CN113193312A

CN113193312A - 圆波导TE0n模式超宽带输出窗结构

Info

Publication number: CN113193312A
Application number: CN202110445488.9A
Authority: CN
Inventors: 王建勋; 李鑫杰; 卢泉宏; 万易鑫; 刘国; 罗勇
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2021-04-25
Filing date: 2021-04-25
Publication date: 2021-07-30
Anticipated expiration: 2041-04-25
Also published as: CN113193312B

Abstract

本发明公开了一种圆波导TE_0n模式超宽带输出窗结构，属于微波电真空器件领域。该结构包括圆波导、设置于圆波导中部的介质窗，介质窗两侧面对称设置有若干个同心环槽，且各同心环槽的中心与介质窗的中心重合。本发明利用同心环槽的结构特性等效为均匀介质层，通过调整同心环槽的尺寸来优化等效介质层的介电常数，优化中间层和两侧等效介质层的厚度，调整微波经过窗片时的相位变化，能够产生类似传统三层窗的相位匹配关系，从而实现宽带匹配，使得微波的反射在宽频带范围内叠加相消，拓展了工作带宽。并且对于TE_0n模式，使用同心环槽加载，还能够实现优异的杂模抑制性能。

Description

圆波导TE0n模式超宽带输出窗结构

技术领域

本发明属于微波电真空器件领域，涉及一种用于微波回旋管的输出装置，具体为一种同心环槽超材料加载的圆波导输出窗结构。

背景技术

微波电真空器件能够实现将运动电子的动能转换为微波能量，被广泛应用于雷达、电子对抗、卫星通信、加速器、微波加热、微波遥感、加速器等领域。电子在真空中与微波发生互作用，发生速度调制，位置群聚，放出自身能量，都需要严格保持内部的高真空状态。为了在实现高真空环境的同时保证无损耗地传输微波，必须使用输出窗隔离外部空气环境与内部真空环境。

输出窗是微波电真空器件等微波电子系统的关键部件之一，输出窗的好坏将直接影响到器件的整体性能。输出窗由介质材料构成，微波穿过输出窗时会引入反射，若反射能量过大将会引起寄生模式振荡，干扰系统的正常工作。同时，介质本身存在介质损耗，微波穿过输出窗时会产生热损耗。温度分布与传输模式的场分布、散热情况相关，窗片的温度分布不均匀会产生热应力，输出窗工作于过高功率时,容易因应力过大而破损，破坏内部的真空环境。因此，大功率器件输出窗的散热能力制约着器件输出功率的进一步提高。输出窗的主要性能指标有：带宽、功率容量、模式纯度等。

目前广泛使用的TE_0n模式输出窗有单层窗和多层窗等。对于典型的单层窗片结构，窗片两侧分别为真空和大气环境。单层窗片结构仅有一个最佳匹配点，即二分之波导波长，带宽很窄约6％。增加窗片层数，可以提升微波反射性能，但传输损耗和热损耗也随之增加。双层窗片的相对带宽约12％，三层窗片的相对带宽约16％。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种新型超宽带TE_0n模式输出窗。通过在介质窗两侧加载同心环槽超材料结构，引入了额外的反射，经过反射叠加相消，有效地降低了输出窗对微波的反射，显著提高了输出窗的工作带宽。

本发明的技术方案如下：

一种圆波导TE_0n模式超宽带输出窗结构，包括圆波导、设置于圆波导中部的介质窗，其特征在于，所述介质窗两侧面对称设置有若干个同心环槽，且各同心环槽的中心与介质窗的中心重合。

优选地，所述两侧面的同心环槽之间的间距一致，一侧同心环槽的数量取值范围为5～20。

优选地，所述各同心环槽的槽深度一致，取值为λ_g2/4；槽宽一致取值范围为λ_g2/8～λ_g2/4；槽间距也一致，取值范围为λ_g2/8～λ_g2/4；其中，λ_g2为同心环槽构成的等效介质层波导波长。

优选地，所述介质窗的中间层的厚度为λ_g1*M/2，其中M＝1，2，3…，λ_g1为介质窗中间层的波导波长，介质窗的材料为蓝宝石、金刚石、氧化铍、或氮化硼等适用于大功率毫米波领域的材料。

本发明通过在介质窗两侧面开多个半径不同的同心环槽，利用同心环槽的结构特性等效为均匀介质层，利用多层介质窗理论，通过调整同心环槽的尺寸来优化等效介质层的介电常数，优化中间层和两侧等效介质层的厚度，调整微波经过窗片时的相位变化，能够产生类似传统三层窗的相位匹配关系，从而实现宽带匹配，使得微波的反射在宽频带范围内叠加相消，拓展了工作带宽。并且对于TE₀₁模式，使用同心环槽加载，能够实现优异的杂模抑制性能。对于其他的具有类似场分布的工作模式，例如TE_0n模式，本发明同样适用。因此可以在宽频带范围内实现良好匹配。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1.本发明提出的新型超宽带TE_0n模式输出窗，能够非常显著地提高输出窗的工作带宽，并且适用于多种频段的TE_0n模式输出窗带宽提升。

2.本发明提出的新型超宽带TE_0n模式输出窗，整体结构可以视为单窗片结构，在校准、装配难度上比多窗片结构有所降低，具有较高的实用价值。

3.本发明提出的新型超宽带TE_0n模式输出窗，可以在一定程度上抑制介质表面闪络现象，降低输出窗由于二次电子发射导致的电击穿风险。

附图说明

附图1为传统单层输出窗和双层输出窗纵向剖面示意图。

附图2为本方案设计的输出窗纵向剖面示意图。

附图3为本方案设计的输出窗透视图和单元结构。

附图4为本方案对应结构的横向剖面示意图。

附图5为本方案采用耦合波理论的计算结果。

附图6为本方案的三维仿真结果。

附图标号说明：标号1表示介质窗，标号2表示圆波导，标号3表示同心环槽。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的目的、特征和优点，下面结合具体实施例对本发明的输出窗进行详细说明，在实施例中所限定的参数条件以及环境条件仅为示意，本领域技术人员在本发明的基础上对其进行调整依旧属于本发明的保护范围。

如附图1所示，分别是传统回旋行波管所使用的单层输出窗和双层输出窗纵向剖面示意图，均匀介质窗焊接在圆波导2当中，由于单层输出窗和双层输出窗的窗片1的厚度是半波长的整数倍，相对带宽非常窄，单层窗片带宽约6％，双层窗片的相对带宽约12％，不适用于宽频带，大功率的应用场景。

本实施例的新型超宽带TE_0n模式输出窗，能够显著提升带宽，如图2所示，包括：包括圆波导(2)、设置于圆波导中部的介质窗(1)，介质窗两侧面对称各设置有10个同心环槽(3)，各同心环槽的中心与介质窗的中心重合。

根据所需的频段和带宽需求，可以对窗片的材料、厚度、以及周期性排列的同心圆环槽的宽度、深度、周期等参数进行优化调整，得到满足条件的传输系数和反射系数，使得微波能够在宽频带范围内实现低损耗，高传输的特性。

图3、图4给出了本实施例的介质窗的相关参数，圆波导直径Φ为22mm，介质窗材料为氧化铍材料，相对介电常数为6.7。为了增加焊接可靠性，同时增加结构的机械强度，将介质窗挖槽后的厚度L2加厚了二分之一波长，得到L2为1.34mm；同心环槽的数量n＝10，同心环槽的间距d为0.18mm，槽深L1为0.59mm，周期p为1.05mm，最内侧圆形槽的半径为1.03mm，工作模式为TE₀₁模式。

图5、图6给出了本实施例的理论结果和三维电磁仿真软件结果，S₁₁即反射系数，S₂₁即传输系数。如图6所示，S₁₁在77GHz、89GHz和101GHz处为完美匹配点，此时反射系数最小，S₁₁小于-30dB的带宽为75GHz到102GHz，小于-20dB的带宽为73GHz到105GHz，相对带宽达到36％。

以上实例仅为方便说明本发明方案，通过改变本发明方案中所提及的各个参数、使用本发明方案的思路流程，均属于本发明所保护的范畴。

Claims

1.一种圆波导TE_0n模式超宽带输出窗结构，包括圆波导、设置于圆波导中部的介质窗，其特征在于，所述介质窗两侧面对称设置有若干个同心环槽，且各同心环槽的中心与介质窗的中心重合。

2.如权利要求1所述的一种圆波导TE_0n模式超宽带输出窗结构，其特征在于，所述两侧面的同心环槽之间的间距一致，一侧同心环槽的数量取值范围为5～20。

3.如权利要求1所述的一种圆波导TE_0n模式超宽带输出窗结构，其特征在于，所述各同心环槽的槽深度一致，取值为λ_g2/4；槽宽一致取值范围为λ_g2/8～λ_g2/4；槽间距也一致，取值范围为λ_g2/8～λ_g2/4；其中，λ_g2为同心环槽构成的等效介质层波导波长。

4.如权利要求1或3所述的一种圆波导TE_0n模式超宽带输出窗结构，其特征在于，所述介质窗的中间层的厚度为λ_g1*M/2，其中M＝1，2，3…，λ_g1为介质窗中间层的波导波长。

5.如权利要求1所述的一种圆波导TE_0n模式超宽带输出窗结构，其特征在于，介质窗的材料为蓝宝石、或金刚石、或氧化铍、或氮化硼。