CN116259945A - 高功率容量tm01/te11模真空抽气波导 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高功率容量TM01/TE11模真空抽气波导，属于高功率微波传输系统领域。该抽气波导包括相对套装的主波导、套筒，设置于套筒外侧的真空抽气结构；主波与套筒之间存在环形间隙，环形隔断板将环形间隙等分为左右两个环形腔体；主波导中设置有两排真空抽气缝，分别对应一个环形腔体；真空抽气结构内设置有若干真空抽气孔，使抽气端口与环形间隙连通。本发明主波导上设置的抽气缝有效抽气截面更大，抽气效率高，且对TM01模的传输不造成影响；通过控制抽气缝与套筒间隙的尺寸，使开缝对TE11模的传输同样不造成影响。本发明抽气波导结构紧凑，方便加入长曲折高功率微波传输链路中，在不影响微波传输效率的同时，可以提高抽气的效率和真空度。

Description

高功率容量TM01/TE11模真空抽气波导
技术领域
本发明属于高功率微波传输系统领域，具体涉及一种高功率容量TM01/TE11模真空抽气波导。
背景技术
在微波传输系统中，波导作为一种传输损耗小、功率容量大的器件被广泛应用于高功率微波传输的场合，例如大功率天线的功率馈送、加速器的高功率微波传输等。微波在波导内部传输时，如果波导内部电场强度超过了其中介质的击穿阈值就会发生击穿打火现象，进而影响波导的传输效果和功率容量。由于大气的击穿场强较低，若要在波导内传输较高峰值功率的微波，通常采用充气或抽真空的方法来提高其中的电场击穿阈值。
使用充气方式时，电场击穿阈值与充气气压成正比，但如果气压过大就需要提高波导壁的机械强度以避免变形或其他损伤情况，因此充气方法常见于峰值功率相对较低的医疗等用途中；相对来说，抽真空的方式通常使波导内的压强优于10-2Pa即可，较容易获得更大的电场击穿阈值，所以这种方法常用于需要传输更高微波峰值功率的应用系统中。
为了实现并维持波导中的高真空状态，除了各接口之间需要采用真空密封外，还需要在链路中的起始端和末端均增加抽气波导提供与真空系统之间的接口。传统的抽气波导是在波导上开抽气孔的方式实现的，但这种方法往往会面临以下矛盾：(1)开孔的面积不够大，不能够快速的将传输系统内的气体排除；(2)若开孔的面积太大，极易影响波导的传输性能，导致传输系统插损增加、电磁波泄露、局部电场强度增大导致击穿放电等一系列问题。此外，在传输链路较长、弯折较多的情况下，往往会出现抽气过慢、真空度不够等问题。
清华大学设计了一种有三个矩形波导口的抽气装置，此装置由微波分离结构和微波合成结构组合而成，其中一波导口与另外两个波导口在物理空间上连通，但在微波传导上隔离，从而可在此波导口进行抽气操作，这种结构虽然解决了上述矛盾，但结构过于复杂，无法满足紧凑的系统设计要求。核工业西南物理研究院针对波纹管设计了一种滑动抽气波导，通过真空波纹管将两段波纹波导连接在一起，通过在两段波纹波导之间留出一定间隔来进行抽气，但这种方式仅适用于波纹波导HE11模，无法适用于高功率微波系统中典型传输模式如圆波导TM01、TE11模式。
从公开报道的资料可以看出，目前的研究更多是在特定波导、特定模式下的结构设计，且功率容量一般在MW量级，没有在GW量级的高功率微波传输系统中使用抽气波导的先例；此外，目前的结构设计并没有很好的解决抽气效率和传输效果之间的矛盾，且无法在保持结构紧凑的情况下实现长曲折链路中高抽气效率、高真空度的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种高功率容量TM01/TE11模真空抽气波导，能够解决抽气截面与传输效率之间的矛盾，并且结构紧凑，方便加入长曲折传输链路中，实现多抽气口分离式抽气，从而提高链路的真空度和抽气速度。
本发明的技术方案如下：
一种高功率容量TM01/TE11模真空抽气波导，包括主波导、套筒、真空抽气结构；
所述主波导同轴套装于所述套筒内部，且两者之间存在环形间隙；所述主波导左侧和所述套筒右侧均设置有连接法兰，用于连接前后器件，同时使环形间隙的两端封闭；
所述主波导位于环形间隙内侧的部分设置有两排尺寸相同的真空抽气缝，一排真空抽气缝包括沿角向均匀分布的若干矩形缝隙；
所述环形隔断板设置于环形间隙内，将环形间隙等分为左右两个环形腔体，一个环形腔体对应一排真空抽气缝；
所述套筒位于环形间隙外侧的部分开设有一个圆形通孔，用于插入并紧固所述真空抽气结构；
所述真空抽气结构的一端设置有连接真空抽气系统的抽气端口；另一端的端面与所述套筒的内壁为半径相同的圆柱面；所述真空抽气结构内设置有若干均匀分布的真空抽气孔，使抽气端口与环形间隙连通。
进一步地，所述真空抽气缝的深度大于十分之一波长，在保持主波导结构强度的同时实现主波导与环形间隙之间的隔离。
进一步地，所述环形间隙的厚度小于三分之一波长，在保持抽气效率的同时避免形成谐振。
进一步地，所述环形腔体的轴向长度小于一个波长。
进一步地，所述真空抽气孔的半径小于十分之一波长，长度大于二分之一波长，在保证抽气效率的同时实现环形间隙与抽气系统的隔离。
进一步地，所述矩形缝隙靠近主波导内部腔体的一侧进行倒角处理，避免高功率微波在尖端打火现象的发生。
当主波导内传输TM01模时：由于磁场只有环向分量，因而壁电流只有纵向分量，因此沿轴向开窄缝不影响波导壁电流分布，故对TM01的传输没有影响。当主波导内传输TE11模时：(1)在平行于TE11模电场极化方向的矩形缝隙处，由于环形腔体尺寸不满足谐振形成的条件，因此微波不会通过矩形缝隙耦合到间隙处；(2)在垂直于TE11模电场极化方向的矩形缝隙处，将矩形缝隙视为矩形波导，由于矩形缝隙的尺寸不满足该模式下的传输条件，因此微波不会通过矩形缝隙传输；综上可以看出抽气缝结构同样对TE11模的传输不造成影响。此外，真空抽气结构中小尺寸抽气孔的存在实现了即使间隙处有少量微波存在也会因为截止而无法从抽气端口泄露的目的。
相较于现有技术，本发明具有如下优点：
主波导中段加工沿轴向的矩形缝隙，与传统开孔的抽气方式相比，抽气缝结构有效抽气截面积更大，抽气效率明显提高。
传输端口之间支持多模TM01/TE11的高效率传输，且传输端口与抽气端口之间隔离度高。
整体结构简单紧凑，针对需要真空传输的长曲折链路可以很方便将其加入任一连接段之间，实现多抽气口分离式抽气，提高链路的抽气效率和真空度。
附图说明
图1为高功率容量TM01/TE11模真空抽气波导结构示意图；
图2为高功率容量TM01/TE11模真空抽气波导剖面图；
图3为主波导结构剖面图；
图4为TM01/TE11模传输效果图。
图中：1.主波导；2.套筒；3.真空抽气结构；4.环形隔断板；5.矩形缝隙；6.环形间隙；7.真空抽气孔；8.密封槽。
具体实施方式
下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1、2、3所示，本实施例的高功率容量TM01/TE11模真空抽气波导包括：主波导、套筒、真空抽气结构。
所述主波导同轴套装于所述套筒内部，且两者之间存在长度为50mm、厚度为9.25mm的环形间隙；所述主波导左侧和所述套筒右侧均设置有连接法兰，用于连接前后器件，同时使环形间隙的两端封闭。
所述主波导位于环形间隙内侧的部分设置有两排尺寸相同的真空抽气缝，在综合考虑抽气效率、整体结构的刚性与加工难易的基础上确定一排真空抽气缝包括沿角向均匀分布的12个矩形缝隙；矩形缝隙的长度为23mm、宽度为4mm，厚度为4mm，两排抽气缝的轴向间隔为4mm，并采用电火花放电工艺在内侧倒角，避免在传输高功率微波时尖端放电；在传输TM01模时这种开缝方式对其壁电流没有影响，故不影响TM01模的传输效率。矩形缝隙及主波导的厚度为4mm，使TE11模在沿垂直于电场极化方向的真空抽气缝中传输时截止。
所述环形隔断板的厚度为4mm，设置于环形间隙内，将环形间隙等分为左右两个环形腔体，一个环形腔体对应一排真空抽气缝；避免TE11模在平行于电场极化方向的真空抽气缝处耦合至环形间隙内形成谐振。
所述套筒位于环形间隙外侧的部分开设有一个圆形通孔，用于插入并紧固所述真空抽气结构。
所述真空抽气结构的一端设置有连接真空抽气系统的抽气端口；另一端的端面与所述套筒的内壁为半径相同的圆柱面；所述真空抽气结构内设置有35个均匀分布的真空抽气孔，半径为2.8mm，最短长度为21mm，使抽气端口与环形间隙连通。上述结构是为了避免少量微波通过真空抽气缝后沿抽气端口对真空抽气系统造成损坏，所以在真空抽气结构中再次设置隔离保护措施；即真空抽气结构是通过在实心圆柱体中开真空抽气孔来实现的，此尺寸能够有效防止微波通过，实现截止的效果，进一步防止微波泄露。
主波导上真空抽气缝的有效抽气截面在2208mm2左右，真空抽气端口上真空抽气孔的有效抽气截面在862.05mm2，此有效抽气截面能够很好的满足快速抽真空的使用要求。
如图3所示，主波导为一体加工的通径为49.5mm的波导管结构。
将主波导、套筒和真空抽气端口通过焊接密封为一体，形成真空抽气波导，整体轴向长度为90mm，结构紧凑，方便与前后级通过法兰进行密封连接。
如图4所示，最终的仿真结果：TM01模的S21为0.9996，TE11模的S21为0.9992；从仿真的S参数结果看出，当传输TM01模时，99.92％的功率从第一端口顺利传输至第二端口，第一端口的反射功率、传输至第三端口的功率以及传输过程中的欧姆损耗的总和占比仅为0.08％，当传输TE11模时，99.84％的功率从第一端口顺利传输至第二端口，其余占比仅为0.16％。由此可见本发明所设计的抽气波导的微波传输效率极高，完全满足实际使用的要求。

Claims (6)

1.一种高功率容量TM01/TE11模真空抽气波导，包括主波导、套筒、真空抽气结构；其特征在于，所述主波导同轴套装于所述套筒内部，且两者之间存在环形间隙；所述主波导左侧和所述套筒右侧均设置有连接法兰，用于连接前后器件，同时使环形间隙的两端封闭；
所述主波导位于环形间隙内侧的部分设置有两排尺寸相同的真空抽气缝，一排真空抽气缝包括沿角向均匀分布的若干矩形缝隙；
所述环形隔断板设置于环形间隙内，将环形间隙等分为左右两个环形腔体，一个环形腔体对应一排真空抽气缝；
所述套筒位于环形间隙外侧的部分开设有一个圆形通孔，用于插入并固定所述真空抽气结构；
所述真空抽气结构的一端设置有连接真空抽气系统的抽气端口；另一端的端面与所述套筒的内壁为半径相同的圆柱面；所述真空抽气结构内设置有若干均匀分布的真空抽气孔，使抽气端口与环形间隙连通。
2.如权利要求1所述的一种高功率容量TM01/TE11模真空抽气波导，其特征在于，所述真空抽气缝的深度大于十分之一波长。
3.如权利要求1或2所述的一种高功率容量TM01/TE11模真空抽气波导，其特征在于，所述环形间隙的厚度小于三分之一波长。
4.如权利要求3所述的一种高功率容量TM01/TE11模真空抽气波导，其特征在于，所述环形腔体的轴向长度小于一个波长。
5.如权利要求4所述的一种高功率容量TM01/TE11模真空抽气波导，其特征在于，所述真空抽气孔的半径小于十分之一波长，长度大于二分之一波长。
6.如权利要求4所述的一种高功率容量TM01/TE11模真空抽气波导，其特征在于，所述矩形缝隙靠近主波导内部腔体的一侧进行倒角处理。
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