CN216818588U - 一种波导型高功率铁氧体负载 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种波导型高功率铁氧体负载，主要包括匹配段、波导直段、波导楔形段；波导型大功率铁氧体负载主要通过内部的铁氧体基片进行吸收功率，铁氧体基片均匀分布在负载波导的内部，在负载终端的波导短接到一起，铁氧体粘合到水冷板上，通过水冷板中流动的水将吸收的热量带走，本发明通过分段式设计、优化每段波导的功率分配、逐渐增加铁氧体基片厚度等方式使铁氧体片吸收的功率密度差异减小，避开热量主要沉积在输入端铁氧体基片的问题，减少前端铁氧体热沉积导致的破裂问题，提升负载稳定性，利用该方法可设计出几百千瓦量级铁氧体负载。
Description
技术领域
本发明涉及微波功率源技术领域，具体为一种波导型高功率铁氧体负载。
背景技术
高功率匹配负载主要用来吸收微波能量，环形器、魔T等设备均需要高功率吸收负载，吸收来自传输系统、加速器的反射功率，从而起到保护微波源的作用。铁氧体负载采用铁氧体作为吸波材料，铁氧体吸波材料是依照铁氧体在高频电磁场作用下产生较大电磁损耗的原理制成的，为了满足无反射性吸收目的,要求吸收材料在使用频段范围内具有较大的电磁损耗,而且要求实现电磁波传输中的阻抗匹配。对于波导型铁氧体负载一般靠近输入端的铁氧体基片会吸收系统的绝大部分功率，发热速率较后端的铁氧体基片快。而铁氧体导热系数小，吸收高频功率后，热沉积易导致铁氧体出气、破裂等问题。目前，研发的都是几千瓦量级小功率的铁氧体负载。本发明通过分段式设计、优化每段的功率分配、递进式增加铁氧体基片厚度等方式避开热量主要沉积在输入端铁氧体基片的问题，减少前端铁氧体热沉积，利用该方法可设计出几百千瓦量级铁氧体负载。
发明内容
本发明解决的技术问题在于克服现有技术的铁氧体导热系数小，吸收高频功率后，热沉积易导致铁氧体出气、破裂等缺陷，提供一种波导型高功率铁氧体负载。所述一种波导型高功率铁氧体负载具有减少前端铁氧体热沉积导致的破裂问题，提升负载稳定性等特点。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种波导型高功率铁氧体负载，包括匹配段，所述匹配段一侧设置有波导直段一，所述波导直段一远离匹配段一侧设置有波导直段二，所述波导直段二远离波导直段一一侧设置有波导楔形段，所述波导直段一、波导直段二和波导楔形段内均设置有若干个铁氧体基片。
所述波导直段二内铁氧体基片厚度大于波导直段一内铁氧体基片厚度设置，所述波导楔形段内铁氧体基片厚度大于波导直段二内铁氧体基片厚度设置，所述匹配段、波导直段一、波导直段二和波导楔形段均固定与水冷板上。
优选的，所述匹配段内设置有若干个匹配块。
优选的，所述铁氧体基片均匀分布设置在波导直段一、波导直段二和波导楔形段内。
优选的，所述波导楔形段靠近波导直段二一侧的高度大于波导楔形段另一侧高度设置。
优选的，所述水冷板为不锈钢-铜-不锈钢三层结构设置。
优选的，所述匹配段、波导直段一、波导直段二和波导楔形段均通过粘接胶固定在水冷板上。
优选的，所述匹配段、波导直段一、波导直段二和波导楔形段均通过焊接方式固定在水冷板上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一种波导型高功率铁氧体负载，其中铁氧体负载主要包括匹配段、波导直段、波导楔形段组成，铁氧体基片均匀分布在负载波导的内部，块与块之间间隙设计,在负载终端的波导短接到一起，可以有效防止热应力集中造成挤压碎裂；本发明中从负载入口到终端，在铁氧体片布局时将薄的铁氧体片铺在前面，从入口到终端逐渐增加铁氧体片的厚度，使铁氧体片吸收的功率密度差异减小，从而减少前端铁氧体热沉积，同时也加大了负载终端附近铁氧体片的衰减；采用胶粘工艺，可以有效的提高散热性能，使用效果好。
附图说明
图1为本发明负载微波结构示意图；
图2为本发明铁氧体基片的温度ΔT与其面积S、厚度d、吸收功率P及导热系数k关系公式；
图3为本发明不同厚度铁氧体片的最高温度表；
图4为本发明不同厚度铁氧体片的带来的功率衰减表；
图5为本发明功率分配关系图；
图6为本发明负载在波导的整个带宽内驻波比(VSWR)与频段关系图。
图中标号：1、匹配段；2、波导直段一；3、波导直段二；4、波导楔形段；5、铁氧体基片；6、水冷板；7、匹配块。
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。
实施例一：请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：一种波导型高功率铁氧体负载，包括匹配段1，匹配段1内设置有若干个匹配块7，匹配段1一侧设置有波导直段一2，波导直段一2远离匹配段1一侧设置有波导直段二3，波导直段二3远离波导直段一2一侧设置有波导楔形段4，波导楔形段4靠近波导直段二3一侧的边长大于波导楔形段4另一侧边长设置，波导直段一2、波导直段二3和波导楔形段4内均设置有若干个铁氧体基片5，铁氧体基片5的尺寸为15mm×15mm×1mm，得出铁氧体基片5的最高温度和功率衰减数据，铁氧体基片5均匀分布设置在波导直段一2、波导直段二3和波导楔形段4内，相邻铁氧体基片5之间间隙相距1毫米，可以有效防止热应力集中造成挤压碎裂，匹配段1、波导直段一2、波导直段二3和波导楔形段4均通过粘接胶固定与水冷板6上，水冷板6为不锈钢-铜-不锈钢三层结构设置，实现高效散热操作，减少热量聚集。
实施例二：请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：一种波导型高功率铁氧体负载，包括匹配段1，匹配段1内设置有若干个匹配块7，匹配段1一侧设置有波导直段一2，波导直段一2远离匹配段1一侧设置有波导直段二3，波导直段二3远离波导直段一2一侧设置有波导楔形段4，波导楔形段4靠近波导直段二3一侧的边长大于波导楔形段4另一侧边长设置，波导直段一2、波导直段二3和波导楔形段4内均设置有若干个铁氧体基片5，铁氧体基片5的尺寸为15mm×15mm×1.3mm，得出铁氧体基片5的最高温度和功率衰减数据，铁氧体基片5均匀分布设置在波导直段一2、波导直段二3和波导楔形段4内，相邻铁氧体基片5之间间隙相距1毫米，可以有效防止热应力集中造成挤压碎裂，匹配段1、波导直段一2、波导直段二3和波导楔形段4均通过粘接胶固定与水冷板6上，水冷板6为不锈钢-铜-不锈钢三层结构设置，实现高效散热操作，减少热量聚集。
实施例三：请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：一种波导型高功率铁氧体负载，包括匹配段1，匹配段1内设置有若干个匹配块7，匹配段1一侧设置有波导直段一2，波导直段一2远离匹配段1一侧设置有波导直段二3，波导直段二3远离波导直段一2一侧设置有波导楔形段4，波导楔形段4靠近波导直段二3一侧的边长大于波导楔形段4另一侧边长设置，波导直段一2、波导直段二3和波导楔形段4内均设置有若干个铁氧体基片5，铁氧体基片5的尺寸为15mm×15mm×1.6mm，得出铁氧体基片5的最高温度和功率衰减数据，铁氧体基片5均匀分布设置在波导直段一2、波导直段二3和波导楔形段4内，相邻铁氧体基片5之间间隙相距1毫米，可以有效防止热应力集中造成挤压碎裂，匹配段1、波导直段一2、波导直段二3和波导楔形段4均通过粘接胶固定与水冷板6上，水冷板6为不锈钢-铜-不锈钢三层结构设置，实现高效散热操作，减少热量聚集。
综合上面高频和热仿真的结果可知，波导内铁氧体基片5越薄，热传导效果更好，单位面积内铁氧体基片5吸收功率小，考虑到波导型铁氧体基片5负载功率流的方向性，同样厚度的铁氧体基片5波导入口处吸收功率多，热流密度大，为了避开热量主要沉积在输入端铁氧体基片5基片的问题，减少前端铁氧体基片5热沉积，因而在铁氧体基片5布局时将薄的铁氧体基片5铺在前面，从入口到终端逐渐增加铁氧体基片5的厚度，使铁氧体基片5吸收的功率密度差异减小，从而减少前端铁氧体基片5热沉积，同时也加大了负载终端附近铁氧体基片5的衰减。
工作原理：以P波段频率峰值功率3MW，平均功率150kW波导型大功率铁氧体基片5负载设计为例，由于波导楔形段4的尾部电场比较集中，容易发生打火，因此做出如图4的功率分配关系，波导直段一2衰减4.7dB，吸收的平均功率为100kW；波导直段二3衰减6.2dB,吸收的平均功率为38kW；波导楔形段4衰减9dB,吸收的平均功率为18kW，通过CST仿真计算峰值功率3MW时最大电场强度2.46e+05V/m,比空气击穿电场强度3e6V/m，低1个数量级，打火概率小，随着厚度减小，从负载入口到终端，布局时将薄的铁氧体基片5铺在前面，从入口到终端逐渐增加铁氧体基片5的厚度，使铁氧体基片5吸收的功率密度差异减小，从而减少前端铁氧体基片5热沉积，同时也加大了负载终端附近铁氧体基片5的衰减，为了减少铁氧体基片5加工的复杂性及加工成本，从负载入口到终端，将波导铁氧体基片5的种类分成了三种，波导直段一2和波导直段二3的铁氧体基片5厚度分别为1mm，1.3mm，波导楔形段5的铁氧体基片5厚度d为1.6mm，这三段铁氧体基片5材料性质保持一样，铁氧体介电常数12，磁损耗16.2，环境温度为25℃时，利用CST软件仿真进行计算后，波导直段一2最高温度为64.3℃，波导直段二3最高温度为69.8℃，波导楔形段4最高温度为63.5℃，均小于粘接胶150℃的长效使用温度；
不加匹配段1，按照此方法设计，负载在波导的整个带宽内驻波比(VSWR)小于1.1，频段490MHz～750MH，具有极宽的使用带宽，频率549MHz时VSWR<1.01，如果需要其他频率点有更低的VSWR，只需将负载的匹配段1与负载连接进行匹配调节即可；
经过此种方法，设计出来的铁氧体负载具有功率容量大，带宽宽，驻波性能好，通过分段式设计、逐渐增加铁氧体基片5厚度等方式使铁氧体基片5吸收的功率密度差异减小，在一定程度上避开热量主要沉积在输入端铁氧体基片5的问题，减少前端铁氧体片因为热沉积引起的开裂问题，提升系统稳定性，同时也加大了负载的功率容量。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种波导型高功率铁氧体负载，包括匹配段(1)，其特征在于：所述匹配段(1)一侧设置有波导直段一(2)，所述波导直段一(2)远离匹配段(1)一侧设置有波导直段二(3)，所述波导直段二(3)远离波导直段一(2)一侧设置有波导楔形段(4)，所述波导直段一(2)、波导直段二(3)和波导楔形段(4)内均设置有若干个铁氧体基片(5)。
2.根据权利要求1所述的一种波导型高功率铁氧体负载，其特征在于：所述波导直段二(3)内铁氧体基片(5)厚度大于波导直段一(2)内铁氧体基片(5)厚度设置，所述波导楔形段(4)内铁氧体基片(5)厚度大于波导直段二(3)内铁氧体基片(5)厚度设置，所述匹配段(1)、波导直段一(2)、波导直段二(3)和波导楔形段(4)均固定与水冷板(6)上。
3.根据权利要求1所述的一种波导型高功率铁氧体负载，其特征在于：所述匹配段(1)内设置有若干个匹配块(7)。
4.根据权利要求1所述的一种波导型高功率铁氧体负载，其特征在于：所述铁氧体基片(5)均匀分布设置在波导直段一(2)、波导直段二(3)和波导楔形段(4)内。
5.根据权利要求1所述的一种波导型高功率铁氧体负载，其特征在于：所述波导楔形段(4)靠近波导直段二(3)一侧的高度大于波导楔形段(4)另一侧高度。
6.根据权利要求2所述的一种波导型高功率铁氧体负载，其特征在于：所述水冷板(6)为不锈钢-铜-不锈钢三层结构设置。
7.根据权利要求1所述的一种波导型高功率铁氧体负载，其特征在于：所述匹配段(1)、波导直段一(2)、波导直段二(3)和波导楔形段(4)均通过粘接胶固定在水冷板(6)上。
8.根据权利要求1所述的一种波导型高功率铁氧体负载，其特征在于：所述匹配段(1)、波导直段一(2)、波导直段二(3)和波导楔形段(4)均通过焊接方式固定在水冷板(6)上。
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