CN114927397A - 一种应用于回旋行波管的超表面输出窗结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于回旋行波管的超表面输出窗结构，属于微波、毫米波电真空器件技术领域。包括中层蓝宝石窗片和其两侧设置的氧化铍匹配窗片；氧化铍匹配窗片设置有均匀分布的圆柱形通孔。本发明的超表面输出窗结构易于打磨加工，真空气密性好，便于观察回旋行波管内部工作状况；同时具有较好的导热性，可以有效实现介电常数完美匹配，扩展输出窗带宽。

Description

一种应用于回旋行波管的超表面输出窗结构
技术领域
本发明涉及微波、毫米波电真空器件技术领域，具体涉及一种应用于回旋行波管的超表面输出窗结构。
背景技术
回旋行波管是一种基于相对论电子回旋脉塞机理的电真空器件，在毫米波段具有高功率、宽频带的特点，因而在毫米波雷达、毫米波通讯、电子战等方面具有广泛的应用前景，因此在国际上也成为了众多科研单位的研究热点之一，国内回旋行波管的研究实力也逐渐地加强。
输出窗是高功率回旋行波管的关键部件之一，其好坏直接影响到回旋管的性能，甚至整管研制的成败。若输出窗片的反射升高，在高功率情况下返回高频系统的功率将随之显著上升，引起寄生模式在高频系统中的自激振荡，从而降低回旋管的高频输出功率和模式纯度，进而致使回旋行波管无法正常稳定的工作。除此之外，输出窗的其他各种性能指标随着回旋行波管的不断发展也随之提升，主要体现在工作带宽展宽以及结构尺寸易加工性等方面。
目前较为常见的回旋行波管圆波导输出窗采用具有真空间隙的双层或三层窗片结构，此结构较传统的单窗片可以明显展宽带宽，但存在着窗片焊接难度较大的问题。此外，另一三明治结构输出窗通常的设计思路是利用介质匹配来提高入射波的透过率同时降低反射系数，设中间层窗片的介电常数为εcenter，两侧匹配层窗片的介电常数为εmatch，当
Figure BDA0003669376130000011
时，入射波的透射率和反射率可以达到最佳。在回旋行波管中，多层输出窗最常用窗片材料为蓝宝石、二氧化硅(石英玻璃)或陶瓷，但这些材料的介电常数都无法满足介电常数匹配关系式，因此无法实现完美介电常数匹配进而获得最优的入射波透射率及反射率。为实现更好的匹配效果，设计出以均匀排布的立方体晶格结构作为匹配层的超表面输出窗，适当的改变晶格的边长及间隔就可以实现介电常数匹配，然而一般情况下晶格的边长和间隔非常小，不利于打磨加工。此外，目前设计出的超表面输出窗，三层窗片均使用氧化铍陶瓷材料，由于其是以氧化铍粉末为原料加入氧化铝等配料经高温烧结而成的，成本较高，气密性较差，且透光性差。
发明内容
针对上述输出窗存在的问题，本发明提出一种真空气密性好，便于观察回旋行波管内部工作状况(如观察回旋行波管的内部是否存在高压弧光打火，是否存在高功率微波击穿打火现象等)，具有较好的导热性，可以有效实现介电常数完美匹配，扩展输出窗带宽，易于打磨加工等优点的应用于回旋行波管的超表面输出窗结构。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种应用于回旋行波管的超表面输出窗结构，其特征在于：包括中层蓝宝石窗片和其两侧设置的氧化铍匹配窗片。
所述氧化铍匹配窗片设置有均匀分布的圆柱形通孔。
进一步地，两侧氧化铍匹配窗片在垂直方向上的投影重合。
进一步地，所述中层蓝宝石窗片的厚度h1由公式(1)确定：
Figure BDA0003669376130000021
式中，λ为波导波长；εr为中层蓝宝石窗片的相对介电常数；Xmn为工作模式常数；p取整数；R为中层蓝宝石窗片半径。
所述氧化铍匹配窗片的厚度h2由公式(2)确定：
Figure BDA0003669376130000022
λg为介电波导波长，λ0为中心频率处的自由空间波长，N取整数，εr′为氧化铍匹配窗片的相对介电常数，μr为氧化铍匹配窗片的磁导率。
所述氧化铍匹配窗片的填充比和空隙率由公式(3)确定：
Figure BDA0003669376130000023
ε为等效介电常数，εa为空气介电常数，g为填充比，f为空隙率。
本发明的超表面输出窗具有以下优势：1、中层蓝宝石窗片的结构稳定、气密性好，能够使输出窗具有良好的真空特性。2、蓝宝石窗片的损耗小，有利于减少输出窗的插损。3、由于蓝宝石导热性能差，而氧化铍陶瓷具有良好的导热性，因此采用蓝宝石作为中间介质层，氧化铍作为匹配介质层可以实现良好的散热，有效避免窗片因温度过高而炸裂。4、蓝宝石窗片透明，氧化铍匹配层含有均匀分布的圆柱形通孔，因而可以通过输出窗观察回旋行波管内部高频、电子枪等结构的工作状况。5、通过调节匹配层厚度、圆柱形通孔半径及间隔尺寸，可以调节匹配层的介电常数，实现完美介电常数匹配，有效提高输出窗的工作带宽。6、相较于以均匀排布的立方体晶格结构作为匹配层的超表面输出窗，此结构更易加工。
附图说明
图1为超表面输出窗整体结构侧视示意图。
图2为超表面输出窗结构俯视示意图。
图3为圆柱形通孔的半径、间隔尺寸示意图。
图4为Ka波段传输TE01模时，超表面输出窗的S11参数曲线图。
附图标号说明：1.氧化铍匹配窗片，2.中层蓝宝石窗片，3.圆柱形通孔。
具体实施方式
下面结合实施例以及附图对本发明作进一步的详细阐述：
本实施例中超表面输出窗技术指标要求：圆波导工作模式：TE11模；工作频段：Ka波段(26.5GHz-40GHz)。
本实施例的超表面输出窗结构如图1所示，包括中层蓝宝石窗片，设置于中层蓝宝石窗片两侧的氧化铍匹配窗片；其中，中层蓝宝石窗片的相对介电常数εsapphire＝9.5，根据公式
Figure BDA0003669376130000031
中间层窗片的介电常数为εcenter，匹配层窗片的介电常数为εmatch，可以计算出介质匹配层的相对介电常数约为3.1。本实施例中选择具有高导热系数和低损耗特性的氧化铍(BeO)陶瓷，其相对介电常数为εberyllia＝6.5。通过在氧化铍匹配窗片设置均匀分布的圆柱形通孔的方式降低其等效介电常数，与中间层的蓝宝石窗片结合构成超表面输出窗。
本实施例中各结构的尺寸参数的获取方式为：
根据公式
Figure BDA0003669376130000041
计算得到中间蓝宝石层厚度h1为1.5mm。
由公式h2＝λ/4+Nλ/2，
Figure BDA0003669376130000042
计算得到氧化铍陶瓷匹配层厚度h2为1.3mm。
由公式
Figure BDA0003669376130000043
f＝1-g计算得到所述匹配层的填充比g＝0.21，空隙率f＝0.79。
最后建立超表面输出窗结构的初始模型，仿真优化后得到各结构的尺寸参数为：中间蓝宝石层厚度h1＝1.3mm，氧化铍陶瓷匹配层厚度h2＝1.3mm，圆柱通孔半径r＝0.6mm，间隔d＝0.2mm。
如图4所示为传输TE11模式，超表面输出窗在Ka波段的反射系数S11结果。由图4可知，反射系数S11小于-20dB的频段为25.4GHz到37.7GHz，达到12.3GHz带宽，相对带宽达38.9％。

Claims (3)

1.一种应用于回旋行波管的超表面输出窗结构，其特征在于：包括中层蓝宝石窗片和其两侧设置的氧化铍匹配窗片；
所述氧化铍匹配窗片设置有均匀分布的圆柱形通孔。
2.如权利要求1所述的一种应用于回旋行波管的超表面输出窗结构，其特征在于：两侧氧化铍匹配窗片在垂直方向上的投影重合。
3.如权利要求2所述的一种应用于回旋行波管的超表面输出窗结构，其特征在于：所述中层蓝宝石窗片的厚度h1由公式(1)确定：
Figure FDA0003669376120000011
式中，λ为波导波长；εr为中层蓝宝石窗片的相对介电常数；Xmn为工作模式常数；p取整数；R为中层蓝宝石窗片半径；
所述氧化铍匹配窗片的厚度h2由公式(2)确定：
h2＝λ/4+Nλ/2
Figure FDA0003669376120000012
λg为介电波导波长，λ0为中心频率处的自由空间波长，N取整数，εr′为氧化铍匹配窗片的相对介电常数，μr为氧化铍匹配窗片的磁导率；
所述氧化铍匹配窗片的填充比和空隙率由公式(3)确定：
Figure FDA0003669376120000013
ε为等效介电常数，εa为空气介电常数，g为填充比，f为空隙率。
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