一种新型高功率毫米波双锥体水负载的制作方法

本发明属于微波功率吸收、测量技术领域，具体涉及一种应用在高功率毫米波系统中的新型宽带高功率容量水负载。

背景技术：

近年来随着毫米波技术的突破性进展，毫米波电真空器件在高分辨率毫米波成像、毫米波对抗和微波通信系统等领域具有重要的应用前景。高功率毫米波系统的输出功率能够达到数千瓦甚至数十千瓦级别，为避免强电磁辐射造成电磁环境污染和人体损伤，同时实现高功率微波检测，实验室一般使用吸收负载进行电磁能量吸收。吸收负载按吸收功率量级分类包括小功率负载、中功率负载和高功率负载，按吸收媒质分类包括干负载和水负载。

干负载普遍应用在中、小功率微波、毫米波领域，一般采用耐高温、机械强度高的碳化硅、氧化铍等吸波陶瓷作为吸波材料，外部采用风冷散热结构。因此干负载具有体积小、使用简单等优点。但是吸收陶瓷材料热导率低，影响了干负载整体导热能力，限制了干负载功率容量提升。因此，常见干负载功率容量一般在数瓦至百瓦级别，无法满足高功率毫米波电真空器件的使用要求。

水负载是一种应用在高功率(千瓦级以上)微波、毫米波领域，能够实现微波功率测量的吸收负载。它是利用水对微波、毫米波的强吸收特性，将电磁能量转化成水的热能，并通过水负载内的循环冷却水将热能带走。目前，高功率水负载基本结构主要分为两种：吸收式水负载和辐射式水负载，如图1所示。吸收式水负载基本结构分为斜插水管结构(a)、圆锥结构(b)和斜面梯形结构(c)。斜插水管结构水负载具有低反射的特点，但是由于水室与微波接触面积小，散热面积有限，导致功率容量不足，无法实现高功率微波测量吸收。圆锥结构和斜面梯形结构水负载工作频带较宽，但是由于水室放置在波导内部，易出现玻璃碎裂、漏水等现象，安全性较差。辐射式水负载(d)通过端口辐射的方式进行电磁能量吸收，结构简单且有效的解决了吸收式负载玻璃易碎、漏水的问题，但是这种辐射式水负载结构工作带宽窄，不能满足宽带微波测量吸收的要求。为了提高水负载的工作带宽及功率容量，多种设计方法和措施被尝试，如图(e)所示的改进型辐射式水负载，此结构解决了传统辐射式水负载工作带宽窄的问题，有效的拓宽了水负载工作频带，但是，以上(b)、(c)、(d)、(e)四种水负载都存在水室体积过大，水室内壁的水流速度慢的问题，当输入功率较大时，水室内壁附近的水易出现气化现象，造成水室内压力过大进而引起玻璃炸裂。因此，以上四种结构水负载的功率容量都较小，无法满足高功率毫米波电真空器件数十千瓦级别高功率使用要求。

技术实现要素：

为了进一步提高水负载的功率容量，使其满足高功率毫米波电真空器件的使用要求，同时实现水负载宽带低反射的工作指标，本发明提出一种新型高功率毫米波双锥体水负载。

本发明具体采用如下方案：

一种新型高功率毫米波双锥体水负载，包括一端与回旋行波管输出辐射波导固定连接的圆波导、以及圆波导另一端连接的双锥体水负载，且圆波导内径与回旋行波管输出辐射波导内径一致。其特征在于：所述双锥体水负载由底部为圆形、顶部为圆锥形的内外两层壳体组成并形成中空水室；所述外层圆锥形壳体顶部设置有出水口、圆形底部处设置有进水口。

进一步地，所述两层圆锥形壳体采用的材料其介电常数小于5；可以是石英玻璃、聚四氟乙烯等材料。

本发明采用双锥体水负载结构，一方面，能够减少水负载内部电磁反射，实现宽带低反射的设计目标；另一方面，双锥体结构缩小了水负载体积，提高了水室内壁水流流速，解决了水室局部过热的问题。因此，双锥体结构能够有效提升水负载工作性能。

双锥体水负载水室的几何光学分析设计：利用光学反射和透射原理分析毫米波在空气、壳体介质中的传播路径及其相位变化，通过优化内层壳体厚度实现相位抵消，进而减少反射到毫米波输入端口的能量，降低负载内部反射参数。水负载内部毫米波传播路径图如图5所示。

由几何光学的斯耐尔定律可知：

θi＝θr(1)

θi表示入射角，θt表示折射角，θr表示反射角，ε0为空气相对介电常数，ε1为壳体材料相对介电常数。

要使得反射最小，则需要透射到内层壳体中的透射波，在内层壳体与中层冷却水的分界面上经过一次反射后、再一次透射到水负载内部空气中的传播相移φ与水负载内部空气中的反射波的传播相移有如下关系:

其中n为正整数。

因此，水负载内层壳体厚度计算公式为：

d表示内层壳体厚度，v表示真空中的光速，f表示毫米波工作频率。由(4)便可求出内层壳体的厚度。

水室厚度与电磁辐射强度相关，以下为水负载水室厚度理论计算。根据毫米波在介质内的传播特性优化水室厚度，降低毫米波对外辐射强度。

水的复介电常数表达式为：

εc＝ε′-jε″(5)

ε'表示相对介电常数，ε”表示介质中的电极化损耗。

此时水介质内的毫米波波数为

ω表示毫米波角频率，μ表示水的相对磁导率。

毫米波的传播常数为：

γ＝jkc(7)

又因为

γ＝α+jβ(8)

其中α为衰减常数，表示毫米波每传播单位距离其振幅的衰减量，单位为np/m(捺培/米)；β为相位常数，其单位为rad/m(弧度/米)。根据式(7)、(8)可以计算出α对应数字。

毫米波在介质内的传播方程为

ex表示电场指向方向，exm表示电场横截面分布函数，z表示毫米波传播方向。由(9)式知，当α为正数时，毫米波在介质内沿传播方向不断衰减。因此，根据水负载设计目标可以计算出理想的水室厚度。

功率测量理论计算，根据热功当量原理计算毫米波输出功率：

pa＝pi-pr(10)

其中pi是待求的输入功率，pr是根据反射参数计算的反射到输入端口的功率。

q＝mcδt(11)

m为水的质量，c为水的比热容，δt表示水上升的温度

其中：

q＝paδt(12)

δt为微波功率测量所用时间。

所以，由(10)、(11)、(12)式可得：

pa＝cρνsδt(13)

ν表示入口处水流速度，s表示入口处截面面积。因此，在已知介质比热容ρ的前提下可以通过测量水流速度和温度幅值变化来计算吸收功率，通过(10)式可以计算出输入功率。

根据(13)式可知，负载内部水流流速与吸收功率呈现正相关关系，因此可以通过提高水室水流速度提升水负载功率容量。

本发明有益效果：

1、工作频带宽，反射小：工作带宽大于10ghz，反射参数小于-30db。

2、功率容量大：双锥体玻璃结构缩小了水负载整体体积，提高了水室内壁水流速度，相比传统水负载结构提升功率容量约为一倍。

附图说明

图1常见水负载结构示意图；

图2本发明水负载轴向结构图；

图3本发明水负载轴向剖面图；

图4本发明水负载尺寸图；

图5毫米波传播路径图；

图6本发明水负载的反射参数曲线图(s11)；

图7本发明水负载的电场分布图；

图8本发明水负载的压力分布图；

图9本发明水负载的流速分布图。

附图标号说明：1表示圆波导；2表示入水口；3表示外层壳体；4表示双锥体中空水室；5表示内层壳体；6表示出水口。

具体实施方式

下面结合一种工作在ku波段te11模式水负载设计实例以及附图对本发明作进一步的详细阐述。

设计方法：

首先借助几何光学分析方法和理论分析，建立高功率水负载的分析模型，给出水负载的结构尺寸，然后利用电磁仿真软件hfss建立仿真模型并进行水负载s参数分析和电场分析，最后利用流体仿真软件ansysworkbench进行水负载流体分析，计算水负载内部水流速度分布。

ku波段te11模式水负载设计目标：

工作模式：te11模；

工作频段：ku波段(12——18ghz)；

反射参数：小于-30db；

对外辐射：小于-40db；

ku波段te11模式水负载的尺寸标注见图4。其中水负载内玻璃高度h为320mm，内侧玻璃厚度为3.1mm，圆波导与底部圆形水室内直径φ为64mm，水室厚度为5mm，外侧玻璃厚度为4mm，进水口半径为8mm，出水口半径为10mm。

根据内部玻璃高度与内半径计算的入射角度为85.43度。空气相对介电常数为1，石英玻璃相对介电常数为3.6，中心频率为15ghz时，根据(4)式计算的内层玻璃厚度约为3.1mm。利用三维电磁场数值仿真软件hfss对水负载进行仿真计算，得到s11频率特性曲线见图6：从计算结果可以看出，水负载内层玻璃厚度为3.1mm时，反射参数小于-30db，水负载具有良好的反射特性，此时水负载的工作频带为ku全波段。

根据水的复介电常数以及工作中心频率并结合(8)式计算的水室厚度为5mm，利用hfss对水负载进行仿真分析，电场分布图如图7所示：此时5mm水层的电磁衰减幅度小于1/100，对外辐射小于-40db，此时水负载具有良好的吸收特性和防辐射能力，达到了设计指标。

利用流体分析软件ansysworkbench进行水负载水室流速和压力分布分析。入水口水压设为标准自来水水压0.3mpa，出水口水压设置为标准大气压0.1mpa，如图8所示。此时水室内部水压约为0.2mpa，整体压力分布较为均匀，未出现局部高压现象，水负载结构设计合理。同时进行水室流速分析，如图9所示：此时水室入口流速约为8m/s，出水口流速约为6m/s，水室中部形成湍流模式，且整体流速分布较为均匀，流速范围约5-8m/s，未出现流速过低现象。因此，可以通过提高入水口流速来提高水室整体流速，进而达到提升水负载功率容量的目标。

以上实例仅为方便说明本发明，本发明水负载结构可以适用于其他工作频率、工作模式的水负载上。