一种高功率容量的栅格化介质透镜的制作方法

本发明涉及高功率微波技术领域的用作微波输出窗的一种栅格化介质透镜，尤其是一种工作在高功率容量的栅格化介质透镜。

背景技术：

近年来，高功率微波(高功率微波指峰值功率大于100MW、频率在1～100GHz之间的电磁波)在众多领域中的诱人前景引起了许多国家的广泛关注和大量研究投入，并已取得极大的技术进步。目前，高功率微波已在能源、医疗、环境保护等民用和军事等领域提出了较多的应用。

高功率微波的应用需求决定了高功率微波技术朝着高峰值功率、高平均功率、长脉冲、高重复频率、高效率发展。其最终目的是要提高微波的输出能力，包括能量输出能力和功率输出能力。然而，要达到这样的发展目标，需要解决许多相关问题，强场条件下发射天线输出窗的击穿问题是导致高功率微波系统输出效率、功率降低、脉冲缩短的一个重要原因。为了有效解决这一问题，各国学者提出了许多方法，作出了许多有益的探索，如优化输出窗几何结构、选择合适的输出窗材料、对输出窗进行表面处理(清洗输出窗表面、烧氢烘烤、电抛光高压水清洗表面、镀膜等)、外加磁场等。

次级电子发射是导致介质输出窗口击穿的重要原因，优化介质输出窗口结构的目的就是抑制次级电子发射，改善输出窗击穿阈值。M.Pivi等人从理论和实验上研究了人为沟槽金属表面(即在金属表面人为刻蚀沟槽)对于次级电子产生率的影响【M.Pivi,F.K.King,R.E.Kirby.Sharp reduction of the secondary electron emission yield from grooved surfaces[J].J.Appl.Phys.2008,104:104904.】。虽然M.Pivi等人研究的对象是金属，金属并不能用作输出窗材料，但是其研究所得出的不同结构对于次级电子发射的抑制作用的结论对于介质具有借鉴意义。他们考虑了两种类型的沟槽，如图1所示，一种是角度为α的三角形，另一种是凹槽厚度为t，宽度为a，深度为h，周期为b的矩形沟槽。

计算机仿真的结果表明，可以通过在真空室的表面使用凹槽来抑制次级电子产生率。抑制的程度取决于样品的参数：对于三角形凹槽，参数就是角度α；对于矩形凹槽，参数就是h/a和a/t。具体结论为：对于三角形凹槽，角度越小，次级产生率越低，原因是倾斜表面限制了电子聚集在一起的概率。同时发现有效次级电子产生率不取决于三角形凹槽的尺寸，而只是角度α的函数。同时发现减小矩形凹槽次级电子产生率，可以通过大的深度周期比h/a和大的宽度厚度比a/t来实现。

他们加工和测试了斜凹槽(图2)和矩形凹槽(图3)表面。斜凹槽(图2)的样品斜槽的角度为20°，槽尺寸为深度h＝1.0mm，宽度a＝0.35mm，厚度t＝0.05mm。图3展示了一个矩形凹槽样品，凹槽样品深度h＝5.0mm，宽度a＝1.8mm，厚度t＝0.25mm。测量是在无磁场区域完成的，结果表明斜凹槽样品的次级电子产生率几乎是平坦表面的一半，矩形凹槽表面的次级电子产生率降低了60％，实验和仿真很好的吻合。

国内西北核技术研究所的常超等人在理论和实验上研究了周期锯齿形表面和矩形凹槽对真空倍增效应的影响，实物如图4所示。首先常超等人分别从理论和实验上研究了周期锯齿形表面对真空倍增效应的影响【C.Chang,G.Z.Liu,H.J.Huang,et al.Suppressing high-power microwave dielectric multipactor by the sawtooth surface,Phys.Plasmas.2009,16(8):083501.】。他们运用动力学分析和粒子模拟仿真来分析具有不同倾角和高度的周期等腰三角形表面上电子撞击的能量和倍增过程。研究表明：随着倾角的增加，射频电场的切向分量减小，法向分量增大，传输时间减小，撞击能量显著减小，从而抑制了倍增效应。因此，周期等腰三角形表面能有效抑制倍增效应。如果倍增效应被抑制到一定的程度，击穿阈值将会显著增大。他们使用二维粒子模拟仿真研究了具有不同倾角、高度和周期的等腰三角形，发现对于倾角为22.6°，周期为4mm，倍增效应被缓慢抑制到一定程度。对于倾角为45°，周期为2mm，处于较高速度的倍增电子消失，倍增效应能够被有效抑制。他们进行了具有微秒脉冲长度的S波段高功率微波电介质击穿实验。实验最终证实：相对于平面而言，随着倾角从22.6°增加到45°，具有足够大倾角(比如45°)的周期锯齿形表面能够有效提高两倍的击穿阈值。

常超等人同样研究了矩形介质凹槽形状对倍增效应的影响【C.Chang,H.J.Huang,G.Z.Liu，et al.The Effect of grooved surface on dielectric multipactor[J].J.Appl.Phys.2009,105(12):123305.】。分析得出，介质击穿对高功率微波传输的影响，最主要的过程是次级电子增加时，使得电介质或金属中的残留气体释放出来，气体在强电场中发生击穿，从而形成等离子体，最终对微波的传输造成影响，使微波截断或者衰减。文章指出凹槽介质抑制倍增效应的主要物理机理是：通过改变电子的轨迹，降低电子能量，使次级电子产生率降低。仿真得出1mm宽，1mm深，1mm厚的矩形凹槽在射频电场为30kV/cm下能够较好的抑制电子倍增效应，实验也证实了此仿真结果。

李国林等人提出了一种金属栅格化介质透镜的设计构想【一种金属栅格化介质透镜的设计构想[C].全国高电压加速器学术交流会，2012，中国，贵阳】。介绍了一种将金属栅格插入预先加工的介质槽中，形成周期性金属栅结构，如图5所示，金属栅条露出高度H＝3mm，厚度t＝1mm，周期T＝10mm，插入介质深度为0.5mm。其原理是利用金属栅条的高导电性、低二次电子发射率的特点吸收介质产生的二次电子，希望可以抑制电子倍增过程。然而，由于本文的研究之初仅为一个构想，主要存在以下不足：第一，由于机械加工的沟槽与金属栅结合部位存在的少量稀薄气体较难在真空情况下完全排出，因而更容易产生等离子过程，从而使得功率容量并不高，甚至较图4所示沟槽型介质透镜的功率容量低。实验结果表明，利用图5所示结构，在约20kV/cm的高功率微波电场作用下，传输特性良好，而在25kV/cm的高功率微波电场作用下即发生了击穿，实验波形如图6所示，而图4所示沟槽型介质透镜，可在30kV/cm的高功率微波电场作用下保持良好传输性能，因此没有达到预期效果；第二，图5所示的结构为单面周期性金属栅条结构，因此只能对介质输出窗口-真空分界面二次电子过程产生影响，介质输出窗口-空气分界面二次电子倍增过程无法得到缓解；第三，金属栅条的设计和制作方法存在缺陷：①插入深度仅为0.5mm，安装时极易脱落，而保持露出深度H不变(二次电子吸收效率不变)，插入更深(3～5mm)时，微波传输效率下降到90％以下，违背初衷；②金属条间隔周期较大，造成二次电子在微波场中运动获取能量过大，因此需要对二次电子沿表面运动距离进行优化和修正。

虽然目前已经有对输出窗介质结构的优化改进，但在高功率微波应用中仍存在问题：1.由于是在介质基底中刻出凹槽，电子轰击凹槽侧壁的介质上，由于介质的二次电子发生率较高，仍会引起次级二次电子，所以还是较容易发生介质击穿；2.通过在加工好的介质凹槽内插入金属栅格形成周期性金属栅格结构，由于无法排出沟槽与金属栅结合部位存在的稀薄气体，发生介质击穿时，等离子体的形成使传输效率降低，限制功率容量，从而导致输出脉冲缩短，此外这种方式的设计和制作方法存在较大缺陷；3.介质输出窗口-空气分界面二次电子倍增过程也较难得到抑制。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服现有高功率微波发射天线输出窗在介质输出窗口-真空和介质输出窗口-空气分界面容易击穿，导致传输效率不够高，脉冲缩短等不足，提供一种具有高功率容量、击穿阈值高、传输效率高的栅格化介质透镜及其制作方法。

本发明采用的技术方案是：一种高功率容量的栅格化介质透镜，由N条金属栅条和介质输出窗口两部分组成，所述N条金属栅条按照一定的间隔p采用贯穿介质输出窗口厚度方向的方式周期性地排列于介质输出窗口内。

介质输出窗口及金属栅条的结构尺寸满足以下条件：

a.介质输出窗口横截面大小与所需要密封的真空界面的法兰尺寸一致，介质输出窗口厚度d满足以下条件：

其中λ为所需输出高功率微波工作频率对应的自由空间工作波长，ε为介质输出窗口选

用介质的介电常数；

b.金属栅条周期性排列的方向应与高功率微波电场极化方向一致，经优化设计后的周期排列金属栅条两两之间的间隔p为：

式中，INT为取整函数，

E_rf0为高功率微波电场强度(V/m)，e为电子电荷(C)，m为电子质量(kg)，ω为高功率微波工作角频率(Hz)。此处间隔p小于在外加电场作用下，电子离开介质表面距离最远时，沿平行于介质表面运动距离s的一半，而图5给出的间隔为在外加电场作用下，电子离开介质表面距离最远时，沿平行于介质表面运动距离s。因此，相较于图5给出的结构，本发明采用公式(2)计算金属栅条的间隔p，电子运动距离更短，从外加电场中获取的平均动能更小，二次电子可得到更好的抑制；

c.金属栅条的厚度t小于等于0.2λ。对于工作频率在15GHz以下的高功率微波，金属栅条的厚度t典型值可取2mm～8mm，可根据实际传输效率需要、工程难度以及结构强度综合考虑；对于工作频率高于15GHz的高功率微波，0.2λ已经小于4mm，因此实际采用的金属栅条厚度t需要在兼顾工程可实现性和栅格化介质透镜的传输效率(高于90％)的前提下尽量厚。此处，栅格化介质透镜的传输效率可由电磁仿真软件(如CST)仿真得到；

d.金属栅条的宽度w为介质输出窗口厚度d与金属栅条厚度t之和，即w＝d+t，且应保证金属栅条在介质输出窗口-真空和介质输出窗口-空气分界面各露出0.5t的高度；

e.金属栅条的数量N为其在周期性排列的情况下可以覆盖介质输出窗口中发射天线口面部分的最小偶数，且应保证在介质输出窗口对称中心的轴线上不安放金属栅条，并确保在周期性排列的方向上发射天线口面部分剩余未覆盖的介质长度l小于金属栅条排列间隔p与栅条厚度t之和；

例如，对于出口处直径为Ra的圆锥喇叭天线(如图7和图8所示)，

对于出口处沿电场极化方向高度为b0的矩形角锥喇叭天线(如图9所示)，

f.金属栅条长度方向的边界与高功率微波发射天线出口处的边界重合，且应保证与天线出口处金属壁有良好的电接触；

g.金属栅条沿厚度方向的两个端面分别倒圆角，倒角半径r＝0.5*t。

在设计栅格化介质透镜时，需要满足以下几个物理条件：

1.输出窗口工作的承受的高功率微波工作于线极化状态，且工作场强较高，达到20kV/cm～90kV/cm，典型值约60kV/cm；

2.金属栅条种类的选择。一般来说，铜、钨等二次电子产生率小于1.5且次级电子最大初始电子能量大于600eV的金属都是可以考虑的选择，应根据不同的应用要求综合考虑成本、性能、效率各个方面来选。

3.介质种类的选择。介质材料的介电常数要求小于10，损耗角正切小于0.0003，且介质材料的熔点低于所选金属材料的熔点，具体的介质种类应根据不同的应用要求综合考虑成本、性能、效率各个方面来选，主要有氧化铝陶瓷(Al₂O₃)、聚四氟乙烯、超高分子量聚乙烯或其他高分子材料等。

本发明还提出一种如上所述高功率容量栅格化介质透镜的制作方法，该方法包括以下步骤：

S1.利用电磁场计算软件(如CST)计算高功率微波按设计额定功率输出时发射天线口面电场强度E_rf0；

S2.利用发射天线口面电场强度E_rf0和高功率微波工作角频率ω，根据公式(2)计算金属栅条间隔p；

S3.根据高功率微波工作角频率ω计算自由空间波长λ，在不大于0.2λ范围内选择金属栅条的厚度t；

S4.选择金属栅条的金属种类以及介质输出窗口的介质种类，确保金属和介质种类分别满足以下条件：

金属栅条的选择：金属材料的二次电子产生率要求小于1.5且次级电子最大初始电子能量大于600eV，例如铜、钨或银等，具体金属材料的种类应根据不同的应用要求综合考虑成本、性能、效率各个方面来选。

介质种类的选择：介质材料的介电常数要求小于10，损耗角正切小于0.0003，且介质材料的熔点低于所选金属材料的熔点，具体的介质种类应根据不同的应用要求综合考虑成本、性能、效率各个方面来选，主要有氧化铝陶瓷(Al₂O₃)、聚四氟乙烯、超高分子量聚乙烯以及其他高分子材料等。

S5.根据金属栅条的厚度t、间隔p确定周期性排列在介质输出窗口里金属栅条的数量N，以及各个金属栅条的长度；

S6.根据高功率微波输出天线口面形状确定栅格化介质透镜的外形，并根据此外形制作高温模具；

S7.将金属栅条按照相应的位置摆放进入制作好的模具，并用半圆形凹槽将金属栅条固定；

S8.将选择的介质材料熔化，倒入放置了排列好金属栅条的模具内，并确保模具内填充满介质；

S9.待模具冷却固化，取出栅格化介质透镜半成品，修剪各边缘处多余的介质毛料即可形成高功率容量栅格化介质透镜。

本发明的工作原理为：高功率微波以线极化波的形式，入射到栅格化介质透镜表面，由于高功率微波的电场较高，在介质输出窗口、金属栅条以及真空三结合点处，出现场增强，由介质或者金属表面发射电子，在高功率微波电场的作用下电子被加速，打入金属后被金属栅条吸收，由于金属栅条的良好导电性，将多余电子传导至发射天线法兰并导入接地点，同时由于金属栅条的低出气率和高导热性，使得等离子体形成得到了抑制，从而提高了高功率微波辐射系统的功率容量，可以满足高功率微波领域中的应用需求。

本发明具有以下技术效果：与现有技术相比，由于介质透镜表面采用金属栅条隔开，本发明次级电子发射率更小，功率容量大幅提升，传输效率高，脉冲缩短现象大幅减少，可以应用于高功率微波输出系统中。

附图说明

图1为背景技术【M.Pivi,F.K.King,R.E.Kirby.Sharp reduction of the secondary electron emission yield from grooved surfaces[J].J.Appl.Phys.2008,104:104904.】仿真表面结构图；

图2为背景技术【M.Pivi,F.K.King,R.E.Kirby.Sharp reduction of the secondary electron emission yield from grooved surfaces[J].J.Appl.Phys.2008,104:104904.】斜凹槽样品图；

图3为背景技术【M.Pivi,F.K.King,R.E.Kirby.Sharp reduction of the secondary electron emission yield from grooved surfaces[J].J.Appl.Phys.2008,104:104904.】矩形凹槽样品图；

图4为背景技术【C.Chang,G.Z.Liu,H.J.Huang,et al.Suppressing high-power microwave dielectric multipactor by the sawtooth surface,Phys.Plasmas.2009,16(8):083501.】、【C.Chang,H.J.Huang,G.Z.Liu，et al.The Effect of grooved surface on dielectric multipactor[J].J.Appl.Phys.2009,105(12):123305.】三角形凹槽介质和矩形凹槽输出窗图；

图5为【一种金属栅格化介质透镜的设计构想[C].全国高电压加速器学术交流会，2012，中国，贵阳】金属栅格化介质透镜结构示意图；

图6为利用图5所示结构在25kV/cm的电场作用下，远场和在线测量输出波形，可以看出远场波形和在线检测波形相比明显受到影响，脉冲缩短严重，功率下降，由此判断出现了击穿现象；

图7为本发明圆锥喇叭天线栅格化介质透镜结构示意图；

图8为采用本发明栅格化介质透镜的圆锥喇叭天线结构示意图；

图9为本发明矩形角锥喇叭天线栅格化介质透镜结构示意图；

图10为利用图7所示结构在约60kV/cm的高功率微波电场作用下，远场和在线测量输出波形，可以看出功率幅值一致性较好，波形脉宽无明显下降；

图11为利用图7所示结构在约50kV/cm的高功率微波电场作用下，远场和在线测量输出波形，可以看出功率幅值一致性较好，波形脉宽无明显下降。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

具体实施方式例一：

针对1.575GHz高功微波输出，本发明设计了一种圆波导栅格化介质透镜。圆锥喇叭天线的结构参数为入口处直径为D₁＝188mm，出口处直径为Ra＝500mm。如图7和图8圆波导栅格化介质透镜结构示意图所示，在金属栅条周期性排列的同时，使得各金属栅条的长度方向的边界与圆锥喇叭天线出口处直径Ra相同，从而保证金属栅条与天线壁的良好电接触，从而有利于将金属栅条吸收的多余电子传导至发射天线法兰并导入接地点；出口法兰直径Rd与介质输出窗口横截面直径相同；高功率微波工作模式为基模TE₁₁模(线极化)，且极化方向与金属栅条周期性排列的方向一致；金属栅条的厚度t＝2mm，介质输出窗口为聚四氟乙烯，它的厚度d＝63mm，介电常数ε＝2.3，损耗角正切约为0.0001；金属栅条宽度W＝d+t＝67mm；对于注入功率为4GW时，可以利用电磁场计算软件CST计算得到介质输出窗口两侧最大电场约为60kV/cm，可依公式(2)计算得到，金属栅条周期性间隔p＝3mm；同时为了增加透过率，降低电场强度，对金属栅条沿厚度方向的两个端面进行倒圆角处理，其中倒圆角半径r为1mm；金属栅条以中心点为对称点，均匀排列一共100根，具体结构示意图如图7和图8所示。仿真和实验结果表明，当采用以上参数时，设计的栅格化介质透镜反射较小，传输效率高达99.8％，该栅格化介质透镜功率容量大于4GW。

具体实施方式例二：

针对1.3GHz高功微波输出，本发明设计了矩形角锥喇叭天线栅格化介质透镜。矩形角锥喇叭天线的结构参数为出口处宽度a0＝800mm，高度b0＝400mm，法兰宽度a1＝860mm。如图9矩形波导栅格化介质透镜结构示意图所示，在金属栅条周期性排列的同时，使得各金属栅条的长度与矩形角锥喇叭天线的宽度a相同，即800mm，从而保证金属栅条与天线壁的良好电接触，从而有利于将金属栅条吸收的多余电子传导至发射天线法兰并导入接地点；出口法兰长度a1和宽度b1与介质输出窗口横截面直径长度和宽度相同，分别为860mm和460mm；高功率微波工作模式为基模TE₁₀模(线极化)，且极化方向与金属栅条周期性排列的方向一致；金属栅条的厚度t＝2mm，介质输出窗口为聚四氟乙烯，它的厚度d＝76mm，介电常数ε＝2.3，损耗角正切约为0.0001；金属栅条宽度w＝d+t＝70mm；对于注入功率为3.6GW时，可以利用电磁场计算软件CST计算得到介质输出窗口两侧最大电场约为50kV/cm，可依公式(2)计算得到，金属栅条周期性间隔p＝2mm；同时为了增加透过率，降低电场强度，对金属栅条沿厚度方向的两个端面进行倒圆角处理，其中倒圆角半径r为1mm；栅条以中心点为对称点，均匀排列一共98根，具体结构示意图如图8所示。仿真和实验结果表明，当采用以上参数时，设计的栅格化反射较小，传输效率高达99.6％，该栅格化介质透镜功率容量大于3.6GW。