1.一种高功率容量的栅格化介质透镜,其特征在于:所述介质透镜由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,
Erf0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);
c.金属栅条的厚度t小于等于0.2λ;
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;
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。
2.根据权利要求1所述高功率容量的栅格化介质透镜,其特征在于:对于工作频率在15GHz以下的高功率微波,金属栅条的厚度t典型值取2mm~8mm。
3.根据权利要求1所述高功率容量的栅格化介质透镜,其特征在于:对于工作频率高于15GHz的高功率微波,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的前提下尽量厚。
4.根据权利要求1至3任一条所述高功率容量的栅格化介质透镜,其特征在于:所述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。
5.根据权利要求1所述高功率容量的栅格化介质透镜,其特征在于:所述金属栅条的金属种类为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。
6.根据权利要求5所述高功率容量的栅格化介质透镜,其特征在于:所述金属栅条的金属种类为铜或钨。
7.根据权利要求1所述高功率容量的栅格化介质透镜,其特征在于:所述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。
8.根据权利要求7所述高功率容量的栅格化介质透镜,其特征在于:所述介质材料为氧化铝陶瓷、聚四氟乙烯或超高分子量聚乙烯。
9.根据权利要求1所述高功率容量栅格化介质透镜的制作方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
S1.利用电磁场计算软件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Erf0;
S2.利用发射天线口面电场强度Erf0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;
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;
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。