一種寬帶大功率同軸窗結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于真空電子器件微波輸能窗技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種寬帶大功率同軸窗結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]微波輸能窗是真空電子器件的關(guān)鍵部件之一，其功能是將器件內(nèi)的高真空環(huán)境與外界的大氣環(huán)境隔離，同時(shí)將高頻功率盡量小反射地傳輸?shù)截?fù)載或天線。微波輸能窗的性能對器件的頻帶、功率容量、可靠性和壽命具有重要影響。
[0003]在電子直線加速器、國際直線對撞機(jī)、中子散裂源等大型高功率裝置中，經(jīng)常使用同軸窗。這些高功率裝置要求同軸窗能夠傳輸幾百千瓦到百兆瓦以上的功率，而不發(fā)生電擊穿、二次電子倍增等導(dǎo)致陶瓷窗失效的現(xiàn)象。最簡單的同軸窗是半波長同軸窗，是在同軸線中插入一段厚度t為半個(gè)波導(dǎo)波長(t = λ ' g/2)的陶瓷窗片，λ' 窗片中指定頻率的波導(dǎo)波長。對該指定頻率，窗片完全透明，電磁波可以無反射地通過。這種半波長同軸窗的窗片表面電場比較大，容易引起陶瓷的電擊穿與二次電子倍增效應(yīng)而導(dǎo)致微波窗的失效。為了降低陶瓷窗表面的電場，發(fā)展了行波同軸窗。行波同軸窗通過在陶瓷窗片的兩側(cè)匹配感性或容性的匹配元件，調(diào)整匹配元件的尺寸以及其與陶瓷窗片的距離，使得窗片表面的輸入阻抗與窗片的特性阻抗相等，從而在窗片處實(shí)現(xiàn)電磁波的無反射傳輸。半波長同軸窗與行波同軸窗的結(jié)構(gòu)與電場分布不意圖見圖1。半波長同軸窗的窗片表面電場比較大，陶瓷窗內(nèi)傳播的波為駐波(駐波的特點(diǎn):電場幅度具有波節(jié)與波腹)。行波同軸窗的陶瓷窗片內(nèi)傳播的波為行波(行波特點(diǎn):電場的幅度平坦)，窗片表面的電場比較低，可以有效避免窗片的電擊穿與二次電子倍增效應(yīng)，提高功率容量。同時(shí)，行波同軸窗的窗片厚度對窗的駐波比影響比較小，可以選擇比較厚的窗片以滿足機(jī)械與封接強(qiáng)度的要求。
[0004]半波長同軸窗的結(jié)構(gòu)如圖2所示，由同軸線與半波長同軸窗片構(gòu)成。行波同軸窗結(jié)構(gòu)如圖3所示，由同軸線內(nèi)導(dǎo)體1，同軸線外導(dǎo)體2，陶瓷窗片3與微波匹配元件4構(gòu)成。采用的微波匹配元件是在同軸內(nèi)導(dǎo)體上引入一定厚度的金屬膜片，通過調(diào)整膜片半徑、膜片厚度以及膜片與窗片中心的距離實(shí)現(xiàn)指定頻率電磁波在窗片中心的無反射傳輸。這種結(jié)構(gòu)的同軸行波窗雖然有效降低了窗片表面的電場，但是為了實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，匹配膜片的外半徑比較大，容易導(dǎo)致匹配膜片附近的電場太大而導(dǎo)致打火或電場擊穿。同時(shí)，這種結(jié)構(gòu)的同軸行波窗帶寬比較窄，僅適合用在對帶寬要求不高的真空電子器件中。在對帶寬和功率要求都比較高的場合不能勝任。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了有效降低匹配膜片附近的電場，同時(shí)兼顧帶寬，本發(fā)明提出了一種寬帶大功率同軸窗結(jié)構(gòu)。在圖3所示的行波同軸窗的基礎(chǔ)上，在陶瓷窗片兩側(cè)引入一段空氣或真空間隙，利用因此產(chǎn)生的同軸外導(dǎo)體階梯產(chǎn)生附加電容，與匹配膜片共同實(shí)現(xiàn)窗片中心的阻抗匹配。這種結(jié)構(gòu)的同軸窗可以通過調(diào)整陶瓷窗片兩側(cè)的間隙厚度，膜片的半徑、厚度與位置，實(shí)現(xiàn)窗片處的阻抗匹配與窗片內(nèi)的行波傳輸，因而具有大的功率容量；同時(shí)，可以調(diào)整陶瓷窗片兩側(cè)的間隙厚度，減小膜片半徑，達(dá)到降低膜片附近電場的目的，并且這種結(jié)構(gòu)的同軸窗具有更寬的帶寬。
[0006]本發(fā)明具體采用如下技術(shù)方案:
[0007]—種寬帶大功率同軸窗結(jié)構(gòu)，包括同軸內(nèi)導(dǎo)體、同軸外導(dǎo)體、陶瓷窗片及微波匹配膜片，其特征在于:所述陶瓷窗片兩側(cè)均設(shè)有一段空氣或者真空間隙。
[0008]所述空氣或者真空間隙的外半徑大于同軸外導(dǎo)體的內(nèi)半徑。
[0009]所述陶瓷窗片外半徑大于或等于間隙外半徑。
[0010]所述同軸線內(nèi)導(dǎo)體半徑與外導(dǎo)體內(nèi)半徑對應(yīng)的特性阻抗為標(biāo)準(zhǔn)同軸線阻抗，如50歐姆標(biāo)準(zhǔn)同軸線。
[0011]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了窗片表面的等效輸入阻抗與同軸陶瓷窗片特性阻抗相等的阻抗匹配條件，還實(shí)現(xiàn)了同軸陶瓷窗片內(nèi)的行波傳輸；在降低微波匹配膜片附近電場的同時(shí)，提高了功率容量和帶寬。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供了一種寬帶大功率同軸窗，能有效降低陶瓷窗表面與微波匹配膜片附近的電場，提高微波窗的功率容量，同時(shí)具有寬寬帶的特點(diǎn)。
【附圖說明】
[0012]圖1為半波長同軸窗與行波同軸窗的結(jié)構(gòu)與電場幅度分布示意圖；
[0013]圖2為一種半波長同軸窗的三維結(jié)構(gòu)圖；
[0014]圖3為一種行波同軸窗的三維結(jié)構(gòu)圖；
[0015]圖4為本發(fā)明提出的寬帶大功率同軸窗的三維結(jié)構(gòu)圖；
[0016]圖5為一 L波段半波長同軸窗的結(jié)構(gòu)尺寸圖；
[0017]圖6為一 L波段行波同軸窗的結(jié)構(gòu)尺寸圖；
[0018]圖7為一寬帶大功率同軸窗的結(jié)構(gòu)尺寸圖；
[0019]圖8為圖5、圖6與圖7所示三種結(jié)構(gòu)的Sll頻率特性對比曲線；
[0020]圖9為圖5、圖6與圖7所示三種結(jié)構(gòu)的電場分布對比曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0021]以下通過具體實(shí)例并結(jié)合【附圖說明】本發(fā)明的實(shí)施方式。
[0022]本實(shí)施例提供一種L波段寬帶大功率同軸窗，并與L波段行波同軸窗以及L波段半波長同軸窗進(jìn)行性能對比。三種窗的指定工作頻率f0為1.3GHzο
[0023]半波長同軸窗的結(jié)構(gòu)尺寸見圖5。其中，同軸內(nèi)導(dǎo)體半徑&1為13.385mm，同軸外導(dǎo)體內(nèi)半徑匕為30.8mm，內(nèi)外導(dǎo)體材料為鎳銅合金，同軸內(nèi)導(dǎo)體與同軸外導(dǎo)體組成50歐姆標(biāo)準(zhǔn)同軸線。陶瓷窗片的厚度^為36.8mm,陶瓷窗片采用氧化鋁，相對介電常數(shù)為9.8。
[0024]行波同軸窗的結(jié)構(gòu)尺寸見圖6。其中，同軸內(nèi)導(dǎo)體與同軸外導(dǎo)體尺寸及材料與半波長同軸窗相同。陶瓷窗片的厚度〖2為20_，外半徑1?2為71_，陶瓷窗片采用氧化鋁，相對介電常數(shù)為9.8。匹配膜片材料為鎳銅合金，外半徑&為22.785mm,厚度I 2為10_，匹配膜片與陶瓷窗片的中心間距L2S 35.765mm。
[0025]寬帶大功率同軸窗的結(jié)構(gòu)尺寸見圖7。其中，同軸內(nèi)導(dǎo)體與外導(dǎo)體尺寸及材料與半波長同軸窗以及行波同軸窗相同。陶瓷窗片的材料與尺寸均與行波同軸窗相同。匹配膜片材料為鎳銅合金，外半徑^為18mm，厚度13為10mm，匹配膜片與陶瓷窗片的中心間距L 3為45.5mm。陶瓷窗片兩側(cè)的空氣間隙厚度g為9.5mm，外半徑與陶瓷窗片相同為71mm。這里，寬帶大功率同軸窗采用了更小半徑的膜片，降低了膜片附近的電場。
[0026]利用三維電磁場數(shù)值仿真軟件HFSS對三種L波段同軸窗進(jìn)行仿真計(jì)算，得到Sll頻率特性曲線見圖8。從計(jì)算結(jié)果可以看出，對半波長同軸窗，在1.29GHz至1.32GHz之間的反射系數(shù)Sll小于-30dB，即其-30dB帶寬大約僅有30MHz。對行波同軸窗，在1.24GHz至1.46GHz之間的反射系數(shù)Sll小于-30dB，-30dB帶寬為220MHz。而寬帶大功率同軸窗在0.9GHz至1.51GHz之間的反射系數(shù)Sll小于_30dB，對應(yīng)_30dB帶寬為61OMHz0顯然，本發(fā)明提出的寬帶大功率同軸窗具有更寬的帶寬，其_30dB帶寬達(dá)到行波同軸窗的2.7倍，半波長同軸窗的20倍。
[0027]提取半波長同軸窗內(nèi)導(dǎo)體上方2mm處的電場幅度沿軸向的分布，以及行波同軸窗與寬帶大功率同軸窗膜片上方2_處的電場幅度沿軸向的分布，結(jié)果見圖9。計(jì)算結(jié)果表明，對半波長同軸窗，陶瓷窗片表面的電場與同軸線內(nèi)的電場強(qiáng)度相等，高達(dá)537V/mm，窗片中心電場強(qiáng)度降低至170V/mm左右；陶瓷窗內(nèi)的場為駐波場。對行波同軸窗，窗片表面的電場幅度略高于窗片中心的電場幅度，且都在200V/mm左右，遠(yuǎn)低于同軸線中的電場350V/mm。由于膜片半徑比較大，在膜片附近的電場比較強(qiáng)，電場幅度達(dá)到1000V/mm。對于本發(fā)明提出的寬帶大功率同軸窗，陶瓷窗片表面的電場幅度略低于窗片中心的電場幅度，且均小于200V/mm。相比于同軸線中的電場幅度428V/mm，窗片附近的電場強(qiáng)度降低了一半以上。同時(shí)，由于采用了比行波同軸窗中更小半徑的匹配膜片，膜片附近的電場強(qiáng)度也降低至750V/mm附近，約為行波同軸窗膜片附近的電場幅度的75%。
[0028]通過對L波段的半波長同軸窗、行波同軸窗與本發(fā)明提出的寬帶大功率同軸窗的計(jì)算與分析，本發(fā)明提出的寬帶大功率同軸窗具有寬帶寬的特點(diǎn)，同時(shí)能有效降低窗片表面與匹配膜片附近的電場，有利于擴(kuò)展同軸窗的帶寬，提高同軸窗的功率容量，避免同軸窗的電場擊穿等導(dǎo)致微波窗失效的現(xiàn)象。
[0029]本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會意識到，這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種寬帶大功率同軸窗結(jié)構(gòu)，包括同軸內(nèi)導(dǎo)體、同軸外導(dǎo)體、陶瓷窗片及微波匹配膜片，其特征在于:所述陶瓷窗片兩側(cè)均設(shè)有一段空氣或者真空間隙。2.如權(quán)利要求1所述的一種寬帶大功率同軸窗結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述空氣或者真空間隙的外半徑大于同軸外導(dǎo)體的內(nèi)半徑。3.如權(quán)利要求1所述的一種寬帶大功率同軸窗結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述陶瓷窗片外半徑大于或等于間隙外半徑。4.如權(quán)利要求1所述的一種寬帶大功率同軸窗結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述同軸線內(nèi)導(dǎo)體半徑與外導(dǎo)體內(nèi)半徑對應(yīng)的特性阻抗為標(biāo)準(zhǔn)同軸線阻抗。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種寬帶大功率同軸窗結(jié)構(gòu)，屬于真空電子器件微波輸能窗技術(shù)領(lǐng)域。在行波同軸窗的基礎(chǔ)上，陶瓷窗片兩側(cè)引入了一段空氣或真空間隙，利用因此產(chǎn)生的同軸外導(dǎo)體階梯產(chǎn)生附加電容，與匹配膜片共同實(shí)現(xiàn)窗片中心的阻抗匹配。這種結(jié)構(gòu)的同軸窗可以通過調(diào)整陶瓷窗片兩側(cè)的間隙厚度，膜片的半徑、厚度與位置，實(shí)現(xiàn)窗片處的阻抗匹配與窗片內(nèi)的行波傳輸，因而具有大的功率容量；同時(shí)，可以調(diào)整陶瓷窗片兩側(cè)的間隙厚度，減小膜片半徑，達(dá)到降低膜片附近電場的目的，并且這種結(jié)構(gòu)的同軸窗具有更寬的帶寬。
【IPC分類】H01J23/36
【公開號】CN105225907
【申請?zhí)枴緾N201510598420
【發(fā)明人】朱小芳, 胡權(quán), 胡玉祿, 徐立, 李斌
【申請人】電子科技大學(xué)
【公開日】2016年1月6日
【申請日】2015年9月18日