CN115547791A - 一种输能窗及包括该输能窗的行波管 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种输能窗及包括该输能窗的行波管，所述输能窗包括具有真空腔的窗架；所述窗架包括围绕于真空腔用以封装窗片的窗片封接台，围绕于窗片封接台外侧且沿窗架轴向方向延伸的凸台以及围绕于凸台外侧用以封装所述窗架的封装固定台；所述窗片封接台、凸台以及封装固定台间隔设置。本发明通过在窗片封接台与封装固定台之间设置凸台的方式，利用凸台产生塑性形变大幅降窗片与窗架封接界面应力，由此，可以无氧铜作为窗架材料与金刚石材质窗片配合使用，在太赫兹频带内减小输能窗的传输损耗，提高行波管的输出功率。

Description

一种输能窗及包括该输能窗的行波管

技术领域

本发明涉及真空电子器件领域。更具体地，涉及一种输能窗及包括该输能窗的行波管。

背景技术

真空器件中现有的输能窗结构，封接应力接近输能窗组件抗拉强度，输能窗可靠性低。降低输能窗的封接界面应力的常规方法是利用侧封(窗片外径侧壁与金属窗架内径侧壁进行封接)代替平封(窗片表面与金属窗架一侧表面进行封接)，但在太赫兹频段，金刚石窗片的厚度仅为几十微米，无法利用窗片外径侧壁与金属窗架内径侧壁进行封接。在现有输能窗结构下，为了降低封接界面应力，只能采用与金刚石窗片热膨胀系数接近的可伐合金作为输能窗窗架材料，而可伐合金的微波损耗较大，导致输能窗的插入损耗增大，减小了真空器件的输出功率。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的一个目的在于提供一种输能窗，该输能窗能够有效降低窗片与窗架之间封接界面应力，封接可靠性高，可实现采用低损耗金属作为窗架材料，降低输能窗传输损耗，提高器件输出功率。

本发明的另一个目的在于提供一种包括上述输能窗的行波管。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

根据本发明的一个方面，本发明提供一种输能窗，所述输能窗包括具有真空腔的窗架；

所述窗架包括：

围绕于真空腔用以封装窗片的窗片封接台；

围绕于窗片封接台外侧且沿窗架轴向方向延伸的凸台；以及

围绕于凸台外侧用以封装所述窗架的封装固定台；

所述窗片封接台、凸台以及封装固定台间隔设置。

此外，优选地方案是，所述输能窗包括窗片；所述窗片一侧表面边缘与所述窗片封接台的底面封装固定。

此外，优选地方案是，所述窗架的材质为无氧铜，所述窗片的材质为金刚石。

此外，优选地方案是，周向上所述凸台为连续的闭合结构或分段结构。

此外，优选地方案是，所述窗片封接台底面高于所述凸台底面，所述封装固定台底面低于所述凸台底面。

此外，优选地方案是，定义，所述窗片封接台的内径为D1，所述窗片封接台的外径为D3，所述凸台的内径为D4，所述凸台的外径为D2；D3-D1≥0.1mm，D4-D3≥0.3mm；D2-D4≥0.2mm。

此外，优选地方案是，所述窗片封接台底面与所述凸台底面之间的高度差≥0.2mm；所述封装固定台底面与所述凸台底面之间的高度差≥0.2mm。

此外，优选地方案是，所述凸台的内侧壁面与所述窗片的侧壁面相对，所述窗片的侧壁面与所述凸台的内侧壁面之间贴合固定。

此外，优选地方案是，所述窗片背离窗片封接台的一侧表面高于所述凸台底面。

根据本发明的另一个方面，本发明还提供一种行波管，所述行波管包括：

具有电磁波输入结构以及电磁波输出结构的高频系统；

位于所述高频系统一端的电子枪；以及

位于所述高频系统的远离电子枪一端的收集极；

所述电磁波输入结构和电磁波输出结构的至少之一包括有如上所述的输能窗。

本发明的有益效果如下：

本发明通过在窗片封接台与封装固定台之间设置凸台的方式，利用凸台产生塑性形变大幅降窗片与窗架封接界面应力，由此，可以无氧铜作为窗架材料与金刚石材质窗片配合使用，在太赫兹频带内减小输能窗的传输损耗，提高行波管的输出功率。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出现有输能窗结构示意图。

图2示出无氧铜窗架与铁镍钴瓷封合金(Kovar，可伐合金)窗架传输损耗对比图。

图3示出现有无氧铜窗架结构与金刚石窗片配合结构立体剖视图。

图4示出图3所示现有无氧铜窗架与金刚石窗片封接应力分布图。

图5a示出本发明提供输能窗结构中窗架的截面剖视图。

图5b示出本发明提供输能窗结构中窗架与窗片配合的截面剖视图。

图6示出本发明提供输能窗结构中窗架与窗片配合结构立体剖视图。

图7示出图6所示本发明提供无氧铜窗架与金刚石窗片封接应力分布图。

图8示出本发明提供窗架采用无氧铜时与采用铁镍钴瓷封合金(Kovar，可伐合金)时的传输损耗对比图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

行波管是靠连续调制电子注的速度来实现放大功能的微波电子管。其中，电子枪、高频系统、收集极分别负责电子的发射、传输和收集，慢波结构负责提供与电子产生相互作用的电磁波，输能窗实现器件内外电磁波的传输。提高行波管的输出功率，除了优化慢波结构，提高注波互作用能力，另外一个重要途径是降低输能窗的传输损耗。图1示出现有输能窗结构示意图，图1所示的输能窗结构为金刚石盒型输能窗结构，主要由直波导100、圆波导200、金刚石窗片300组成。目前在短毫米波及太赫兹频段，金刚石输能窗窗架材料通常采用铁镍钴瓷封合金(Kovar，可伐合金)。采用可伐合金作为金刚石输能窗窗架材料的原因，主要是由于在真空器件常用的金属材料中，可伐合金与金刚石的热膨胀系数最为接近，二者通过平封方式结合固定时，高温下界面处封接应力最小如表1所示。但是在太赫兹波段，可伐合金的等效电导率仅为无氧铜材料的二十分之一，将产生较大的微波损耗。图2示出无氧铜窗架与铁镍钴瓷封合金(Kovar，可伐合金)窗架传输损耗对比图。其中计算了窗架材料分别为可伐合金和无氧铜时，输能窗的传输损耗。当窗架材料为可伐合金时，计算的S21(输能窗的传输损耗)约为-2.5dB，与实测数据(-2.5dB～-3dB)吻合。若以无氧铜作为窗架材料，在310-390GHz频带内计算得到的输能窗的S21(输能窗的传输损耗)约为-0.5dB，输能窗的传输损耗减小了2dB，相应的行波管的输出功率将提高60％，可以显著提高器件的输出功率。

真空器件中常用材料	热膨胀系数(×10<sup>-6</sup>K<sup>-1</sup>)	等效电导率(×10<sup>6</sup>S/m)
			镍铜合金	15.3	0.74
纯铁	12.1	8.7
			铁钴镍瓷封合金(Kovar)	6.9	1
无氧铜	16.5	20
			金刚石	2.3	—

表1

如采用如图1所示的原有输能窗结构，将窗架材料由可伐合金替换成无氧铜，计算了金刚石窗片与输能窗间的封接应力，如图3、4所示。从图4中不难看出金刚石窗片表面封接区域的最大主应力是210MPa，大于金刚石与无氧铜组合抗拉件的平均封接强度116.2MPa。因此，现有输能窗窗架结构不能满足设计要求，需设计新的输能窗结构，以降低高温下窗片与窗架间界面处封接应力。

为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明首先提供一种输能窗，结合图5a、图5b、图6所示，具体地，所述输能窗包括具有真空腔10的窗架1，所述窗架1的材质为无氧铜，所述窗架1包括围绕于真空腔10用以封装窗片2的窗片封接台11，围绕于窗片封接台11外侧且沿窗架1轴向方向延伸的凸台12以及围绕于凸台12外侧用以封装所述窗架的封装固定台13；所述窗片封接台11、凸台12以及封装固定台13间隔设置，即窗片封接台11与凸台12之间形成一第一沟槽结构14，凸台12与封装固定台13之间形成一第二沟槽结构15。可选地，周向上所述凸台12为连续的闭合结构或分段结构。相较于现有窗架结构，当无氧铜窗片封接台与金刚石窗片封接时，界面处的封接应力会被第一沟槽结构14阻断，不会沿窗架径向直接传递，由此能够衰减界面处的封接应力，此外，第二沟槽结构15的设置能够保证相对于封装固定台13，凸台12具有能够径向塑性形变的空间，以使凸台12能够具有更佳的释放界面处封接应力的能力。本发明通过在窗片封接台11与封装固定台13之间设置凸台12的方式，利用凸台12产生塑性形变，大幅降低窗片2与窗架1封装界面处的封接应力，由此，可以无氧铜作为窗架材料与金刚石材质窗片配合使用，在太赫兹频带内减小输能窗的传输损耗，提高行波管的输出功率。

可选地，所述窗架1为一体结构，所述窗架1还包括有用以连接器件的若干法兰孔，若干法兰孔沿窗架1周向布置，属于常规技术本实施例不做限制。需要说明的是，本发明提供附图5a、图5b以及图6中所示视角为输能窗的使用状态，该视图中窗片封接台的用以与窗片封装固定的表面为窗片封接台的底面，可以理解的是，本实施例中所述的底面为参照图中所示的视角，非限制性的。

在一个实施例中，所述输能窗包括窗片2，所述窗片2的材质为金刚石。通常情况下，太赫兹频段金刚石窗片的厚度为60微米-200微米，无法通过窗片侧壁面进行封接，需与窗片封接台的底面进行平面封接。本发明提供的一个实施例中，参照图5a、图5b所示的，所述窗片2一侧表面边缘与所述窗片封接台11的底面封装固定，即所述窗片2与窗片封接台11之间采用平封方式封装固定。当然在其它频段也可采用厚度较厚的金钢石窗片，该窗片可采用侧封的方式与窗片封接台内侧壁面封接固定，本发明对此不做限制。

参照图5a、图5b、图6所示，本实施例中，所述窗片封接台11的底面高于所述凸台12的底面，所述封装固定台13的底面低于所述凸台12的底面。可选地，所述窗片封接台11的底面与所述凸台12的底面之间的高度差≥0.2mm。所述封装固定台13的底面与所述凸台12的底面之间的高度差≥0.2mm。封装固定台的底面用以与外部波导结构固定，以固定所述输能窗，封装固定台的边缘内侧壁面以及凸台的边缘内侧壁面能够为波导结构的插入提供导向以及固定，易于装配，且便于加工。

具体地，结合图5a、图5b所示，定义，所述窗片封接台11的内径为D1，所述窗片封接台11的外径为D3，所述凸台12的内径为D4，所述凸台12的外径为D2，窗片封接台11的高度为FD2，凸台12的高度为FD1，封装固定台13的高度为FD3。

以340GHz输能窗作为实例，其中，窗片封接台11的内径D1、凸台12的内径(即相当于金刚石窗片直径)D4、窗片封接台11的高度FD2，属于输能窗的结构参数，在设计输能窗的电性能时已确定，剩余的尺寸中，凸12的外径D2、窗片封接台11的外径D3、凸台12的高度FD1，三个尺寸决定了封接面面积和释放封接应力的凸台尺寸，数值关系如下：

FD1：FD3-0.2mm≥FD1≥FD2+0.2mm；

D3：D3-D1≥0.1mm，D4-D3≥0.3mm；

D2：D2-D4≥0.2mm；

即D3-D1≥0.1mm，D4-D3≥0.3mm；D2-D4≥0.2mm。其中窗片封接台11的底面形成用以固定窗片的封接面，如封接面宽度过小，窗片与封接面间用以封接用的化合物均匀性差，窗片封接后容易漏气，影响输能窗气密性。

在评价输能窗封接应力的各参数中，垂直于金刚石窗片表面的主应力参数最为关键。利用ANSYS Workbench，以金刚石窗片表面封接区域的最大主应力作为目标驱动参量，对窗架的关键结构参数进行优化设计，最终获得金刚石窗片表面封接应力最小时的结构参数。最终金刚石窗片表面最大主应力的最小值为50MPa(即窗,2与窗架1封接界面处)，如图7所示，该数值小于金刚石与无氧铜组合抗拉件的平均封接强度116.2MPa，满足设计要求。

本发明可采用多层复合薄膜金属化法对金刚石窗片进行金属化，与无氧铜窗架精密组装后进行封接，封接后，用氦室检漏仪进行气密性检测，氦漏率≤1×10^-11Pa·m³/s，实现了气密封接。对气密封接的金刚石-无氧铜输能窗的传输特性进行测量，测试结果见图8。在320-355GHz，平均测试的S21(输能窗的传输损耗)为-0.7dB，与计算的无氧铜窗架传输损耗接近，与金刚石-可伐输能窗相比，实测传输损耗减小了约2dB，相应的输出功率可以提高60％。

在一个实施方式中，所述凸台12的内侧壁面与所述窗片2的侧壁面相对，所述窗片2的侧壁面与所述凸台12的内侧壁面之间贴合固定。所述窗片2背离窗片封接台11的一侧表面高于所述凸台12的底面，如此设计可便于外部波导结构装配后作用于窗片固定。

根据本发明的另一个方面，本发明还提供一种行波管，所述行波管包括具有电磁波输入结构以及电磁波输出结构的高频系统，位于所述高频系统一端的电子枪以及位于所述高频系统的远离电子枪一端的收集极。所述电磁波输入结构和电磁波输出结构的至少之一包括有如上所述的输能窗。即本发明提供的输能窗可被用于电磁波输入结构，也可被用于电磁波输出结构，也可同时被应用于电磁波输入结构以及电磁波输出结构。对于包括有本发明所提供输能窗的行波管相较于现有技术所具有的优势，应当说与上述的本发明所提供输能窗相较于现有技术的优势大致相同，此处不再赘述。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种输能窗，其特征在于，所述输能窗包括具有真空腔的窗架；

所述窗架包括：

围绕于真空腔用以封装窗片的窗片封接台；

围绕于窗片封接台外侧且沿窗架轴向方向延伸的凸台；以及

围绕于凸台外侧用以封装所述窗架的封装固定台；

所述窗片封接台、凸台以及封装固定台间隔设置。

2.根据权利要求1所述的输能窗，其特征在于，所述输能窗包括窗片；所述窗片一侧表面边缘与所述窗片封接台的底面封装固定。

3.根据权利要求2所述的输能窗，其特征在于，所述窗架的材质为无氧铜，所述窗片的材质为金刚石。

4.根据权利要求1所述的输能窗，其特征在于，周向上所述凸台为连续的闭合结构或分段结构。

5.根据权利要求1所述的输能窗，其特征在于，所述窗片封接台底面高于所述凸台底面，所述封装固定台底面低于所述凸台底面。

6.根据权利要求1所述的输能窗，其特征在于，定义，所述窗片封接台的内径为D1，所述窗片封接台的外径为D3，所述凸台的内径为D4，所述凸台的外径为D2；D3-D1≥0.1mm，D4-D3≥0.3mm；D2-D4≥0.2mm。

7.根据权利要求5所述的输能窗，其特征在于，所述窗片封接台底面与所述凸台底面之间的高度差≥0.2mm；所述封装固定台底面与所述凸台底面之间的高度差≥0.2mm。

8.根据权利要求2所述的输能窗，其特征在于，所述凸台的内侧壁面与所述窗片的侧壁面相对，所述窗片的侧壁面与所述凸台的内侧壁面之间贴合固定。

9.根据权利要求2所述的输能窗，其特征在于，所述窗片背离窗片封接台的一侧表面高于所述凸台底面。

10.一种行波管，其特征在于，所述行波管包括：

具有电磁波输入结构以及电磁波输出结构的高频系统；

位于所述高频系统一端的电子枪；以及

位于所述高频系统的远离电子枪一端的收集极；

所述电磁波输入结构和电磁波输出结构的至少之一包括有如权利要求1至9任一项权利要求所述的输能窗。

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