CN114709578A - 一种基于陶瓷导热的l波段大功率波导环行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于陶瓷导热的L波段大功率波导环行器，属于微波元器件领域，采用高场设计，设计归一化内场为1.4～1.7，仿真设计内场为52000～63143A/m，包括腔体，所述腔体上设置有磁轭（1），在所述腔体内设置有冷却管路（2），在所述上腔体（3）上设置磁体组合（6），在所述腔体内设置由焊接板（8）、铁氧体（9）和陶瓷（10）组成的旋磁组合体（7），所述铁氧体（9）的磁矩为400 gauss～800 gauss；本发明采用高场设计，实现1.3GHz波导环行器在5kW‑10kW的平均功率耐受，杜绝了器件在高功率下的非线性效应；并且降低器件在高场设计时的磁化难度，减小器件磁体磁化高度。

Description

一种基于陶瓷导热的L波段大功率波导环行器

技术领域

本发明涉及微波元器件领域，尤其涉及一种基于陶瓷导热的L波段大功率波导环行器。

背景技术

当前国际直线对撞机ILC正进行加速器功放方案设计，提出了相应的保护器件需求。ILC拟采用1.3GHz的频率进行正负粒子加速，采用多通道的加速设计方案，对环行器的功率耐受提出了要求，希望提高器件的功率耐受实现通道数降低，提升系统可靠性，降低项目成本。

目前常见的器件设计，基本指标为峰值功率200kW，平均功率2kW，采用低场设计方案，但该方案容易在高峰值功率下出现非线性效应；其设计方案如：戈海清的《L波段高功率环行器设计》该设计采用低场设计，双匹配台阶匹配来压缩中心结波导，减小铁氧体厚度，该方案采用自然冷却设计，设计带宽较宽。

也就是说，国际直线对撞机项目中目前提出的峰值功率200kW，单通道的峰值功率由当前上海硬X射线自由电子激光装置项目的2.2kW平均功率提升至5kW～10kW。而当前器件的低场设计在平均功率提升的情况下，器件在高于4kW的平均高功率下容易出现非线性效应导致器件烧毁，可靠性不高。而目前采用高场设计，又存在磁化困难的问题。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种基于陶瓷导热的L波段大功率波导环行器，以解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种基于陶瓷导热的L波段大功率波导环行器，采用高场设计，设计归一化内场为1.4～1.7，仿真设计内场为52000～63143A/m，包括腔体，所述腔体由相互连接的上腔体和下腔体组成，所述腔体上设置有磁轭，在所述腔体内设置有冷却管路，在所述上腔体上设置磁体组合，在所述腔体内设置旋磁组合体，所述旋磁组合体包括焊接板、铁氧体和陶瓷，其中，所述铁氧体的磁矩为400 gauss～800 gauss，所述铁氧体嵌套于所述陶瓷外周，所述焊接板连接于铁氧体上方。

上述的磁体组合，可以是采用铝合金和相应的小磁铁拼装而成的永磁体，如果采用钐钴磁体磁化，磁体大后容易碎裂，且磁体大后成本大幅度提高；而采用小尺寸磁体和铝合金组合装配，可降低成本，并且减少生产中磁体碎裂造成的风险。

本领域技术人员公知的，微波铁氧体外偏磁场的工作点大致可以划分为：不饱和区、低场区、共振区和高场区，（参见“《微波铁氧体材料与器件》，张国荣主编，电子工业出版社，1995年”第47-48页，或者参见“《微波铁氧体器件HFSS设计原理（上册），蒋仁培，科学出版社》”第4页的1.1.1节、第9页1.5节），而目前的L波段波导环行器一般为低场设计器件。

目前常规低场设计器件依据设计公式计算，所需的铁氧体磁矩一般在330gauss附近，该类材料居里温度在150℃以下，且铁氧体自旋波线宽较低，器件高功率工作下容易出现非线性效应；而本申请采用磁矩为400 gauss～800 gauss的铁氧体，以匹配高场设计，从而杜绝了器件在高平均功率下的非线性效应。

作为优选的技术方案：所述冷却管路为水路铜管，并在所述上腔体和下腔体上分别设置有水嘴。

作为优选的技术方案：所述陶瓷选自氮化铝陶瓷或氧化铍陶瓷中的一种。采用氮化铝陶瓷或氧化铍陶瓷能够提升器件铁氧体表面导热，同时也可进行匹配拓展带宽，并减小器件所需铁氧体的尺寸。

作为优选的技术方案：所述陶瓷的壁厚范围为3mm～6mm。这样的壁厚在实现良好导热效果的同时实现器件的带宽匹配，过薄导热效果不好，过厚匹配较差。

作为优选的技术方案：所述旋磁组合体的制作方法为：铁氧体加工完成后与陶瓷嵌套共烧，然后磨抛陶瓷外圆和上下表面，并在铁氧体与陶瓷结合面焙银处理。陶瓷与铁氧体的嵌套共烧方法可实现大尺寸铁氧体非焊接面的表面导热，避免铁氧体炸裂。

作为优选的技术方案：所述焊接板采用1J38或1J31软磁合金材料并电镀银。采用热磁补偿材料1J38或1J31作为焊接板可实现器件功率下的快速补偿。

作为优选的技术方案：所述焊接板与陶瓷形状大小相同，焊接板厚度为3～5mm。因为过薄材料补偿效果欠佳，且容易变形，过厚补偿过头影响电性能。

作为优选的技术方案：所述铁氧体尺寸为φ50～80mm，厚度为5～10mm。这样的尺寸是在兼顾散热和匹配的情况下确定尺寸范围。本发明是在传统的4mm厚度的基础上增大了铁氧体厚度。

作为优选的技术方案：所述腔体内部采用四级压缩。传统的一般采用两级压缩，图2的腔体内部的四级台阶示出了四级压缩结构。采用内腔多级压缩，能够增大器件铁氧体厚度、拓展器件带宽，可以实现器件高度尺寸缩小；

也就是说，采用多级压缩，主要目的是能够增大铁氧体厚度，实现宽带设计，多级压缩设计缩小了波导腔体的高度从而改善了磁化难度，采用磁矩低的材料可以减小外部磁化磁体的高度，从而实现整个器件的高度尺寸缩小。

作为优选的技术方案：所述四级压缩的第一级压缩采用中心对称Y型结压缩，在图2中的内部体现，除去旋磁组合体后的Y形结，如图4所示，匹配实现器件的带宽拓展。

本发明的上述结构中，磁轭优选铁制的磁轭，磁轭的作用是为器件提供相对封闭磁路；冷却管路比如水路铜管为器件提供相应的冷却；上腔体作为水路和磁路载体，并构建微波通道，同时作为铁氧体焊接载体；下腔体与上腔体功能相同，也是作为水路和磁路载体，并构建微波通道，同时作为铁氧体焊接载体；水嘴作为进出水路连接；永磁体用于提供外加恒定磁场；焊接板提供铁氧体下表面导热路径、焊接结合面和温度补偿功能；铁氧体用于提供旋磁特性；陶瓷用于提供铁氧体上表面导热路径，并进行匹配实现带宽拓展。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明采用高场设计，实现1.3GHz波导环行器在5kW-10kW的平均功率耐受，杜绝了器件在高功率下的非线性效应；另外，采用内腔多级压缩设计，增大器件铁氧体厚度拓展器件带宽，采用氮化铝或氧化铍匹配设计，提升器件铁氧体表面导热，同时也可进行匹配拓展带宽，并减小器件所需铁氧体的尺寸，高场设计存在问题是磁化困难，通过以上设计（即腔体多级压缩和采用磁矩相对较低的铁氧体材料，降低磁化难度，还可降低器件在高场设计时的磁化难度，减小器件磁体磁化高度。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为图1的内部结构示意图；

图3为图2中旋磁组合体的结构示意图；

图4为图2中匹配台阶的结构示意图；

图5为实施例1的器件端口回波损耗图；

图6为实施例1的器件隔离度指标图；

图7为实施例1的器件传输损耗指标图；

图8为实施例2的器件端口回波损耗图；

图9为实施例2的器件隔离度指标图；

图10为实施例2的器件传输损耗指标图。

图中：1、磁轭；2、冷却管路；3、上腔体；4、下腔体；5、水嘴；6、磁体组合；7、旋磁组合体；8、焊接板；9、铁氧体；10、陶瓷。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

一种基于陶瓷导热的L波段大功率波导环行器，采用高场设计，其结构参见图1、图2、图3和图4，包括腔体，所述腔体由相互连接的上腔体3和下腔体4组成，所述腔体上设置铁质的磁轭1，在所述腔体内设置有冷却管路2，本实施例的冷却管路2为水路铜管，在所述上腔体3上设置磁体组合6，在所述腔体内设置旋磁组合体7，所述旋磁组合体包括焊接板8、铁氧体9和陶瓷10，其中所述铁氧体9嵌套于所述陶瓷10外周，所述焊接板8连接于铁氧体9上方；

本实施例中，铁氧体9的磁矩为800gauss，归一化内场选取1.44，内场为53485A/m，铁氧体直径为62.2mm，铁氧体高度为8.5mm，陶瓷10选用氮化铝陶瓷对铁氧体9上表面散热，壁厚为3mm，通过对内部的一级Y型结压缩高度调节达到相应性能指标，本实施例的器件在外部水冷条件的配合下，可实现器件平均功率5kW的耐受。

本实施例的器件三个端口的回波损耗如图5所示，器件隔离度指标如图6所示，器件传输损耗指标如图7所示，实际装配产品在带内1.29～1.31范围内器件的回波损耗在-22dB以下，隔离度在-25dB以下，器件传输损耗在带内为0.15dB。产品通过峰值功率200kW，平均功率5kW的考核。

实施例2：

一种基于陶瓷导热的L波段大功率波导环行器，采用高场设计，包括腔体，所述腔体由相互连接的上腔体3和下腔体4组成，所述腔体上设置铁质的磁轭1，在所述腔体内设置有冷却管路2，本实施例的冷却管路2为水路铜管，在所述上腔体3上设置磁体组合6，在所述腔体内设置旋磁组合体7，所述旋磁组合体包括焊接板8、铁氧体9和陶瓷10，其中所述铁氧体9嵌套于所述陶瓷10外周，所述焊接板8连接于铁氧体9上方

本实施例中，铁氧体9的磁矩为600gauss，铁氧体直径为52.1mm，铁氧体高度为8.5mm，陶瓷10选用氧化铍陶瓷对铁氧体上表面散热，壁厚为6mm，通过对内部的一级Y型结压缩高度和多级匹配台阶调节达到相应性能指标，该设计在外部水冷条件的配合下可实现器件平均功率10kW的耐受。

本实施例的器件三个端口的回波损耗如图8所示，器件隔离度指标如图9所示，器件传输损耗指标如图10所示。实际装配产品在带内1.29～1.31范围内器件的回波损耗在-25dB以下，隔离度在-25dB左右，器件传输损耗在带内为0.15dB。产品通过峰值功率200kW，平均功率10kW的考核。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于陶瓷导热的L波段大功率波导环行器，其特征在于：采用高场设计，设计归一化内场为1.4～1.7，仿真设计内场为52000～63143A/m，包括腔体，所述腔体由相互连接的上腔体（3）和下腔体（4）组成，所述腔体上设置有磁轭（1），在所述腔体内设置有冷却管路（2），在所述上腔体（3）上设置磁体组合（6），在所述腔体内设置旋磁组合体（7），所述旋磁组合体（7）包括焊接板（8）、铁氧体（9）和陶瓷（10），其中，所述铁氧体（9）的磁矩为400 gauss～800 gauss，所述铁氧体（9）嵌套于所述陶瓷（10）内，所述焊接板（8）连接于铁氧体（9）上方。

2.根据权利要求1所述的一种基于陶瓷导热的L波段大功率波导环行器，其特征在于：所述冷却管路（2）为水路铜管，并在所述上腔体（3）和下腔体（4）上分别设置有水嘴（5）。

3.根据权利要求1所述的一种基于陶瓷导热的L波段大功率波导环行器，其特征在于：所述陶瓷（10）选自氮化铝陶瓷或氧化铍陶瓷中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种基于陶瓷导热的L波段大功率波导环行器，其特征在于：所述陶瓷（10）的壁厚为范围在3mm～6mm。

5.根据权利要求1所述的一种基于陶瓷导热的L波段大功率波导环行器，其特征在于：所述旋磁组合体（7）的制作方法为：所述铁氧体（9）加工完成后与所述陶瓷（10）嵌套共烧，然后磨抛所述陶瓷（10）外圆和上下表面，并在所述铁氧体（9）与陶瓷（10）结合面进行焙银处理。

6.根据权利要求1所述的一种基于陶瓷导热的L波段大功率波导环行器，其特征在于：所述焊接板（8）采用1J38或1J31软磁合金材料并电镀银。

7.根据权利要求1所述的一种基于陶瓷导热的L波段大功率波导环行器，其特征在于：所述焊接板（8）与 陶瓷（10）形状大小相同，所述焊接板（8）厚度为3～5mm。

8.根据权利要求1所述的一种基于陶瓷导热的L波段大功率波导环行器，其特征在于：所述铁氧体（9）尺寸为φ50～φ80mm，厚度为5～10mm。

9.根据权利要求1所述的一种基于陶瓷导热的L波段大功率波导环行器，其特征在于：所述腔体内部采用四级压缩。

10.根据权利要求9所述的一种基于陶瓷导热的L波段大功率波导环行器，其特征在于：所述四级压缩中的第一级压缩采用中心对称Y型结压缩。

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