腔反射后又依次通过第一耦合膜片(10)和第二耦合膜片(9)的分束，被第二圆锥喇叭天线(4)接收。
4.根据权利要求1所述的高功率真空窗片材料的电磁参数检测系统，其特征在于：第二圆锥喇叭天线(4)和第一圆锥喇叭天线(8)的波导端口为矩形波导。
5.根据权利要求1所述的高功率真空窗片材料的电磁参数检测系统，其特征在于：所述高功率是指峰值功率大于1兆瓦。
6.根据权利要求1所述的高功率真空窗片材料的电磁参数检测系统，其特征在于：高功率真空窗片材料为人造金刚石。
7.根据权利要求1所述的高功率真空窗片材料的电磁参数检测系统，其特征在于：第一光学镜面(3)和第二光学镜面(11)为黄铜镀银镜面。
8.根据权利要求1所述的高功率真空窗片材料的电磁参数检测系统，其特征在于：第一耦合膜片(10)和第二耦合膜片(9)为聚四氟乙烯。
9.根据权利要求1所述的高功率真空窗片材料的电磁参数检测系统，其特征在于：第一吸波材料(1)和第二吸波材料(12)为铁氧体和石墨加氯丁橡胶制作。
10.一种高功率真空窗片材料的电磁参数检测方法，使用权利要求1至9任意一项所述的检测系统，其特征在于包括如下步骤：由矢量网络分析仪(13)提供输入微波信号，第一扩展模块(7)对微波信号进行倍频，输出太赫兹信号，由第一圆锥喇叭天线(8)辐射太赫兹信号，该太赫兹信号被第二耦合膜片(9)和第一耦合膜片(10)分束馈入开放腔，通过调整开放腔的腔长使开放腔产生谐振，太赫兹信号经开放腔反射后被第二耦合膜片(9)和第一耦合膜片(10)分束，由第二圆锥喇叭天线(4)接收，太赫兹信号传至第二扩展模块(6)处理，最后太赫兹信号输出到矢量网络分析仪(13)。
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