一種帶冷卻層的寬帶高平均功率介質微波窗的設計方法與流程

本發明屬于微波真空電子器件cad仿真設計領域，特別涉及一種多層窗片微波窗的設計方法。

背景技術：

微波窗是微波真空電子器件的關鍵部件之一，其主要作用是將管內真空與外界大氣環境相隔離，同時將管外信號盡可能低損耗地耦合進入微波管，或者將管內信號盡可能無損地耦合出去。微波窗性能的優劣將對整管的增益、帶寬、電子注與電磁波互作用的效率、功率容量等方面有著直接的影響，與系統的可靠性和壽命也同樣密切相關。尤其在高功率微波真空電子器件中，微波窗的損壞已成為限制微波管功率進一步提升的瓶頸。

在高功率微波管中，通常采用單層窗片微波窗，通過直接在波導中插入一定厚度的介質窗片構成。窗片形式包括矩形和圓形等。常見的矩形波導單層窗片微波窗如圖1所示，其中1為介質窗片。這種單層窗片微波窗帶寬較窄，散熱效果較差，功率容量較低，大大限制了微波管的性能。為了改善微波窗的性能，可以采用雙層窗片或多層窗片微波窗。傳統的三層窗片微波窗如圖2所示，其中1為中間窗片，2為左側窗片，3為右側窗片。三個介質窗片緊密焊接在一起。通常左側窗片2與右側窗片3具有相同的介電常數，中間窗片1的介電常數不同于兩側窗片。通過合理選擇窗片材料和窗片厚度，可以大大提升三層窗片微波窗的工作帶寬。但是，這種三層窗片微波窗在窗片封接處容易損壞，且散熱效果不佳，導致功率容量變小。為了在保證工作帶寬的基礎上，改善三層窗片微波窗的散熱效果，可以將三層窗片間隔分布，中間通冷卻氣體(空氣或碳氟化合物fc-75等)或液體，進一步提高微波窗的功率容量。這種帶冷卻層的介質微波窗見圖3，其中1為中間窗片，2和2′為冷卻氣體或者液體，3和3′為兩側窗片。

這種帶冷卻層的介質微波窗能夠兼具帶寬和散熱，滿足寬帶高功率微波窗的性能要求。以矩形波導窗為例，其結構參數見圖4，其中a，b分別為矩形波導的寬邊和窄邊，ε0為真空區域的介電常數；εr1,εrb,εra分別為中間窗片1、冷卻液2(2′)和外側窗片3(3′)的相對介電常數。這種帶內部冷卻層的介質微波窗的設計主要是根據中心頻率f0，選擇合適的矩形波導(包括寬邊a和窄邊b)以及陶瓷窗片，設計各陶瓷窗片的厚度與冷卻層的厚度，使得微波窗在工作頻率范圍內滿足所要求的傳輸性能。通常采用對稱的結構設計，即兩側窗片和冷卻層對稱分布在中心窗片的兩側，具有相同的結構尺寸和相同的材料屬性。

設計多層窗片微波窗主要有兩種方法：一種是在所求工作頻帶內利用仿真軟件進行全參數掃描優化，另一種是利用中心頻率電磁波無反射傳輸條件進行理論分析來確定各個結構參數。利用電磁仿真軟件在工作頻帶內對各個參數掃描優化的方法，在介質窗的層數比較多，尤其是大于三時，由于設計參數較多，參數范圍取值較大，需要耗費巨大的機時和存儲空間。在某些情況下，還無法搜索到最優的參數組合使之滿足微波窗的帶寬和駐波比等性能要求。對于第二種方法，在介質窗的層數比較多，尤其是大于三時，推導過程非常復雜，設計效率低。

對于帶冷卻層的寬帶高平均功率介質微波窗，其實質是五層介質。即使采用對稱結構，也有三個結構參數需要確定。采用如上兩種方法的效率都非常低。

技術實現要素：

本發明為解決多層介質窗片微波窗設計難度大、效率低、計算機資源消耗大、耗時等問題，本申請提出了一種帶冷卻層的寬帶高平均功率介質微波窗的設計方法；首先利用中心頻率電磁波垂直入射到傳統三層介質窗的無反射傳輸條件，得到傳統三層介質窗的初始設計參數；然后通過一定的方式映射得到帶內部冷卻層的寬帶高平均功率介質微波窗的結構參數；最后通過電磁仿真軟件對所得到的初始設計參數在初始值附近進行小范圍內的優化設計，就可快速得到兼具帶寬和散熱，滿足性能要求的寬帶高平均功率微波窗。該方法是一種快速高效、便于操作的實用設計方法。

本發明采用的技術方案是：一種帶冷卻層的寬帶高平均功率介質微波窗的設計方法，包括：

s1、根據工作頻段選取相應波導尺寸；

s2、設計傳統三層介質窗，選擇中間窗片介質材料，確定中間窗片相對介電常數εr1，求得中間窗片厚度d1、側窗相對介電常數εr2和側窗厚度d2；

s3、將步驟s2中確定的中間窗片，作為帶冷卻層的寬帶高平均功率介質微波窗的中間窗片；

s4、選擇冷卻層材料，然后確定冷卻層的介電常數；

s5、選擇外層窗片的材料，確定外層窗片的介電常數；

s6、根據步驟s2得到的傳統三層介質微波窗，獲得帶冷卻層的寬帶高平均功率介質微波窗的側窗厚度da和冷卻層厚度db之和l的初始值，以及冷卻層厚度比例系數k的初始值；

s7、對步驟s6確定的l、k的初始值進行小范圍內的掃描以及優化，選取最優電壓駐波比對應的l和k，從而確定帶冷卻層的寬帶高平均功率介質微波窗側窗厚度da和冷卻層厚度db；

s8、對中間窗片厚度d1進行初始值附近微小范圍掃描，根據最優電壓駐波比確定最優中間窗片厚度d1，完成帶冷卻層的寬帶高平均功率介質微波窗中間窗的設計。

進一步地，步驟s6具體為：

首先，讓帶冷卻層的寬帶高平均功率介質微波窗的側窗厚度da與冷卻層厚度db之和等于傳統三層介質微波窗側窗的厚度d2，同時滿足：

εrada+εrbdb＝εr2d2

其中，εra，εrb分別為帶冷卻層的寬帶高平均功率介質微波窗的側窗和冷卻層的相對介電常數，εr2為傳統三層介質微波窗側窗的相對介電常數；

然后，通過求解得到側窗厚度da的初始值與冷卻層厚度db的初始值

最后，引入冷卻層厚度比例系數k，滿足冷卻層厚度db為kl，側窗厚度da為(1-k)·l，從而計算得到冷卻層厚度比例系數k的初始值；

進一步地，步驟s7所述選取最優電壓駐波比對應的l具體為：

根據步驟s6中確定的l的初始值，先通過仿真對參數l在初始值附近進行小范圍掃描，得到第一若干掃描曲線；

設定參考中心頻率，并選取第一若干掃描曲線中中心頻率最靠近參考中心頻率的左右兩組掃描曲線所對應的l值作為參數l的上下界。

更進一步地，步驟s7所述選取最優電壓駐波比對應的k具體為：

首先，選取l上下界對應的兩條掃描曲線中與參考中心頻率更靠近的掃描曲線所對應的l值，對參數k在初始值附近進行小范圍掃描，得到第二若干掃描曲線；

設定參考電壓駐波比，選取第二掃描曲線中中心頻率處的電壓駐波比值最靠近參考電壓駐波比的上下兩組掃描曲線對應的k作為參數k的上下界；

最后對參數l、k在各自的上下界范圍內進行優化，得到最優電壓駐波比對應的一組l和k。

進一步地，步驟s4所述冷卻層材料為液體材料或者氣體材料。

進一步地，步驟s7中所述小范圍為l、k的初始值的85％～115％的范圍。

進一步地，步驟s8中所述微小范圍為d1初始值的95％～105％的范圍。

本發明的有益效果：本發明的方法，將冷卻液層與外側窗視為整體，等效為傳統三層介質窗中的外層介質，從而確定該液體層與外側窗的厚度比例，保證了其等效介電常數與傳統三層介質窗中外層窗介質的介電常數相等；再通過仿真軟件對其長度之和和比例系數進行初始值附近的掃描，進行調諧，從而得到外層窗和液體層的厚度；最后對中間窗片的厚度進行計算值附近的微小范圍內的優化設計，確定其厚度；可快速得到兼具帶寬和散熱，滿足性能要求的寬帶高平均功率微波窗；本申請的方法是一種快速高效、便于操作的實用設計方法；為高功率寬頻帶的矩形窗、圓波導窗等應用提供了設計方案。

附圖說明

圖1傳統單層介質窗模型圖。

圖2傳統三層介質窗模型圖。

圖3帶內部風冷或液冷的三層介質窗模型圖。

圖4帶冷卻層的三層介質窗設計實例中的矩形窗模型圖。

圖5帶冷卻層的寬帶高平均功率介質微波窗的仿真設計流程。

圖6對長度l進行掃描的電壓駐波比曲線。

圖7對比例系數k進行掃描的電壓駐波比曲線。

圖8對中間窗片厚度d1進行掃描的電壓駐波比曲線。

圖9矩形窗設計實例中的反射參數s11。

圖10矩形窗設計實例中的電壓駐波比曲線。

具體實施方式

為便于本領域技術人員理解本發明的技術內容，下面結合附圖對本發明內容進一步闡釋。

下面結合附圖與實例，以中心頻率為32ghz，工作模式為te10模的帶冷卻層的寬帶高平均功率介質矩形微波窗的設計過程為例，對本發明的內容做進一步的詳細舉例說明。

如圖5所示為本申請的方案流程圖，本申請的技術方案為：一種帶冷卻層的寬帶高平均功率介質微波窗的設計方法，包括以下步驟：

s1、根據工作頻段選取相應波導尺寸。

一般情況下，可以根據中心頻率與工作頻率范圍選擇標準的傳輸波導。對本實例要求的中心頻率為32ghz的ka波段矩形波導，查看標準矩形波導數據手冊，可以選擇矩形波導bj320，其寬邊尺寸a＝7.112mm，窄邊尺寸b＝3.556mm。

當然，也可以根據工作頻率范圍，以及矩形波導主模te10模的單模傳輸條件等設計矩形波導。圓波導的選取和矩形波導類似，這個過程為本領域熟知的過程，這里不再贅述。

s2、設計傳統三層介質窗，選擇中間窗片介質材料，確定中間窗片相對介電常數εr1，求得中間窗片厚度d1、側窗相對介電常數εr2和側窗厚度d2。

在設計傳統三層介質窗時，通常采用對稱性設計，即兩側窗片對稱分布在中間窗片兩側，具有相同的厚度和介電常數，并且滿足中間窗的相對介電常數εr1等于兩側窗相對介電常數的乘積。即有：

利用中心頻率電磁波垂直入射到傳統三層介質窗的無反射傳輸條件，各層窗片的厚度d取各層窗片內中心頻率電磁波對應波導波長的1/4，即：

以矩形波導為例，有

其中，f0為中心頻率，c為真空中光速，εr為對應各層介質窗的相對介電常數，比如需要計算中間窗厚度d1時，則εr賦值為εr1；同理計算側窗厚度d2時，εr賦值為εr2；m、n為波導模式的特征值。

對矩形波導主模te10模，有

設計傳統三層介質窗時，首先選取中間窗片1的材料，確定εr1，根據公式(1)求得傳統三層介質窗中兩側窗片2的相對介電常數εr2，再根據公式(2)～(4)求得中間窗片的厚度d1以及側窗的厚度d2，得到傳統三層介質窗的設計方案。

本實施例中，電磁波中心頻率為32ghz，選取中間窗片1的材料為氧化鈹陶瓷，其相對介電常數εr1為6.76，微波窗的工作模式為主模te10，根據公式(4)可求得d1＝0.93mm。由公式(1)可得側窗的相對介電常數εr2＝2.6。由公式(4)可得d2＝1.59mm。

根據上述確定的中間窗片和側窗的介電常數，以及中間窗片厚度d1，側窗厚度d2，即可確定傳統的三層介質微波窗。

s3、根據步驟s2確定的傳統三層介質微波窗，確定帶冷卻層的寬帶高平均功率介質微波窗中間窗片的材料與厚度。

通常，帶冷卻層的寬帶高平均功率介質微波窗的中間窗片和傳統三層窗的中間窗片相同，具有相同的相對介電常數εr1和厚度d1。

s4、選擇冷卻層的氣體或者液體材料，確定冷卻層的介電常數。

對于帶冷卻層的寬帶高平均功率介質微波窗，合適的冷卻氣體或者液體的選擇非常重要。為了減少微波損耗，冷卻氣體一般可選擇空氣或碳氟化合物fc-75等，冷卻液一般可選戊烷、石油醚、汽油、己烷、四氯化碳、甲苯、苯等非極性液體。冷卻氣體或液體的介電常數也需要合理考慮。

本實施例中，選取冷卻層為液態的戊烷，其相對介電常數εrb＝1.8。

s5、選擇外側窗片的材料，確定外側窗片的介電常數。

外層窗片的材料，一般要求有較小的介質損耗角、較高的熱導率、以及較小的介電常數等。

本實施例中，選取外層窗片材料為化學氣相淀積氮化硼陶瓷，即bn-cvd，其相對介電常數εra＝3.4。

s6、根據步驟s2得到的傳統三層介質微波窗，獲得帶冷卻層的寬帶高平均功率介質微波窗側窗厚度da和冷卻層厚度db之和l以及冷卻層厚度比例系數k的初始值。

根據步驟s2得到的傳統三層介質微波窗，可按下面的方式初步確定帶冷卻層的寬帶高平均功率介質微波窗的尺寸da和db。

首先，讓帶冷卻層的寬帶高平均功率介質微波窗的側窗厚度da與冷卻層厚度db之和等于傳統三層介質微波窗側窗的厚度d2，即

da+db＝d2(5)

同時滿足：

εrada+εrbdb＝εr2d2(6)

其中，εra，εrb分別為帶冷卻層的寬帶高平均功率介質微波窗的側窗和冷卻層的相對介電常數，εr2為傳統三層介質微波窗側窗的相對介電常數。

由方程(5)和方程(6)聯立求解，可得

記帶冷卻層的寬帶高平均功率介質微波窗的冷卻層厚度與側窗厚度之和為l，并引入冷卻層厚度比例系數k，滿足冷卻層厚度db為kl，側窗厚度da為(1-k)·l，則有：

l＝da+db＝d2(9)

db＝kl(11)

da＝(1-k)l(12)

在本實施例中，l＝1.59mm，k＝0.5。

s7、利用三維電磁仿真軟件在步驟s6確定的l、k的初始值附近進行小范圍的掃描、優化，選取最優電壓駐波比對應的l和k，以此確定帶冷卻層的寬帶高平均功率介質微波窗側窗厚度da和冷卻層厚度db。一般選擇在l、k的初始值±15％的范圍內進行掃描、優化；即l、k的初始值的85％～115％的范圍內進行掃描、優化。掃描一般取3～7個之間，本申請取掃描個數為5個。

選取最優電壓駐波比對應的l的過程為：

首先，根據步驟s6中確定的l，k的初始值，先通過三維電磁仿真軟件對參數l在初始值附近(±15％，即l的初始值的85％～115％的范圍內)進行小范圍掃描，考察其電壓駐波比特性，如圖6所示。

然后，以中心頻率32ghz為參考，選取掃描曲線中中心頻率最靠近32ghz的左右兩組l。如圖6所示，分別是l＝1.350mm和l＝1.4675mm，可以看出l＝1.350mm對應的曲線的中心頻率更靠近32ghz。電壓駐波比，也表示為vswr，以下采用vswr進行闡述。

選取最優電壓駐波比對應的k的過程為：

首先，令l取值為其掃描曲線中中心頻率與32ghz更靠近的曲線所對應的值，即l＝1.350mm，對參數k在初始值附近(±15％，即k的初始值的85％～115％的范圍內)進行小范圍掃描，考察其電壓駐波比特性，如圖7所示。

然后，以vswr為1.2為參考，選取掃描曲線中中心頻率處的vswr值分別最靠近1.2的上下兩組k，可見分別是k＝0.5375和k＝0.575。

最后同時對參數l、k在分別得到的兩組取值范圍內進行目標值s11在25％的相對帶寬內小于-20db的優化。

即對1.350＜l＜1.4675，0.5375＜k＜0.575范圍內進行優化，優化得到的一組l和k的取值為：l＝1.37mm，k＝0.562。對確定的l、k按照公式(11)(12)得到帶冷卻層的寬帶高平均功率介質微波窗側窗厚度da＝0.60mm、冷卻層厚度db＝0.77mm。

s8、利用三維電磁仿真軟件對中間窗片厚度d1進行初始值附近(±5％，即d1初始值的85％～115％的范圍內)的掃描，根據最優電壓駐波比確定最優中間窗片厚度d1，完成帶冷卻層的寬帶高平均功率介質微波窗側窗的設計。

確定l和k的值后，對d1進行計算值附近(±5％)的微小范圍掃描，選取掃描曲線中中心頻率在32ghz的曲線所對應的d1值。

本實施例中，對d1進行掃描，如圖8所示，最終選取d1＝0.95mm，實現中心頻率位于32ghz目標。

一般來說，經過上述的設計步驟，即得到該帶冷卻層的寬帶高平均功率介質微波窗全部參數的設計。如圖9所示(圖中frequency表示頻率)給出了本實施例的輸入反射參數s11曲線，如圖10所示給出了本實施例的vswr曲線，對本實施例的輸入反射參數s11，如圖9所示，在27.8－36.7ghz范圍內，s11小于-20db。對應本實施例中設定的中心頻率32ghz，s11小于-20db的相對帶寬為27.8％。通過軟件仿真發現，此帶冷卻層的寬帶高平均功率微波窗在窗框施以水冷的散熱條件下，可傳輸70kw的高平均功率，從而驗證了本申請方法設計的微波窗，其電參數曲線良好，同時可傳輸較高的平均功率。

本領域的普通技術人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發明的原理，應被理解為本發明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的權利要求范圍之內。