CN113839164B - 一种大功率y结型波导环形器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大功率Y结型波导环形器，所述的Y结型环形器由一个铁氧体加载的中心圆形腔区域、三个相交120度的波导和可移动阶梯状的匹配结构所构成；本发明可用于微波射频信号的隔离、环形、方向改变和微波射频器件的保护，且保证传输特性好、泄露小、插损低；通过设有的金属铜散热盘，铁氧体温度传递到金属铜散热盘表面使得金属铜散热盘温度升高，此时将冷却水通入进水管内部，并流入到金属铜散热盘中沿着水道流动带走热量，冷却水通过连通管分为两路，分别进入两个金属铜水管中并流入到金属散热盘内部，最终汇流到连通管内部，通过连通管中部连接的出水管流出，实现散热；并且可移动阶梯状的匹配结构为金属铝合金的阶梯匹配块，方便调节，使端口具有良好的匹配性能。

Description

一种大功率Y结型波导环形器

技术领域

本发明涉及波导环形器技术领域，具体为一种大功率Y结型波导环形器。

背景技术

中国科学院高能物理研究所设计的用于硼中子治癌设备(BNCT)的射频功率源需要用环形器加以保护，防止大功率反射造成核心器件损坏。BNCT功率源核心器件的稳定运行对整个治疗系统具有决定性作用，一款可靠稳定的环形器是保证核心器件安全工作的关键。

大功率环行器是微波射频系统中非常重要的一个器件。当负载驻波比较高时，会导致输出窗打火，损坏功率器件。由于BNCT应用中，负载的特性是大范围变化的，所以会对功率源的工作状态造成很大的波动，为了减少这样的影响，会在功率源与负载之间插入环行器。为了适应实际应用中苛刻的负载变化特性，大功率环行器不但要能够承受住比较大的入射功率，并且要求具备能够24小时承受全反射功率的能力。另外环行器的插入损耗也是非常重要的一个指标，因为插入损耗直接决定了环行器铁氧体吸收的功率大小，吸收功率越多，铁氧体的温度就会越高，这不但对环行器的散热单元带来很大的负担而且当温度过高时环行器的性能会迅速恶化，造成系统不稳定。通过对铁氧体材料的选择、结构的优化设计等，实现环行器可24小时承受全反射并且插入损耗小于0.2dB，在20℃～60℃范围内都具有良好的指标特性。

目前现有的环形器不具有降温的功能，在高连续功率情况下会发生铁氧体过温导致失去旋磁效应，如果器件本身损耗很大会造成功率的反射增大，器件烧毁等现象，且传统的环形器不便于匹配连接。

发明内容

针对目前在大功率Y结型波导环形器的铁氧体安装、冷却形式和环形器的匹配方式上存在的技术不足，本发明的目的在于提供一种大功率Y结型波导环形器，以解决上述背景技术提出的现有的环形器不具有降温的功能，在高连续功率情况下会发生铁氧体过温导致失去旋磁效应，且传统的环形器不便于匹配连接的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种大功率Y结型波导环形器，所述Y结型环形器由一个铁氧体加载的中心圆形腔区域、三个相交120度的波导和可移动阶梯状的匹配结构所构成。

一种大功率Y结型波导环形器，包括波导，所述波导的外部四周固定连接有若干不锈钢支撑柱，所述不锈钢支撑柱的两端均通过螺杆固定连接有磁屏蔽板，两块所述磁屏蔽板与波导对应表面均固定连接有导电线圈，所述波导的内部设有金属铜散热盘，所述波导的内壁还安装有匹配结构。

为了使得进行散热，作为本发明一种优选方案：所述金属铜散热盘设置有两个且金属铜散热盘的内部开设有水道，两个所述金属铜散热盘的一端均固定连接有第一金属铜水管，两个所述第一金属铜水管的一端穿插延伸至波导的外壁且共同连接有第一分水管，所述第一分水管的表面固定连接有进水管。

为了使得将冷却水循环排出，作为本发明一种优选方案：两个所述金属铜散热盘的另一端两侧均固定连接有一组第二金属铜水管，两组所述第二金属铜水管的一端均穿插延伸至波导的外壁且固定连接有第二分水管，两个所述第二分水管之间通过连通管固定连接，所述连通管的中部固定连接有出水管。

为了使得便于匹配连接，作为本发明一种优选方案：所述匹配机构包括开设在波导的内壁的三个长孔，所述长孔的内部滑动设有固定螺钉，所述固定螺钉的一端固定连接有阶梯匹配块，所述阶梯匹配块通过固定螺钉滑动连接在长孔内部。

为了使得防止大功率时出现打火，作为本发明一种优选方案：所述金属铜散热盘的两面均通过硅胶粘接有铁氧体，两个所述金属铜散热盘之间相距一定的距离。

为了使得方便使用，所述铁氧体采用石榴石型材料，铁氧体由多个小铁氧体块组合而成，通过硅橡胶与金属铜散热盘粘接。

为了使得增加磁场强度，作为本发明一种优选方案：所述导电线圈的中部安装有磁钢。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明公开了一种大功率Y结型波导环形器，可用于微波射频信号的隔离、环形、方向改变和微波射频器件的保护，且保证传输特性好、泄露小、插损低。

(2)本发明主要通过设有的金属铜散热盘，铁氧体温度传递到金属铜散热盘表面使得金属铜散热盘温度升高，此时将冷却水通入进水管内部，并流入到金属铜散热盘中沿着水道流动带走热量，冷却水进入第二金属铜水管中并流入到第二分水管内部，最终汇流到连通管内部，通过连通管中部连接的出水管流出，实现散热；

(3)本发明通过设有的匹配机构，匹配结构为金属铝合金的阶梯匹配块，一共设置有三个，阶梯匹配块可以随着底部连接的固定螺钉在长孔内部移动，方便调节，使端口具有良好的匹配性能。

附图说明

图1为本发明的主视结构示意图；

图2为本发明的内部结构示意图；

图3为本发明的金属铜散热盘剖面结构示意图；

图4为本发明的阶梯匹配块安装结构示意图。

图5为本发明的工作原理图。

图中：1、波导；2、不锈钢支撑柱；3、磁屏蔽板；4、导电线圈；5、金属铜散热盘；51、第一金属铜水管；52、第二金属铜水管；6、第一分水管；7、进水管；8、第二分水管；9、连通管；10、出水管；11、长孔；12、固定螺钉；13、阶梯匹配块；14、铁氧体；15、磁钢。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：

一种大功率Y结型波导环形器，Y结型环形器由一个铁氧体14加载的中心圆形腔区域、三个相交120度的波导1和可移动阶梯状的匹配结构所构成。

一种大功率Y结型波导环形器，包括波导1，波导1的外部四周固定连接有若干不锈钢支撑柱2，不锈钢支撑柱2的两端均通过螺杆固定连接有磁屏蔽板3，两块磁屏蔽板3与波导1对应表面均固定连接有导电线圈4，波导1的内部设有金属铜散热盘5，波导1的内壁还安装有匹配结构。

在本实施例中：金属铜散热盘5设置有两个且金属铜散热盘5的内部开设有水道，两个金属铜散热盘5的一端均固定连接有第一金属铜水管51，两个第一金属铜水管51的一端穿插延伸至波导1的外壁且共同连接有第一分水管6，第一分水管6的表面固定连接有进水管7，两个金属铜散热盘5的另一端两侧均固定连接有一组第二金属铜水管52，两组第二金属铜水管52的一端均穿插延伸至波导1的外壁且固定连接有第二分水管8，两个第二分水管8之间通过连通管9固定连接，连通管9的中部固定连接有出水管10。

具体使用时：当吸收功率越多，铁氧体14的温度就会越高，铁氧体14温度传递到金属铜散热盘5表面使得金属铜散热盘5温度升高，此时将冷却水通入进水管7内部，通过进水管7流入到第一分水管6内部，再由第一分水管6分流到第一金属铜水管51中，冷却水通过第一金属铜水管51进入到两个金属铜散热盘5中，由于金属铜散热盘5内部开设有水道使得冷却水在流通过程中吸收金属铜散热盘5的热量对其进行降温，冷却水流经金属铜散热盘5另一端时进入到第二金属铜水管52中并流入到第二分水管8内部，最终汇流到连通管9内部，通过连通管9中部连接的出水管10流出，实现冷却散热，降低铁氧体14的温度保证稳定运行。

在本实施例中：匹配机构包括开设在波导1的内壁的三个长孔11，长孔11的内部滑动设有固定螺钉12，固定螺钉12的一端固定连接有阶梯匹配块13，阶梯匹配块13通过固定螺钉12滑动连接在长孔11内部。

具体使用时：匹配结构为金属铝合金的阶梯匹配块13，共有三个，阶梯匹配块13可以随着固定螺钉12在长孔11内部移动，方便调节，使端口具有良好的匹配性能。

在本实施例中：金属铜散热盘5的两面均通过硅胶粘接有采用石榴石型材料的铁氧体14，更具体的是采用石榴石系列(YIG)铁氧体块，两个金属铜散热盘5之间相距一定的距离。

具体使用时：金属铜散热盘5的两面粘接的铁氧体14属于半导体，它是作为磁性介质而被利用，两个金属铜散热盘5之间留出足够的距离防止大功率工作时出现打火。

在本实施例中：导电线圈4的中部安装有磁钢15。

具体使用时：导电线圈4中间安装有磁钢15，其作用是增加磁场强度，磁钢15把导电线圈4周围的磁力线都集中，从磁钢15中流通，磁屏蔽板3安装在导电线圈4和磁钢15的外侧，作用主要有：减少外部磁场对环形器偏置磁场的影响，保护环形器周围微波射频器件不受环形器磁场的影响，提供一个低磁阻通道提高环形器磁路效率，减小磁体尺寸。

本发明的一种大功率Y结型波导环形器，Y结型环形器由一个铁氧体加载的中心圆形腔区域、三个相交120度的波导1和可移动阶梯状的匹配结构所构成；如图5所示，微波铁氧体的原理是在外加恒稳磁场时铁氧体处于磁化状态，铁氧体对左旋磁场和右旋磁场呈现出不同的磁导率，那么TM110模的驻波场将会向一个方向旋转，使得微波射频信号只能向一个方向传输。

环形器入射波、反射波，传输系数和反射系数关系如式(1)所示：

环形器要想做到绝对的匹配是不可能的，但可以使反射和泄露很小。这就要求S21＝S32＝S12≈0dB，S11＝S22＝S33≈S12＝S23＝S31。实际工作中通常通过调节铁氧体的直径使传输系数减小，调节恒稳磁场使环形器输入端的反射系数最小。

本发明Y结型环形器采用可移动阶梯状匹配形式，采用此种匹配结构形式，可实现环形器的端口匹配性能良好，并且零部件少，加工简单；同时采用金属盘水冷结构形式，便于安装，冷却效果好。可以保证铁氧体处于腔体的中心位置，且导体间距留有足够空间，保证在大功率工作时不会发生打火现象。

本发明公开的一种大功率Y结型波导环形器，可用于微波射频信号的隔离、环形、方向改变和微波射频器件的保护，且保证传输特性好、泄露小、插损低；通过设有的金属铜散热盘，铁氧体温度传递到金属铜散热盘表面使得金属铜散热盘温度升高，此时将冷却水通入进水管内部，并流入到金属铜散热盘中沿着水道流动带走热量，冷却水进入第二金属铜水管中并流入到第二分水管内部，最终汇流到连通管内部，通过连通管中部连接的出水管流出，实现散热；并且可移动阶梯状的匹配结构为金属铝合金的阶梯匹配块，一共设置有三个，阶梯匹配块可以随着底部连接的固定螺钉在长孔内部移动，方便调节，使端口具有良好的匹配性能。

本说明中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种大功率Y结型波导环形器，其特征在于：所述的Y结型波导环形器由一个铁氧体(14)加载的中心腔体区域、水冷结构、三个相交120度的波导(1)和可移动阶梯状的匹配结构所构成；

所述的波导(1)为铝合金波导，所述波导(1)的外部四周固定连接有若干不锈钢支撑柱(2)，所述不锈钢支撑柱(2)的两端均通过螺杆固定连接有磁屏蔽板(3)，两块所述磁屏蔽板(3)与波导(1)对应表面均固定连接有导电线圈(4)，所述波导(1)的内部设有金属铜散热盘(5)，所述金属铜散热盘(5)的上下表面粘贴有铁氧体(14)，所述波导(1)的内壁还安装有匹配结构；

所述匹配结构包括开设在波导(1)的内壁的三个长孔(11)，所述长孔(11)的内部滑动设有固定螺钉(12)，所述固定螺钉(12)的一端固定连接有阶梯匹配块(13)，所述阶梯匹配块(13)通过固定螺钉(12)滑动连接在长孔(11)内部。

2.根据权利要求1所述的一种大功率Y结型波导环形器，其特征在于：所述金属铜散热盘(5)设置有两个且金属铜散热盘(5)的内部开设有水道，两个所述金属铜散热盘(5)的一端均固定连接有第一金属铜水管(51)，两个所述第一金属铜水管(51)的一端穿插延伸至波导(1)的外壁且共同连接有第一分水管(6)，所述第一分水管(6)的表面固定连接有进水管(7)。

3.根据权利要求1所述的一种大功率Y结型波导环形器，其特征在于：两个所述金属铜散热盘(5)的另一端两侧均固定连接有一组第二金属铜水管(52)，两组所述第二金属铜水管(52)的一端均穿插延伸至波导(1)的外壁且固定连接有第二分水管(8)，两个所述第二分水管(8)之间通过连通管(9)固定连接，所述连通管(9)的中部固定连接有出水管(10)。

4.根据权利要求1所述的一种大功率Y结型波导环形器，其特征在于：所述金属铜散热盘(5)的两面均通过硅胶粘接有铁氧体(14)，两个所述金属铜散热盘(5)之间存在间隔并不接触。

5.根据权利要求4所述的一种大功率Y结型波导环形器，其特征在于：所述铁氧体(14)采用石榴石型材料，铁氧体(14)由多个小铁氧体块组合而成，通过硅橡胶与金属铜散热盘(5)粘接。

6.根据权利要求1所述的一种大功率Y结型波导环形器，其特征在于：所述导电线圈(4)的中部安装有磁钢(15)。

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