一種高功率徑向線密封窗的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高功率徑向線密封窗，主要解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺少一種成熟的針對(duì)徑向線的密封窗，不能滿足技術(shù)發(fā)展需求的問題。該高功率徑向線密封窗包括徑向線上板和徑向線下板，安裝于徑向線上板和徑向線下板之間的徑向線，與徑向線下板垂直連接的同軸波導(dǎo)，上端固定于徑向線上板上的變換錐體，位于徑向線上板和徑向線下板之間、變換錐體外側(cè)且與同軸波導(dǎo)共軸的陶瓷環(huán)，所述同軸波導(dǎo)中心位置處設(shè)有內(nèi)導(dǎo)體，該內(nèi)導(dǎo)體與變換錐體下端相連。通過上述方案，本發(fā)明達(dá)到了反射小、傳輸效率高、功率容量高且適用于徑向線的目的，具有很高的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。
【專利說明】一種高功率徑向線密封窗【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高功率微波【技術(shù)領(lǐng)域】的密封窗，具體地說，是涉及一種高功率徑向線密封窗。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著高功率微波技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)高功率微波系統(tǒng)的使用提出了越來越高的要求。由于高功率徑向線陣列天線易于實(shí)現(xiàn)天線的高增益、高效率、高功率和圓極化輻射等，在高功率應(yīng)用方面得到了廣泛的研究。之前所研究的高功率徑向線陣列天線沒有密封窗，為了實(shí)現(xiàn)高功率容量需要對(duì)陣列天線內(nèi)部進(jìn)行抽真空處理，并保證其真空度滿足要求以防止空氣擊穿影響性能。然而，由于陣列天線內(nèi)部空間較大，密封環(huán)節(jié)和位置較多，整體抽真空的難度大且可靠性低。為了進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化高功率徑向線陣列天線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，現(xiàn)今提出了一種方式:在徑向線內(nèi)加入密封窗，并在密封窗位置進(jìn)行真空密封，這樣就可以只需對(duì)同軸波導(dǎo)到密封窗之間區(qū)域進(jìn)行抽真空處理，在徑向線內(nèi)其他區(qū)域可通過充入惰性氣體來滿足陣列天線的功率容量需求。因此，徑向線密封窗性能好壞將直接影響天線的性能。
[0003]密封窗在微波器件中應(yīng)用廣泛，其形式有很多種。早在1955年美國(guó)人H.K JENNY和 F.E.VACCAP0 提出階梯型輸出窗片結(jié)構(gòu)[HK Jenny.A Step-Type, Broadband, X-BandCeramic Waveguide ffindow[J].1EEE Transactions on electron devices, 1956],在介質(zhì)兩邊延伸出兩個(gè)階梯，梯的長(zhǎng)度和中間窗片的厚度都是其所在波導(dǎo)部分波導(dǎo)波長(zhǎng)的四分之一，與窗片兩邊的矩形波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，而此種輸出窗直接嵌在矩形波導(dǎo)中。利頓公司開發(fā)的立頓窗解決了帶寬與增益的矛盾，但只適用于介電常數(shù)較小的情況，而布魯斯窗解決了輸出波導(dǎo)一般是圓波導(dǎo)或者橢圓波導(dǎo)在寬帶中的匹配應(yīng)用，窗片厚度一般取半波長(zhǎng)的整數(shù)倍。2001年博士 George Stephenson Haldeman發(fā)表MIT論文,采用雙層圓弧狀的輸出窗結(jié)構(gòu)[George Stephenson Ha I deman.A Novel vacuum Window for Megawatt Gyrotrons[D], US: MIT, , 2001]，中間通以冷卻劑，大大提高了其機(jī)械承受能力和散熱能力，輸出功率可達(dá)到2.1兆瓦，該窗體可用于矩形波導(dǎo)中。2003年X.Yang等人采用CVD金剛石作窗材料，獲得了在中心頻率左右500MHz帶寬內(nèi)，反射低于-20dB的輸出窗[X Yang, et al.Analysis of Transmission Characteristics for Single and Double Disk Window.2002 27th International Conference on Infrared and Millimeter Waves, 2002],但由于窗體材料的加工過程容易給窗體帶來缺陷，如金剛石加工和封裝過程中有可能會(huì)帶來的額外自由電荷，由此帶來的窗體附加損耗占總損耗的20%-30%，因此在加工過程中必須保證高功率微波輸出窗體材料質(zhì)量。2010年美國(guó)Clifton C.Courtney發(fā)明了一種適合用于矩形波導(dǎo)且工作在基模狀態(tài)下的輸出窗[Clifton C.Courtney.High peak and averagepower-capable microwave window for rectangular waveguide[P].US Patent 2010],該結(jié)構(gòu)將窗體材料用金屬片分為多層，金屬片垂直于電場(chǎng)方向，而止于波導(dǎo)的窄邊，由于這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能有效抑制二次電子倍增，提高高功率微波輸出窗的輸出功率，同時(shí)由于金屬片具有良好的導(dǎo)電能力，能及時(shí)消除介質(zhì)上的附加電荷，降低附加損耗。北京真空電子技術(shù)研究所從理論與仿真計(jì)算方面對(duì)一種新型的波導(dǎo)輸出窗一橢圓波導(dǎo)輸出窗進(jìn)行可行性分析[趙長(zhǎng)江，王嚴(yán)梅.橢圓波導(dǎo)輸出窗的仿真研究.真空電子技術(shù)，2010]，結(jié)果顯示在18-40GHZ頻率范圍內(nèi)駐波系數(shù)在1.4以下，驗(yàn)證橢圓波導(dǎo)窗作為螺旋線行波管輸出窗的可行性。
[0004]上述研究結(jié)果表明，目前廣泛應(yīng)用使用的密封窗主要有盒型窗、矩形窗、階梯窗和滿足特殊需要的其他形狀的窗等，主要應(yīng)用于矩形波導(dǎo)、同軸波導(dǎo)、圓波導(dǎo)等的密封，而對(duì)于應(yīng)用于徑向線的微波密封窗還未見報(bào)道。
[0005]在這一背景下，本發(fā)明提出了一種高功率徑向線密封窗，用以適應(yīng)行業(yè)發(fā)展需求。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種高功率徑向線密封窗，主要解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺少一種成熟的針對(duì)徑向線的密封窗，不能滿足技術(shù)發(fā)展需求的問題。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
一種高功率徑向線密封窗，包括徑向線上板和徑向線下板，安裝于徑向線上板和徑向線下板之間的徑向線，與徑向線下板垂直連接的同軸波導(dǎo)，上端固定于徑向線上板上的變換錐體，位于徑向線上板和徑向線下板之間、變換錐體外側(cè)且與同軸波導(dǎo)共軸的陶瓷環(huán)，所述同軸波導(dǎo)中心位置處設(shè)有內(nèi)導(dǎo)體，該內(nèi)導(dǎo)體與變換錐體下端相連。
[0008]具體地說所述變換錐體為倒圓臺(tái)形結(jié)構(gòu)。
[0009]進(jìn)一步地，所述徑向線上板和徑向線下板均為臺(tái)階結(jié)構(gòu)，徑向線上板上固定變換錐體和陶瓷環(huán)位置處內(nèi)凹，徑向線下板上與徑向線上板內(nèi)凹位置對(duì)應(yīng)處內(nèi)凹。
[0010]作為優(yōu)選，所述陶瓷環(huán)和徑向線上板之間、陶瓷環(huán)和徑向線下板之間均采用金屬化封接方式相連。
[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
(I)本發(fā)明公開了一種滿足徑向線需求的微波密封窗，并進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化了高功率徑向線陣列天線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，大大提高了其可靠性，滿足饋源的真空密封需求，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率容量高的特點(diǎn)，符合技術(shù)發(fā)展需求，具有突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，適合大規(guī)模推廣應(yīng)用。
[0012](2)本發(fā)明中，陶瓷環(huán)與徑向線上板和徑向線下板間的連接采用金屬化封接，因而可以完全確保內(nèi)部的真空密封，且上板和下板均采用臺(tái)階結(jié)構(gòu)，因而可以減小三相點(diǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)整個(gè)密封窗的高功率容量，充分確保了徑向線的工作性能。
[0013](3)在應(yīng)用時(shí)，通過調(diào)節(jié)變換錐體、陶瓷環(huán)和與內(nèi)凹位置對(duì)應(yīng)的突出結(jié)構(gòu)的尺寸便可實(shí)現(xiàn)由同軸波導(dǎo)處輸入功率的良好匹配，實(shí)施十分方便，符合實(shí)際需求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明的剖視圖。
[0015]圖2為本發(fā)明的俯視圖。
[0016]上述附圖中，附圖標(biāo)記對(duì)應(yīng)的部件名稱如下:
1-同軸波導(dǎo)，2-變換錐體，3-徑向線，4-陶瓷環(huán)，5-突出結(jié)構(gòu)；
3a-徑向線上板，3b-徑向線下板?！揪唧w實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，本發(fā)明的實(shí)施方式包括但不限于下列實(shí)施例。
實(shí)施例
[0018]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺少一種成熟的針對(duì)徑向線的密封窗，不能滿足技術(shù)發(fā)展需求的問題，如圖1~2所示，本發(fā)明公開了一種高功率徑向線密封窗，包括同軸波導(dǎo)1、變換錐體2、徑向線3、陶瓷環(huán)4、突出結(jié)構(gòu)5、徑向線上板3a和徑向線下板3b (在本實(shí)施例中簡(jiǎn)稱下板和上板)，其具體安裝方式如下:
徑向線3安裝于徑向線上板3a和徑向線下板3b之間；同軸波導(dǎo)I與徑向線下板3b垂直連接；變換錐體2為倒圓臺(tái)形結(jié)構(gòu)，其上端固定于徑向線上板3a上、下端與徑向線3內(nèi)導(dǎo)體相接(內(nèi)導(dǎo)體設(shè)置于同軸波導(dǎo)I中心位置處);陶瓷環(huán)4位于徑向線上板3a和徑向線下板3b之間、變換錐體2外側(cè)且與同軸波導(dǎo)I共軸，優(yōu)選將陶瓷環(huán)4與徑向線3之間采用金屬化封接連接。
[0019]為了減小三相點(diǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)整個(gè)密封窗的高功率容量，將徑向線上板3a和徑向線下板3b均設(shè)置為臺(tái)階結(jié)構(gòu)，其中，徑向線上板3a為內(nèi)凹型，變換錐體2和陶瓷環(huán)4位于其上內(nèi)凹處，徑向線下板3b上與徑向線上板3a內(nèi)凹位置對(duì)應(yīng)處內(nèi)凹，根據(jù)實(shí)際需求，可以設(shè)置高度可調(diào)的突出結(jié)構(gòu)5，即外凸結(jié)構(gòu)。
[0020]實(shí)施時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)由同軸波導(dǎo)處輸入功率的良好匹配只需調(diào)節(jié)變換錐體、陶瓷環(huán)和突出結(jié)構(gòu)的尺寸便可 。
[0021]經(jīng)驗(yàn)證表明，當(dāng)微波工作頻率為2.856GHz ;同軸波導(dǎo)內(nèi)外導(dǎo)體半徑分別為14.5mm和6.5mm ;突出結(jié)構(gòu)相對(duì)于徑向線的上下板分別突出4mm和8mm ;變換錐體半徑為33mm、高58.5mm ;陶瓷環(huán)內(nèi)徑36_、厚3_時(shí)，數(shù)值模擬結(jié)果為:
在2.7~3 GHz頻帶范圍內(nèi)，高功率徑向線密封窗反射系數(shù)小于0.1，陶瓷環(huán)表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度為179V/m且位于其中間位置，三相點(diǎn)最大場(chǎng)強(qiáng)為133V/m，按照空氣擊穿閾值計(jì)算該密封窗的設(shè)計(jì)功率容量約150MW。上述結(jié)果表明，該高功率徑向線密封窗具有反射小，功率容量高的特性。
[0022]按照上述實(shí)施例，便可很好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
【權(quán)利要求】
1.一種高功率徑向線密封窗，其特征在于，包括徑向線上板(3a)和徑向線下板(3b )，安裝于徑向線上板(3a)和徑向線下板(3b )之間的徑向線(3 )，與徑向線下板(3b )垂直連接的同軸波導(dǎo)(1)，上端固定于徑向線上板(3a)上的變換錐體(2)，位于徑向線上板(3a)和徑向線下板(3b)之間、變換錐體(2)外側(cè)且與同軸波導(dǎo)(I)共軸的陶瓷環(huán)(4)，所述同軸波導(dǎo)(I)中心位置處設(shè)有內(nèi)導(dǎo)體，該內(nèi)導(dǎo)體與變換錐體(2 )下端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高功率徑向線密封窗，其特征在于，所述變換錐體(2)為倒圓臺(tái)形結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高功率徑向線密封窗，其特征在于，所述徑向線上板(3a)和徑向線下板(3b)均為臺(tái)階結(jié)構(gòu)，徑向線上板(3a)上固定變換錐體(2)和陶瓷環(huán)(4)位置處內(nèi)凹，徑向線下板(3b)上與徑向線上板(3a)內(nèi)凹位置對(duì)應(yīng)處內(nèi)凹。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高功率徑向線密封窗，其特征在于，所述陶瓷環(huán)(4)和徑向線上板(3a)之間、陶瓷環(huán)(4)和徑向線下板(3b)之間均采用金屬化封接方式相連。
【文檔編號(hào)】H01P5/10GK103647128SQ201310715752
【公開日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2013年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月23日
【發(fā)明者】張健穹, 劉慶想, 李相強(qiáng), 王邦繼, 張政權(quán), 王慶峰, 楊志軍 申請(qǐng)人:西南交通大學(xué)