CN218827751U - 新型x波段高功率输出窗 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种新型X波段高功率输出窗，包括依次连接的输入端法兰、输入端矩形波导、共轴的多个圆形腔体、输出端矩形波导、输出端法兰以及密封连接在圆形腔体内的圆形介质窗片，其中圆形腔体构成圆波导，通过这样的结构能够实现微波的混合模式传输，拓宽高频带宽，并且该输出窗的结构简单易于生产、生产成本低。进一步，由于具有中部圆形腔体以及与其两侧连接且直径更小的输入端圆形腔体、输出端圆形腔体，且圆形介质窗片密封地连接在中部圆形腔体内，因此通过两侧直径更小的圆形腔体能够更好地使得微波传输至圆形介质窗片表面时，最大场强分布在介质窗片的中部，而介质窗片边缘部的场强大小尽量减小，从而有效提高该输出窗的功率容量。

Description

新型X波段高功率输出窗

技术领域

本实用新型属于高功率微波(HPM)领域，具体涉及一种新型X波段高功率输出窗。

背景技术

高功率微波(HPM)在科研、民用和国防领域具有非常广泛的应用前景。HPM具有瞬时高峰值功率达到数GW、脉宽从几十至数百纳秒的特点，HPM***中强电磁场击穿是限制其功率容量的主要因素，已成为HPM技术进步的瓶颈和国际性的技术挑战。

高功率微波(HPM)通过天线向空间辐射，因而天线需具有耐高功率不被强电磁场击穿等特点。目前在HPM领域，提高天线耐功率容量的一个普遍方法就是采用阵列天线，天线内部填充SF6气体，功分网络进行抽真空处理。由于天线侧和功分网络侧采取的提高功率容量的方法不一样，因而天线与功分网络之间通过加入输出窗把两者隔开，即在输出窗一侧是真空，另一侧是SF6气体。因而输出窗需要具备耐高功率容量，在强电磁场作用下不发生击穿，并且传输损耗小等特点。

现有的输出窗主要可分为以下两类：

类型一：不作模式变换，也即输出窗里传输的模式不作模式变换，而是直接采用矩形波导TE10模式传输；

类型二：进行模式变换，通过模式变换将矩形波导TE10模转变为圆波导的TE01模进行传输。

其中，类型一的缺点是其耐功率容量不高，当输出窗的传输功率达到MW级别时，输出窗会由于二次电子倍增过大而易发生击穿，进而造成整个***不能使用。

类型二的缺点是其结构复杂、加工成本高，且带宽窄。

实用新型内容

本实用新型是为解决上述问题而进行的，目的在于提供一种功率容量高、结构更简单、加工成本低且使用频带更宽的输出窗，本实用新型采用了如下技术方案：

本实用新型提供了一种新型X波段高功率输出窗，其特征在于，包括：依次连接的输入端法兰、输入端矩形波导、共轴的多个圆形腔体、输出端矩形波导、输出端法兰；以及圆形介质窗片，其中，多个所述圆形腔体至少包括中部圆形腔体以及连接在其两侧的输入端圆形腔体、输出端圆形腔体，所述输入端圆形腔体和所述输出端圆形腔体的直径均小于所述中部圆形腔体的直径，所述圆形介质窗片密封地连接在所述中部圆形腔体内。

本实用新型提供的新型X波段高功率输出窗，还可以具有这样的技术特征，其中，所述输入端矩形波导和所述输出端矩形波导的尺寸一致，多个所述中部圆形腔体还包括：输入端扩频用圆形腔体，连接在所述输入端矩形波导管和所述输入端圆形腔体之间；以及输出端扩频用圆形腔体，连接在所述输出端圆形腔体和所述输出端矩形波导管之间，所述输入端扩频用圆形腔体的直径和所述输出端扩频用圆形腔体的直径均大于所述输入端矩形波导的边长，用于展宽该新型X波段高功率输出窗的使用频带。

本实用新型提供的新型X波段高功率输出窗，还可以具有这样的技术特征，其中，所述输入端扩频用圆形腔体的直径、所述输出端扩频用圆形腔体的直径均小于所述中部圆形腔体的直径。

本实用新型提供的新型X波段高功率输出窗，还可以具有这样的技术特征，其中，所述输入端矩形波导和所述输出端矩形波导的内腔的宽边边长均为28.5mm，窄边边长均为15mm，长度均为30mm，所述中部圆形腔体的内腔直径为2.25λ，长度为0.87λ，所述输入端圆形腔体和所述输出端圆形腔体的直径均为1.06λ，长度均为0.76λ，λ为自由空间波长。

本实用新型提供的新型X波段高功率输出窗，还可以具有这样的技术特征，其中，输入端扩频用圆形腔体和所述输出端扩频用圆形腔体的直径均为1.5λ，长度均为0.49λ。

本实用新型提供的新型X波段高功率输出窗，还可以具有这样的技术特征，其中，所述圆形介质窗片为陶瓷材料，焊接在所述中部圆形腔体内，其面方向与所述中部圆形腔体的中心轴线相垂直。

本实用新型提供的新型X波段高功率输出窗，还可以具有这样的技术特征，其中，所述陶瓷材料为氧化铝陶瓷。

本实用新型提供的新型X波段高功率输出窗，还可以具有这样的技术特征，其中，所述圆形介质窗片的厚度为0.08λ，直径为2.25λ，λ为自由空间波长。

本实用新型提供的新型X波段高功率输出窗，还可以具有这样的技术特征，其中，所述输入端法兰、所述输入端矩形波导、多个所述圆形腔体、所述输出端矩形波导、所述输出端法兰均为钢材质，通过焊接进行连接。

本实用新型提供的新型X波段高功率输出窗，还可以具有这样的技术特征，其中，所述输入端圆形腔体、所述输出端圆形腔体与所述中部圆形腔体的连接位置处分别具有弧形的过渡段。

实用新型作用与效果

根据本实用新型的新型X波段高功率输出窗，包括依次连接的输入端法兰、输入端矩形波导、共轴的多个圆形腔体、输出端矩形波导、输出端法兰以及密封连接在圆形腔体内的圆形介质窗片，其中圆形腔体构成圆波导，通过这样的结构能够实现微波的混合模式传输，拓宽高频带宽，并且该输出窗的结构简单易于生产、生产成本低。进一步，由于多个圆形腔体包括中部圆形腔体以及与其两侧连接且直径更小的输入端圆形腔体、输出端圆形腔体，且圆形介质窗片密封地连接在中部圆形腔体内，因此通过两侧直径更小的圆形腔体能够使得微波传输至圆形介质窗片表面时，最大场强分布在介质窗片的中部，而介质窗片边缘部的场强大小尽量减小，从而有效提高该输出窗的功率容量。

附图说明

图1是本实用新型实施例中新型X波段高功率输出窗的立体图；

图2是本实用新型实施例中新型X波段高功率输出窗的侧视图；

图3是本实用新型实施例中新型X波段高功率输出窗的剖视图。

附图标记：

新型X波段高功率输出窗10；输入端法兰11；输入端矩形波导12；输入端扩频用圆形腔体13；输入端圆形腔体14；中部圆形腔体15；输出端圆形腔体16；输出端扩频用圆形腔体17；输出端矩形波导18；输出端法兰19；圆形介质窗片20。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本实用新型的新型X波段高功率输出窗作具体阐述。

<实施例>

图1-图3分别是本实施例中新型X波段高功率输出窗的立体图、侧视图和剖视图。

如图1-图3所示，本实施例的新型X波段高功率输出窗10(以下简称输出窗10)包括依次连接的输入端法兰11、输入端矩形波导12、输入端扩频用圆形腔体13、输入端圆形腔体14、中部圆形腔体15、输出端圆形腔体16、输出端扩频用圆形腔体17、输出端矩形波导18、输出端法兰19，形成贯通的整体腔体。该输出窗10还包括密封地连接在中部圆形腔体15内的圆形介质窗片20，以圆形介质窗片20为界将整体腔体分为两部分。

输入端法兰11、输出端法兰19均为圆形法兰，材料为不锈钢，分别用于固定连接输出窗10的两端。

输入端矩形波导12、输出端矩形波导18为尺寸一致的具有预定长度的矩形波导管，材料为不锈钢。

输入端扩频用圆形腔体13和输出端扩频用圆形腔体17的尺寸一致，材料为不锈钢。输入端扩频用圆形腔体13整体大致呈圆柱状，具有预定的长度，其一个圆面上具有与输入端矩形波导12的横断面相匹配的方形通孔，另一个圆面上具有与输入端圆形腔体14的横断面相匹配的圆形通孔。输入端扩频用圆形腔体13的直径大于输入端矩形波导12的横断面的宽边，且大于输入端圆形腔体14的直径。

输入端圆形腔体14和输出端圆形腔体16的尺寸一致，材料为不锈钢。输入端圆形腔体14整体大致呈圆柱状，具有预定的长度，长度方向两端开口且具有向外弯曲的弧形部，也即焊接到一起后，输入端圆形腔体14和中部圆形腔体15的连接位置处形成弧形的过渡段。

中部圆形腔体15的材料为不锈钢，整体大致呈圆柱状，具有预定的长度，其直径大于输入端扩频用圆形腔体13的直径。

输入端扩频用圆形腔体13、输入端圆形腔体14、中部圆形腔体15、输出端圆形腔体16、输出端扩频用圆形腔体17均共轴设置，相邻两个之间通过焊接方式固定连接。输入端矩形波导12一端通过焊接固定在输入端扩频用圆形腔体13的一个圆面的中部，另一端与输入端法兰11焊接。输出端矩形波导19一端通过焊接固定在输出端扩频用圆形腔体18的一个圆面的中部，另一端与输出端法兰19焊接。

也即该输出窗10是一种对称的输出窗。

圆形介质窗片20呈圆形片状，其边缘部密封地焊接在中部圆形腔体15内部，将整体腔体内两侧的真空和SF16气体隔绝开。沿中部圆形腔体15的长度方向，圆形介质窗片20位于其中部，且圆形介质窗片20的面方向与中部圆形腔体15的中心轴线相垂直。圆形介质窗片20的材料为氧化铝陶瓷。

也即，该输出窗10为一个二端口微波器件，包括两端的两个矩形波导以及中部的多个圆波导，在输出窗10两端，输入输出的微波均为TE₁₀模式，在输出窗10圆波导内，通过TE₁₁和TM₁₁的混合模式叠加，使得介质边缘场降为0。为使微波顺利传输，矩形波导和圆波导的尺寸需要满足以下条件：该波导传输的电磁波的频率高于其截止频率。

本实施例中，X波段的频率范围为f0±150MHz，输出窗10即工作在这一频率范围内。

输入端矩形波导12内腔的宽边边长为28.5mm，窄边边长为15mm，长度为30mm，输出端矩形波导19的尺寸与之一致。

输入端扩频用圆形腔体13的内腔直径为1.5λ(λ为自由空间波长)，长度为0.49λ。输出端扩频用圆形腔体17的尺寸与之一致。

输入端圆形腔体14的内腔直径1.06λ，长度为0.76λ。输出端圆形腔体16的尺寸与之一致。

中部圆形腔体15的内腔直径为2.25λ，长度为0.87λ。

圆形介质窗片20的厚度为0.08λ，直径为2.25λ。

以上尺寸通过优化设计得到，通过优化设计输出窗10的各个圆形腔体的尺寸，可以使得微波传输到圆形介质窗片20表面时，圆形介质窗片20的边缘部的场强大小接近于0，最大场强则分布在圆形介质窗片20的中心。

经测试，在X波段，本实施例的输出窗10的功率可达到20MW以上，带宽可达到300MHz。

此外，圆形介质窗片20的介电常数为9.8，是纯度大于97％的氧化铝陶瓷。

本实施例中，未详细说明的部分为本领域的公知技术。

实施例作用与效果

根据本实施例提供的新型X波段高功率输出窗10，包括依次连接的输入端法兰11、输入端矩形波导12、共轴的多个圆形腔体、输出端矩形波导18、输出端法兰19以及密封连接在圆形腔体内的圆形介质窗片20，通过这样的结构能够实现微波传输的模式变换，并且该输出窗10的结构简单易于生产、生产成本低。进一步，由于多个圆形腔体包括中部圆形腔体15以及与其两侧连接且直径更小的输入端圆形腔体14、输出端圆形腔体16，且圆形介质窗片20密封地连接在中部圆形腔体15内，因此通过两侧直径更小的圆形腔体能够更好地使得微波传输至圆形介质窗片20的表面时，最大场强分布在圆形介质窗片20的中部，而圆形介质窗片20的边缘部的场强大小尽量减小，从而有效提高该输出窗10的功率容量。

实施例中，在输出窗10内不需要进行圆波导TE₀₁模式变换，因而不需要设置结构复杂的模式变换器等结构，使得输出窗10在实现理想传输效果的同时结构更简单、易于生产。

实施例中，圆形介质窗片20为耐热的氧化铝陶瓷材料，并且五个圆形腔体以及圆形介质窗片20的结构尺寸经过优化设计，能够使得微波传输至圆形介质窗片20的表面时，最大场强分布在圆形介质窗片20的中心，圆形介质窗片20的边缘部的场强接近于0，从而有效提高输出窗10的功率容量。

实施例中，在输入端矩形波导12和输入端圆形腔体14之间还连接有输入端扩频用圆形腔体13，在输出端矩形波导18和输出端圆形腔体16之间还连接有输出端扩频用圆形腔体17，这两个圆形腔体的直径大于矩形波导的宽边的边长，能够有效拓宽输出窗10的使用频带。

实施例中，两端的法兰、矩形波导以及多个圆形腔体均为钢材质，通过焊接进行连接，因此易于加工制造。

上述实施例仅用于举例说明本实用新型的具体实施方式，而本实用新型不限于上述实施例的描述范围。

Claims (10)

1.一种新型X波段高功率输出窗，其特征在于，包括：

依次连接的输入端法兰、输入端矩形波导、共轴的多个圆形腔体、输出端矩形波导、输出端法兰；以及

圆形介质窗片，

其中，多个所述圆形腔体至少包括中部圆形腔体以及连接在其两侧的输入端圆形腔体、输出端圆形腔体，所述输入端圆形腔体和所述输出端圆形腔体的直径均小于所述中部圆形腔体的直径，

所述圆形介质窗片密封地连接在所述中部圆形腔体内。

2.根据权利要求1所述的新型X波段高功率输出窗，其特征在于：

其中，所述输入端矩形波导和所述输出端矩形波导的尺寸一致，

多个所述中部圆形腔体还包括：

输入端扩频用圆形腔体，连接在所述输入端矩形波导管和所述输入端圆形腔体之间；以及

输出端扩频用圆形腔体，连接在所述输出端圆形腔体和所述输出端矩形波导管之间，

所述输入端扩频用圆形腔体的直径和所述输出端扩频用圆形腔体的直径均大于所述输入端矩形波导的边长，用于展宽该新型X波段高功率输出窗的使用频带。

3.根据权利要求2所述的新型X波段高功率输出窗，其特征在于：

其中，所述输入端扩频用圆形腔体的直径、所述输出端扩频用圆形腔体的直径均小于所述中部圆形腔体的直径。

4.根据权利要求2所述的新型X波段高功率输出窗，其特征在于：

其中，所述输入端矩形波导和所述输出端矩形波导的内腔的宽边边长均为28.5mm，窄边边长均为15mm，长度均为30mm，

所述中部圆形腔体的内腔直径为2.25λ，长度为0.87λ，

所述输入端圆形腔体和所述输出端圆形腔体的直径均为1.06λ，长度均为0.76λ，

λ为自由空间波长。

5.根据权利要求4所述的新型X波段高功率输出窗，其特征在于：

其中，输入端扩频用圆形腔体和所述输出端扩频用圆形腔体的直径均为1.5λ，长度均为0.49λ。

6.根据权利要求1所述的新型X波段高功率输出窗，其特征在于：

其中，所述圆形介质窗片为陶瓷材料，焊接在所述中部圆形腔体内，其面方向与所述中部圆形腔体的中心轴线相垂直。

7.根据权利要求6所述的新型X波段高功率输出窗，其特征在于：

其中，所述陶瓷材料为氧化铝陶瓷。

8.根据权利要求6所述的新型X波段高功率输出窗，其特征在于：

其中，所述圆形介质窗片的厚度为0.08λ，直径为2.25λ，

λ为自由空间波长。

9.根据权利要求1所述的新型X波段高功率输出窗，其特征在于：

其中，所述输入端法兰、所述输入端矩形波导、多个所述圆形腔体、所述输出端矩形波导、所述输出端法兰均为钢材质，通过焊接进行连接。

10.根据权利要求1所述的新型X波段高功率输出窗，其特征在于：

其中，所述输入端圆形腔体、所述输出端圆形腔体与所述中部圆形腔体的连接位置处分别具有弧形的过渡段。

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