CN112615119B - 一种微波水负载 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波水负载，属于微波应用技术领域，包括波导段、水负载段和两个微波参数变化介质板；所述波导段后端设有水负载段；两个微波参数变化介质板相对设置在波导段两个窄边内壁上；所述水负载段包括金属外壳、陶瓷隔断面、进水口和出水口；所述金属外壳安装在波导段后端，且金属外壳内设有从进水口进并从出水口出的流动的冷却液；所述陶瓷隔断面用于隔断波导段内部和金属外壳内部；所述微波参数变化介质板由前到后材料的相对介电常数渐变递增，使微波在波导段内单向传播至水负载段。本发明的一种微波水负载，在冷却液温度升高时也能保持对微波能的高效吸收，使冷却液在大范围流速和温度区间里水负载均能正常工作。

Description

一种微波水负载

技术领域

本发明属于微波应用技术领域，具体地说涉及一种微波水负载。

背景技术

在大功率微波工业应用系统中，微波传输过程中或多或少会存在反射。因此工业应用中常常使用环行器和水负载对微波进行吸收，以保护微波源。水负载作为一种常用的终端匹配负载，主要是由波导传输段及微波吸收腔体段组成，波导传输段使用销钉进行阻抗变换，保证负载端与波导微波传输匹配，吸收腔体内为冷却液流动的水室，在水室和金属腔体间采用密封圈密封。波导内传输的微波通过水室内流动的冷却液来吸收，转变成热能。负载吸收的功率越大，吸收腔内温度就越高，冷却液温度上升越快，冷却液需保持一定的流量来满足功率容量要求，否则水负载温度上升过高，微波吸收将变差。水负载驻波迅速增大而无法满足使用要求，吸收腔和水室需要在一定流量的水压下安全工作。

现有的水负载的传输匹配依赖于销钉，但是销钉存在匹配盲区，不能满足水介电常数的大范围变动。但水负载中水温变化，会导致阻抗不匹配，对微波能的吸收作用减弱，进而对微波源的保护能力减弱。功率和水的流速会影响水负载对微波的吸收能力，使冷却液在大范围流速和温度区间里存在水负载可能无法正常工作的问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足之处提供一种微波水负载，拟解决如何使冷却液在大范围流速、流速不均匀，冷却液掺杂气泡及冷却液温度变化区间大时，使水负载均能保持对微波能的高效吸收等问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种微波水负载，包括波导段1、水负载段2和两个微波参数变化板3；所述波导段1后端设有水负载段2；两个微波参数变化板3相对设置在波导段1两个窄边内壁上；所述水负载段2包括金属外壳4、陶瓷隔断面5、进水口6和出水口7；所述金属外壳4安装在波导段1后端，且金属外壳4内设有从进水口6进并从出水口7出的流动的冷却液；所述陶瓷隔断面5用于隔断波导段1内部和金属外壳4内部；所述微波参数变化板3由前到后材料的相对介电常数渐变递增，使微波在波导段1内单向传播至水负载段2。由上述结构可知，微波从波导段1进入水负载段2，由于两个微波参数变化板3相对设置在波导段1两个窄边内壁上，所以微波只能单向传播至水负载段2，而无法返回至微波源。微波透过陶瓷隔断面5，进入金属外壳4内，金属外壳4内设有从进水口6进并从出水口7出的流动的冷却液，对反射的微波能进行高效吸收。微波参数变化板3特殊结构使微波只进不出，减少反射微波回到微波源，以保护微波源。微波参数变化板3提高了微波能量的吸收率，使微波能高效吸收、利用。由于微波参数变化板3自身的特性，微波只能单向传播，无法反向传输，直至微波完全被吸收。微波参数变化板3之所以能够实现微波只进不出，是因为微波参数变化板3由前到后材料的相对介电常数渐变递增，这种递增可以是连续光滑的渐变递增也可以是阶梯式的渐变递增，即微波参数变化板3最前端的材料部分相对介电常数最小，微波参数变化板3最后端的材料部分相对介电常数最大，使微波经过设有微波参数变化板3的波导段1时只会单向传播。这样就可以省去销钉的调配，不需要进行水负载的阻抗匹配，即便因为功率大了，温升太高，冷却液的介电特性发生变化，微波吸收能力也不会下降。本发明的一种微波水负载，能够应对大范围的功率容量，即便冷却液温度变化大，由于微波参数变化板3单向传播微波的特性，所以本水负载可以保持对微波能的高效吸收。所述窄边内壁为波导段横截面的窄边所在面的内壁。

进一步的，所述微波参数变化板3在长度方向远离水负载段2的起始点坐标为x₀，靠近水负载段2的终点坐标为x_L；所述微波参数变化板3在长度方向的各位置点的相对介电常数构成阶梯函数，位置点的坐标为x，其中x_L＞x＞x₀；阶梯函数的每个阶梯和另构建的理论函数

相交；在方程中：ε′(x)表示相对介电常数随位置变化的理论函数，n(x)表示折射率随位置变化的理论函数，K为常数，K值决定了折射率的变化率和介电常数的变化率，K通过电磁仿真优化得到，k0为电磁波的波束，d为微波参数变化板3的厚度。由上述结构可知，现有理论中电磁波遇到微波参数变化板3会产生额外的相位突变，并且这个突变相位在界面方向是连续变化的，电磁波多次经过微波参数变化板3逐渐变化成表面波，从而实现了电磁波的单透传播，电磁波在微波参数变化板3上满足如下分布：对于TE波满足：

在方程中：

为电场强度，ε0为真空介电常数，μ0为真空中的磁导率，ω为电磁波的角频率，x为微波参数变化板3的相对起始位置的坐标，即波导中某一点的位置，微波参数变化板3的起始位置x为0，单位为m，ε(x)表示在微波参数变化板3在x位置的介电常数，μ(x)表示渐变折射率微波参数变化在x位置的磁导率。微波参数变化板3通过一定形式的弱化和牺牲微波参数变化板3的部分功能的方法来保证微波参数变化板3的电容量张量和磁导率张量相同，弱化和牺牲微波参数变化板3的部分功能是指牺牲了磁导率随位置的变化，并且将介电常数随位置的连续变化弱化为介电常数随位置离散变化，弱化后微波参数变化板3材料的介电系数函数为：

即微波参数变化板3长度方向的各位置点的相对介电常数都不一样。然而实际上这样的介电常数连续变化很难实现，本发明采用微波参数变化板3在长度方向的各位置点的相对介电常数呈阶梯变化而非连续变化，该阶梯变化的阶梯函数趋近函数

既能够组成由前到后材料的相对介电常数渐变递增的微波参数变化板3。例如在坐标为x1～x2段的微波参数变化板3部分，采用同样的相对介电常数[ε′(x1)+ε′(x2)]/2，呈现在坐标系上是横坐标在x1～x2，纵坐标均为[ε′(x1)+ε′(x2)]/2的水平线段，这个线段和函数

相交，这个线段即阶梯函数的一个阶梯。相对介电常数是通过控制占空比实现的。

进一步的，所述微波参数变化板3包括若干个从前往后依次排列的介质面板；靠前的介质面板的相对介电常数小于靠后的介质面板的相对介电常数；每个介质面板的各位置点的相对介电常数构成的函数段对应阶梯函数的一个阶梯。由上述结构可知，每个位置的介质面板的相对介电常数对应阶梯函数的一个阶梯。靠前的介质面板的相对介电常数小于靠后的介质面板的相对介电常数，由前到后材料的相对介电常数渐变递增的微波参数变化板3采用若干个从前往后依次排列的介质面板，便于微波参数变化板3的加工和通过现有理论进行计算和试验验证。

进一步的，所述介质面板上设有贯穿介质面板顶部和底部的凹槽8。由上述结构可知，通过介质面板上设有贯穿介质面板顶部和底部的凹槽8，可以改变介质面板的相对介电常数。

进一步的，靠前的介质面板的凹槽8截面大于靠后的介质面板的凹槽8截面。由上述结构可知，介质面板的凹槽8截面越大，则介质面板的相对介电常数越小，介质面板的凹槽8截面越小，则介质面板的相对介电常数越大，由前到后介质面板的凹槽8截面越来越小，由前到后材料的相对介电常数渐变递增。

进一步的，所述微波参数变化板3的厚度为8mm。由上述结构可知，8mm厚度的微波参数变化板3便于加工。

进一步的，所述金属外壳4内设有若干个垂直陶瓷隔断面5的挡板9；相邻的挡板9相错开，使冷却液在金属外壳4呈S形流动。由上述结构可知，相邻的挡板9相错开，使冷却液在金属外壳4呈S形流动，延长了冷却液对微波的吸收时间和增加了冷却液对微波的吸收效率，确保冷却液的充分流动，减少水流的的死角。

本发明的有益效果是：

本发明公开了一种微波水负载，属于微波应用技术领域，包括波导段、水负载段和两个微波参数变化板；所述波导段后端设有水负载段；两个微波参数变化板相对设置在波导段两个窄边内壁上；所述水负载段包括金属外壳、陶瓷隔断面、进水口和出水口；所述金属外壳安装在波导段后端，且金属外壳内设有从进水口进并从出水口出的流动的冷却液；所述陶瓷隔断面用于隔断波导段内部和金属外壳内部，并进行波导传输段与冷却液吸收段的电磁波传输匹配；所述微波参数变化板由前到后材料的相对介电常数渐变递增，使微波在波导段内单向传播至水负载段。本发明的一种微波水负载，在冷却液温度大范围变化、水不均匀流动、以及冷却液掺杂气泡时均能保持对微波能的高效吸收，使冷却液在大范围流速和温度区间里水负载均能正常工作。

附图说明

图1是本发明新型微波水负载结构示意图，该视角为俯视剖开图，当从左往右看才是波导段横截面形状；

附图中：1-波导段、2-水负载段、3-微波参数变化板、4-金属外壳、5-陶瓷隔断面、6-进水口、7-出水口、8-凹槽、9-挡板。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式，对本发明进一步详细说明，但是本发明不局限于以下实施例。

实施例一：

见附图1。一种微波水负载，包括波导段1、水负载段2和两个微波参数变化板3；所述波导段1后端设有水负载段2；两个微波参数变化板3相对设置在波导段1两个窄边内壁上；所述水负载段2包括金属外壳4、陶瓷隔断面5、进水口6和出水口7；所述金属外壳4安装在波导段1后端，且金属外壳4内设有从进水口6进并从出水口7出的流动的冷却液；所述陶瓷隔断面5用于隔断波导段1内部和金属外壳4内部；所述微波参数变化板3由前到后材料的相对介电常数渐变递增，使微波在波导段1内单向传播至水负载段2。由上述结构可知，微波从波导段1进入水负载段2，由于两个微波参数变化板3相对设置在波导段1两个窄边内壁上，所以微波只能单向传播至水负载段2，而无法返回至微波源。微波透过陶瓷隔断面5，进入金属外壳4内，金属外壳4内设有从进水口6进并从出水口7出的流动的冷却液，对反射的微波能进行高效吸收。微波参数变化板3特殊结构使微波只进不出，减少反射微波回到微波源，以保护微波源。微波参数变化板3提高了微波能量的吸收率，使微波能高效吸收、利用。由于微波参数变化板3自身的特性，微波只能单向传播，无法反向传输，直至微波完全被吸收。微波参数变化板3之所以能够实现微波只进不出，是因为微波参数变化板3由前到后材料的相对介电常数渐变递增，这种递增可以是连续光滑的渐变递增也可以是阶梯式的渐变递增，即微波参数变化板3最前端的材料部分相对介电常数最小，微波参数变化板3最后端的材料部分相对介电常数最大，使微波经过设有微波参数变化板3的波导段1时只会单向传播。这样就可以省去销钉的调配，不需要进行水负载的阻抗匹配，即便因为功率大了，温升太高，冷却液的介电特性发生变化，微波吸收能力也不会下降。本发明的一种微波水负载，能够应对大范围的功率容量，即便冷却液温度变化大，由于微波参数变化板3单向传播微波的特性，所以本水负载可以保持对微波能的高效吸收。

实施例二：

见附图1。在实施例一的基础上，所述微波参数变化板3在长度方向远离水负载段2的起始点坐标为x₀，靠近水负载段2的终点坐标为x_L；所述微波参数变化板3在长度方向的各位置点的相对介电常数构成阶梯函数，位置点的坐标为x，其中x_L＞x＞x₀；阶梯函数的每个阶梯和另构建的理论函数

相交；在方程中：ε′(x)表示相对介电常数随位置变化的理论函数，n(x)表示折射率随位置变化的理论函数，K为常数，K值决定了折射率的变化率和介电常数的变化率，K通过电磁仿真优化得到，k0为电磁波的波束，d为微波参数变化板3的厚度。由上述结构可知，现有理论中电磁波遇到微波参数变化板3会产生额外的相位突变，并且这个突变相位在界面方向是连续变化的，电磁波多次经过微波参数变化板3逐渐变化成表面波，从而实现了电磁波的单透传播，电磁波在微波参数变化板3上满足如下分布：对于TE波满足：

在方程中：

为电场强度，ε0为真空介电常数，μ0为真空中的磁导率，ω为电磁波的角频率，x为微波参数变化板3的相对起始位置的坐标，即波导中某一点的位置，微波参数变化板3的起始位置x为0，单位为m，ε(x)表示在微波参数变化板3在x位置的介电常数，μ(x)表示渐变折射率微波参数变化在x位置的磁导率。微波参数变化板3通过一定形式的弱化和牺牲微波参数变化板3的部分功能的方法来保证微波参数变化板3的电容量张量和磁导率张量相同，弱化和牺牲微波参数变化板3的部分功能是指牺牲了磁导率随位置的变化，并且将介电常数随位置的连续变化弱化为介电常数随位置离散变化，弱化后微波参数变化板3材料的介电系数函数为：

即微波参数变化板3长度方向的各位置点的相对介电常数都不一样。然而实际上这样的介电常数连续变化很难实现，本发明采用微波参数变化板3在长度方向的各位置点的相对介电常数呈阶梯变化而非连续变化，该阶梯变化的阶梯函数趋近函数

既能够组成由前到后材料的相对介电常数渐变递增的微波参数变化板3。例如在坐标为x1～x2段的微波参数变化板3部分，采用同样的相对介电常数[ε′(x1)+ε′(x2)]/2，呈现在坐标系上是横坐标在x1～x2，纵坐标均为[ε′(x1)+ε′(x2)]/2的水平线段，这个线段和函数

相交，这个线段即阶梯函数的一个阶梯。相对介电常数是通过控制占空比实现的。

实施例三：

见附图1。在实施例二的基础上，所述微波参数变化板3包括若干个从前往后依次排列的介质面板；靠前的介质面板的相对介电常数小于靠后的介质面板的相对介电常数；每个介质面板的各位置点的相对介电常数构成的函数段对应阶梯函数的一个阶梯。由上述结构可知，每个位置的介质面板的相对介电常数对应阶梯函数的一个阶梯。靠前的介质面板的相对介电常数小于靠后的介质面板的相对介电常数，由前到后材料的相对介电常数渐变递增的微波参数变化板3采用若干个从前往后依次排列的介质面板，便于微波参数变化板3的加工和通过现有理论进行计算和试验验证。

所述介质面板上设有贯穿介质面板顶部和底部的凹槽8。由上述结构可知，通过介质面板上设有贯穿介质面板顶部和底部的凹槽8，可以改变介质面板的相对介电常数。

靠前的介质面板的凹槽8截面大于靠后的介质面板的凹槽8截面。由上述结构可知，介质面板的凹槽8截面越大，则介质面板的相对介电常数越小，介质面板的凹槽8截面越小，则介质面板的相对介电常数越大，由前到后介质面板的凹槽8截面越来越小，由前到后材料的相对介电常数渐变递增。

所述微波参数变化板3的厚度为8mm。由上述结构可知，8mm厚度的微波参数变化板3便于加工。

所述金属外壳4内设有若干个垂直陶瓷隔断面5的挡板9；相邻的挡板9相错开，使冷却液在金属外壳4呈S形流动。由上述结构可知，相邻的挡板9相错开，使冷却液在金属外壳4呈S形流动，延长了冷却液对微波的吸收时间和增加了冷却液对微波的吸收效率，确保冷却液的充分流动，减少水流的的死角。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种微波水负载，其特征在于：包括波导段(1)、水负载段(2)和两个微波参数变化介质板(3)；所述波导段(1)后端设有水负载段(2)；两个微波参数变化介质板(3)相对设置在波导段(1)两个窄边内壁上；所述窄边内壁为波导段横截面视角的窄边所在面的内壁；所述水负载段(2)包括金属外壳(4)、陶瓷隔断面(5)、进水口(6)和出水口(7)；所述金属外壳(4)安装在波导段(1)后端，且金属外壳(4)内设有从进水口(6)进并从出水口(7)出的流动的冷却液；所述陶瓷隔断面(5)用于隔断波导段(1)内部和金属外壳(4)内部；所述微波参数变化介质板(3)由前到后材料的相对介电常数渐变递增，使微波在波导段(1)内单向传播至水负载段(2)；所述微波参数变化介质板(3)包括若干个从前往后依次排列的介质面板；靠前的介质面板的相对介电常数小于靠后的介质面板的相对介电常数；每个介质面板的各位置点的相对介电常数构成的函数段对应阶梯函数的一个阶梯；所述金属外壳(4)内设有若干个垂直陶瓷隔断面(5)的挡板(9)；相邻的挡板(9)相错开，使冷却液在金属外壳(4)呈S形流动。

2.根据权利要求1所述的一种微波水负载，其特征在于：所述微波参数变化介质板(3)在长度方向远离水负载段(2)的起始点坐标为x₀，靠近水负载段(2)的终点坐标为x_L；所述微波参数变化介质板(3)在长度方向的各位置点的相对介电常数构成阶梯函数，位置点的坐标为x，其中x_L＞x＞x₀；阶梯函数的每个阶梯和另构建的理论函数

相交；在方程中：ε′(x)表示相对介电常数随位置变化的理论函数，n(x)表示折射率随位置变化的理论函数，K为常数，K值决定了折射率的变化率和介电常数的变化率，K通过电磁仿真优化得到，k₀为电磁波的波束，d为微波参数变化介质板(3)的厚度。

3.根据权利要求2所述的一种微波水负载，其特征在于：所述介质面板上设有贯穿介质面板顶部和底部的凹槽(8)。

4.根据权利要求3所述的一种微波水负载，其特征在于：靠前的介质面板的凹槽(8)截面大于靠后的介质面板的凹槽(8)截面。

5.根据权利要求2所述的一种微波水负载，其特征在于：所述微波参数变化介质板(3)的厚度为8mm。

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