一种高功率径向线密封窗的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种高功率径向线密封窗，主要解决了现有技术中存在的缺少一种成熟的针对径向线的密封窗，不能满足技术发展需求的问题。该高功率径向线密封窗包括径向线上板和径向线下板，安装于径向线上板和径向线下板之间的径向线，与径向线下板垂直连接的同轴波导，上端固定于径向线上板上的变换锥体，位于径向线上板和径向线下板之间、变换锥体外侧且与同轴波导共轴的陶瓷环，所述同轴波导中心位置处设有内导体，该内导体与变换锥体下端相连。通过上述方案，本发明达到了反射小、传输效率高、功率容量高且适用于径向线的目的，具有很高的实用价值和推广价值。
【专利说明】一种高功率径向线密封窗【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高功率微波【技术领域】的密封窗，具体地说，是涉及一种高功率径向线密封窗。
【背景技术】
[0002]随着高功率微波技术的发展，人们对高功率微波系统的使用提出了越来越高的要求。由于高功率径向线阵列天线易于实现天线的高增益、高效率、高功率和圆极化辐射等，在高功率应用方面得到了广泛的研究。之前所研究的高功率径向线阵列天线没有密封窗，为了实现高功率容量需要对阵列天线内部进行抽真空处理，并保证其真空度满足要求以防止空气击穿影响性能。然而，由于阵列天线内部空间较大，密封环节和位置较多，整体抽真空的难度大且可靠性低。为了进一步改进和优化高功率径向线阵列天线的拓扑结构，现今提出了一种方式:在径向线内加入密封窗，并在密封窗位置进行真空密封，这样就可以只需对同轴波导到密封窗之间区域进行抽真空处理，在径向线内其他区域可通过充入惰性气体来满足阵列天线的功率容量需求。因此，径向线密封窗性能好坏将直接影响天线的性能。
[0003]密封窗在微波器件中应用广泛，其形式有很多种。早在1955年美国人H.K JENNY和 F.E.VACCAP0 提出阶梯型输出窗片结构[HK Jenny.A Step-Type, Broadband, X-BandCeramic Waveguide ffindow[J].1EEE Transactions on electron devices, 1956],在介质两边延伸出两个阶梯，梯的长度和中间窗片的厚度都是其所在波导部分波导波长的四分之一，与窗片两边的矩形波导实现阻抗匹配，而此种输出窗直接嵌在矩形波导中。利顿公司开发的立顿窗解决了带宽与增益的矛盾，但只适用于介电常数较小的情况，而布鲁斯窗解决了输出波导一般是圆波导或者椭圆波导在宽带中的匹配应用，窗片厚度一般取半波长的整数倍。2001年博士 George Stephenson Haldeman发表MIT论文,采用双层圆弧状的输出窗结构[George Stephenson Ha I deman.A Novel vacuum Window for Megawatt Gyrotrons[D], US: MIT, , 2001]，中间通以冷却剂，大大提高了其机械承受能力和散热能力，输出功率可达到2.1兆瓦，该窗体可用于矩形波导中。2003年X.Yang等人采用CVD金刚石作窗材料，获得了在中心频率左右500MHz带宽内，反射低于-20dB的输出窗[X Yang, et al.Analysis of Transmission Characteristics for Single and Double Disk Window.2002 27th International Conference on Infrared and Millimeter Waves, 2002],但由于窗体材料的加工过程容易给窗体带来缺陷，如金刚石加工和封装过程中有可能会带来的额外自由电荷，由此带来的窗体附加损耗占总损耗的20%-30%，因此在加工过程中必须保证高功率微波输出窗体材料质量。2010年美国Clifton C.Courtney发明了一种适合用于矩形波导且工作在基模状态下的输出窗[Clifton C.Courtney.High peak and averagepower-capable microwave window for rectangular waveguide[P].US Patent 2010],该结构将窗体材料用金属片分为多层，金属片垂直于电场方向，而止于波导的窄边，由于这样的结构设计能有效抑制二次电子倍增，提高高功率微波输出窗的输出功率，同时由于金属片具有良好的导电能力，能及时消除介质上的附加电荷，降低附加损耗。北京真空电子技术研究所从理论与仿真计算方面对一种新型的波导输出窗一椭圆波导输出窗进行可行性分析[赵长江，王严梅.椭圆波导输出窗的仿真研究.真空电子技术，2010]，结果显示在18-40GHZ频率范围内驻波系数在1.4以下，验证椭圆波导窗作为螺旋线行波管输出窗的可行性。
[0004]上述研究结果表明，目前广泛应用使用的密封窗主要有盒型窗、矩形窗、阶梯窗和满足特殊需要的其他形状的窗等，主要应用于矩形波导、同轴波导、圆波导等的密封，而对于应用于径向线的微波密封窗还未见报道。
[0005]在这一背景下，本发明提出了一种高功率径向线密封窗，用以适应行业发展需求。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种高功率径向线密封窗，主要解决现有技术中存在的缺少一种成熟的针对径向线的密封窗，不能满足技术发展需求的问题。
[0007]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下:
一种高功率径向线密封窗，包括径向线上板和径向线下板，安装于径向线上板和径向线下板之间的径向线，与径向线下板垂直连接的同轴波导，上端固定于径向线上板上的变换锥体，位于径向线上板和径向线下板之间、变换锥体外侧且与同轴波导共轴的陶瓷环，所述同轴波导中心位置处设有内导体，该内导体与变换锥体下端相连。
[0008]具体地说所述变换锥体为倒圆台形结构。
[0009]进一步地，所述径向线上板和径向线下板均为台阶结构，径向线上板上固定变换锥体和陶瓷环位置处内凹，径向线下板上与径向线上板内凹位置对应处内凹。
[0010]作为优选，所述陶瓷环和径向线上板之间、陶瓷环和径向线下板之间均采用金属化封接方式相连。
[0011]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
(I)本发明公开了一种满足径向线需求的微波密封窗，并进一步改进和优化了高功率径向线阵列天线的拓扑结构，大大提高了其可靠性，满足馈源的真空密封需求，具有结构简单、功率容量高的特点，符合技术发展需求，具有突出的实质性特点和显著进步，适合大规模推广应用。
[0012](2)本发明中，陶瓷环与径向线上板和径向线下板间的连接采用金属化封接，因而可以完全确保内部的真空密封，且上板和下板均采用台阶结构，因而可以减小三相点处的电场强度，实现整个密封窗的高功率容量，充分确保了径向线的工作性能。
[0013](3)在应用时，通过调节变换锥体、陶瓷环和与内凹位置对应的突出结构的尺寸便可实现由同轴波导处输入功率的良好匹配，实施十分方便，符合实际需求。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本发明的剖视图。
[0015]图2为本发明的俯视图。
[0016]上述附图中，附图标记对应的部件名称如下:
1-同轴波导，2-变换锥体，3-径向线，4-陶瓷环，5-突出结构；
3a-径向线上板，3b-径向线下板。【具体实施方式】
[0017]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
[0018]为了解决现有技术中存在的缺少一种成熟的针对径向线的密封窗，不能满足技术发展需求的问题，如图1~2所示，本发明公开了一种高功率径向线密封窗，包括同轴波导1、变换锥体2、径向线3、陶瓷环4、突出结构5、径向线上板3a和径向线下板3b (在本实施例中简称下板和上板)，其具体安装方式如下:
径向线3安装于径向线上板3a和径向线下板3b之间；同轴波导I与径向线下板3b垂直连接；变换锥体2为倒圆台形结构，其上端固定于径向线上板3a上、下端与径向线3内导体相接(内导体设置于同轴波导I中心位置处);陶瓷环4位于径向线上板3a和径向线下板3b之间、变换锥体2外侧且与同轴波导I共轴，优选将陶瓷环4与径向线3之间采用金属化封接连接。
[0019]为了减小三相点处的电场强度，实现整个密封窗的高功率容量，将径向线上板3a和径向线下板3b均设置为台阶结构，其中，径向线上板3a为内凹型，变换锥体2和陶瓷环4位于其上内凹处，径向线下板3b上与径向线上板3a内凹位置对应处内凹，根据实际需求，可以设置高度可调的突出结构5，即外凸结构。
[0020]实施时，为了实现由同轴波导处输入功率的良好匹配只需调节变换锥体、陶瓷环和突出结构的尺寸便可 。
[0021]经验证表明，当微波工作频率为2.856GHz ;同轴波导内外导体半径分别为14.5mm和6.5mm ;突出结构相对于径向线的上下板分别突出4mm和8mm ;变换锥体半径为33mm、高58.5mm ;陶瓷环内径36_、厚3_时，数值模拟结果为:
在2.7~3 GHz频带范围内，高功率径向线密封窗反射系数小于0.1，陶瓷环表面最大电场强度为179V/m且位于其中间位置，三相点最大场强为133V/m，按照空气击穿阈值计算该密封窗的设计功率容量约150MW。上述结果表明，该高功率径向线密封窗具有反射小，功率容量高的特性。
[0022]按照上述实施例，便可很好地实现本发明。
【权利要求】
1.一种高功率径向线密封窗，其特征在于，包括径向线上板(3a)和径向线下板(3b )，安装于径向线上板(3a)和径向线下板(3b )之间的径向线(3 )，与径向线下板(3b )垂直连接的同轴波导(1)，上端固定于径向线上板(3a)上的变换锥体(2)，位于径向线上板(3a)和径向线下板(3b)之间、变换锥体(2)外侧且与同轴波导(I)共轴的陶瓷环(4)，所述同轴波导(I)中心位置处设有内导体，该内导体与变换锥体(2 )下端相连。
2.根据权利要求1所述的一种高功率径向线密封窗，其特征在于，所述变换锥体(2)为倒圆台形结构。
3.根据权利要求2所述的一种高功率径向线密封窗，其特征在于，所述径向线上板(3a)和径向线下板(3b)均为台阶结构，径向线上板(3a)上固定变换锥体(2)和陶瓷环(4)位置处内凹，径向线下板(3b)上与径向线上板(3a)内凹位置对应处内凹。
4.根据权利要求3所述的一种高功率径向线密封窗，其特征在于，所述陶瓷环(4)和径向线上板(3a)之间、陶瓷环(4)和径向线下板(3b)之间均采用金属化封接方式相连。
【文档编号】H01P5/10GK103647128SQ201310715752
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月23日 优先权日:2013年12月23日
【发明者】张健穹, 刘庆想, 李相强, 王邦继, 张政权, 王庆峰, 杨志军 申请人:西南交通大学