一種微波輸出窗的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種微波輸出窗，該微波輸出窗包含第一金屬膜片和第二金屬膜片，以及第一防護環和第二防護環，該微波輸出窗使得介質窗片內的微波為行波狀態，介質窗片內的場強可顯著降低，避免了介質窗片被高頻擊穿損壞，進而獲得較普通盒型窗更高的功率容量；防護環增大了介質窗片與圓波導焊接處的表面積，進一步減小了焊接處的場強，避免了介質窗片被高頻擊穿損壞；介質窗片厚度小，介質損耗小，降低了介質窗片損耗功率；防護環的存在降低了介質窗片的封接難度，提高了介質窗片與圓波導的焊接可靠性。
【專利說明】
一種微波輸出窗
技術領域
[0001] 本實用新型涉及大功率真空電子器件技術領域，尤其涉及一種微波輸出窗。
【背景技術】
[0002] 高能加速器、對撞機、自由電子激光器等大型科學實驗裝置的發展對數十到百兆 瓦功率量級的速調管提出了需求。此類速調管的設計、制作與測試具有很高的難度，尤其體 現在其輸出窗部件上。輸出窗在速調管中有兩個功能，一是保證速調管與外界的真空隔離， 二是把微波能量高效率地傳輸至外負載。隨著微波功率量級的提高，輸出窗介質窗片處的 場強急劇增大，容易發生高頻擊穿，使介質窗片損壞。為此，需要發展具有更高功率容量的 速調管輸出窗。
[0003] 速調管的微波輸出一般采用盒形窗（見文獻"大功率速調管輸出窗設計的研究"， 北京廣播學院學報，2004年12月，第11卷，第4期），其結構如圖1所示，其由圓波導13、介質窗 片14、矩形輸入波導11、矩形輸出波導12組成。其介質窗片14的厚度為1/2波導波長，在介質 窗片兩側的微波均以行波模式傳播，而介質窗片內的微波則為駐波模式。
[0004] 在高峰值功率速調管中，輸出窗的主要失效原因是高頻電場擊穿造成介質窗片損 壞。若要提高輸出窗功率容量，主要是降低介質窗片處的電場強度。為此，國外學者曾提出 大半徑盒形窗、長尺寸盒形窗、波紋介質窗片盒形窗等結構，其思路集中在加大介質窗片表 面積以降低電場強度上，這種方式可以在一定程度上提高功率容量，但效果并不顯著。同 時，輸出窗幾何尺寸的擴大是有限度的，當介質窗片直徑大于波導對角線長度過多時，容易 引起非工作模式振蕩現象，加大介質窗片損壞的幾率。現有技術存在如下技術缺陷：
[0005] (1)在普通盒型窗中，介質窗片內的微波場以駐波形式存在，電場強度大，容易引 起高頻擊穿；
[0006] (2)介質窗片較厚，容易引起振蕩模式，且介質損耗大；
[0007] (3)介質窗片與圓波導焊接處未采取保護措施，焊接造成的不均勻性容易引起高 頻擊穿;受以上技術缺陷限制，普通盒型窗功率容量較低。 【實用新型內容】
[0008] (一)要解決的技術問題
[0009] 為了解決現有技術存在的上述問題，本實用新型提供了一種微波輸出窗。
[0010] (二)技術方案
[0011] 本實用新型提供了一種微波輸出窗，該微波輸出窗包括矩形輸入波導11、矩形輸 出波導12、圓波導13、第一金屬膜片15和第二金屬膜片16,其中，第一金屬膜片15為矩形環 狀結構，該矩形環狀結構的外周長等于矩形輸入波導11矩形截面的內周長，其四邊固定于 矩形輸入波導11的靠近圓波導13的內腔壁;第二金屬膜片16為矩形環狀結構，該矩形環狀 結構的外周長等于矩形輸入波導12矩形截面的內周長，其四邊固定于矩形輸入波導12的靠 近圓波導13的內腔壁。
[0012] 優選地，該微波輸出窗還包括介質窗片14、第一防護環17和第二防護環18,第一防 護環17和第二防護環18為圓環結構，圓環的外直徑等于圓波導13內腔的直徑，第一防護環 17和第二防護環18分別緊貼介質窗片14的兩側并固定于圓波導13的內腔壁。
[0013] 優選地，第一金屬膜片15和第二金屬膜片16與介質窗片14阻抗匹配，微波在介質 窗片14表面無反射，介質窗片14內的微波呈行波狀態。
[0014] 優選地，第一金屬膜片15和第二金屬膜片16與介質窗片14表面的距離L滿足：
[0015]
[0016] 式中Agj7g分別為微波在介質窗片14內和介質窗片14外的圓波導13內腔的波導波 長。
[0017] 優選地，介質窗片14厚度為λ'g/4，Yg為微波在介質窗片14外的圓波導13內腔的波 導波長。
[0018] 優選地，第一金屬膜片15和第二金屬膜片16的截面為圓形、矩形或其他形狀。
[0019] 優選地，第一防護環17和第二防護環18的截面為圓形、矩形或其他形狀。
[0020] 優選地，矩形輸入波導11、矩形輸出波導12為兩端開口、截面為矩形的柱形腔體。
[0021] 優選地，圓波導13為圓柱形腔體，其兩端面各開有一開口，開口尺寸與矩形輸入波 導11和矩形輸出波導12的矩形截面的尺寸匹配，圓波導13兩端面開口對準矩形輸入波導11 和矩形輸出波導12的開口，分別與矩形輸入波導11和矩形輸出波導12連接。
[0022] 優選地，其特征在于，介質窗片14為具有一定厚度的圓形窗片，其直徑等于圓波導 13內腔的直徑，其四周密閉固定于圓波導13的內腔壁。
[0023](三)有益效果
[0024] 從上述技術方案可以看出，本實用新型的微波輸出窗具有以下有益效果：
[0025] (1)介質窗片內的微波為行波狀態，介質窗片內的場強可顯著降低，避免了介質窗 片被高頻擊穿損壞，進而獲得較普通盒型窗更高的功率容量；
[0026] (2)防護環增大了介質窗片與圓波導焊接處的表面積，進一步減小了焊接處的場 強，避免了介質窗片被高頻擊穿損壞；
[0027] (3)介質窗片厚度小，介質損耗小，降低了介質窗片損耗功率；
[0028] (4)防護環的存在降低了介質窗片的封接難度，提高了介質窗片與圓波導的焊接 可靠性。
【附圖說明】
[0029] 圖1為現有技術的微波輸出窗的結構圖；
[0030] 圖2為本實用新型實施例的微波輸出窗的三維外觀圖；
[0031 ]圖3為本實用新型實施例的微波輸出窗的三維半剖視圖；
[0032] 圖4為本實用新型實施例的微波輸出窗的二維剖視圖；
[0033] 圖5為本實用新型實施例的微波輸出窗的制造方法流程圖。
[0034]【符號說明】
[0035] 11-矩形輸入波導；12-矩形輸出波導；13-圓波導；14-介質窗片；15-第一金屬膜 片；16-第二金屬膜片；17-第一防護環;18-第二防護環。
【具體實施方式】
[0036] 為使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并 參照附圖，對本實用新型進一步詳細說明。
[0037] 作為大功率微波電子系統的關鍵部件，微波輸出窗將高頻功率傳送出去的同時， 還使器件內部保持良好的氣密性。普遍使用的盒型輸出窗將一個圓盤介質片密封在截面相 同的圓波導中，兩端和矩形波導連接。高功率容量的微波輸出窗具有重要意義和迫切需求， 如何避免介質片被高頻電場擊穿以提高輸出窗的功率容量是一個重要課題，本實用新型正 是提供了一種微波輸出窗，可以避免介質片被高頻電場擊穿，從而提高了輸出窗的功率容 量。
[0038] 參照圖2、圖3和圖4,在本實用新型第一實施例中，提供了一種微波輸出窗。該微波 輸出窗包括矩形輸入波導11、矩形輸出波導12、圓波導13、介質窗片14、第一金屬膜片15、第 二金屬膜片16、第一防護環17和第二防護環18。其中，
[0039] 矩形輸入波導11、矩形輸出波導12為兩端開口、截面為矩形的柱形腔體；
[0040] 圓波導13為圓柱形腔體，其兩端面各開有一開口，開口尺寸與矩形輸入波導11和 矩形輸出波導12的矩形截面的尺寸匹配，圓波導13兩端面開口對準矩形輸入波導11和矩形 輸出波導12的開口，分別與矩形輸入波導11和矩形輸出波導12連接；
[0041] 介質窗片14為具有一定厚度的圓形窗片，其直徑等于圓波導13內腔的直徑，其四 周密閉固定于圓波導13的內腔壁；
[0042] 第一金屬膜片15位于矩形輸入波導11的靠近圓波導13的腔體端部，其為矩形環狀 結構，該矩形環狀結構的外周長等于矩形輸入波導11矩形截面的內周長，其四邊固定于矩 形輸入波導11的內腔壁；
[0043] 第二金屬膜片16位于矩形輸出波導12的靠近圓波導13的腔體端部，其為矩形環狀 結構，該矩形環狀結構的外周長等于矩形輸出波導12矩形截面的內周長，其四邊固定于矩 形輸出波導12的內腔壁；
[0044] 第一防護環17和第二防護環18為圓環結構，圓環的外直徑等于圓波導13內腔的直 徑，其分別緊貼介質窗片14的兩側固定于圓波導13的內腔壁。
[0045] 本實用新型的微波輸出窗，微波在微波輸出窗傳輸時，圓波導13內的工作模式為 TEii模式，矩形輸入波導11及輸出波導工作模式為TEio模式。
[0046] 優選地，圓波導13為無氧銅材料，圓波導13內腔的直徑為57.8_，長度為72.85_。 優選地，矩形輸入波導11和矩形輸出波導12的截面內腔尺寸為標準波導截面尺寸，材料為 無氧銅，矩形輸入波導11和矩形輸出波導12分別高溫釬焊至圓波導13兩端;更進一步地，矩 形輸入波導11和矩形輸出波導12的截面內腔尺寸為C波段標準波導截面尺寸，22.15mmX 44.55mm〇
[0047] 優選地，在本實用新型的實施例中，為了獲得最大帶寬，介質窗片14厚度優選Vg/ 4，Vg為微波在介質窗片14外的圓波導13內腔中的波導波長，介質窗片14選用陶瓷材料。更 進一步地，介質窗片14選用97%氧化鋁陶瓷，介質窗片14直徑為57.8_，介質窗片14厚度為 3.85mm，介質窗片14四周側面金屬化，例如鉬金屬鍍膜，以便于與圓波導13焊接。介質窗片 14與圓波導13經高溫釬焊固結，介質窗片14位于第一防護環17和第二防護環18之間、圓波 導13的中間位置。
[0048] 第一金屬膜片15和第二金屬膜片16與介質窗片14的阻抗良好匹配，起到調諧作 用，使微波在介質窗片14表面無反射，從而使得介質窗片14內的微波呈行波狀態，相比于現 有技術中介質窗片14內的微波呈駐波狀態，減小了介質窗片14內的電場強度，并且增大了 微波輸出窗的帶寬，從而避免了在高功率輸出狀態下介質窗片14被擊穿，提高了微波輸出 窗的輸出功率。
[0049] 優選地，第一金屬膜片15和第二金屬膜片16的截面為圓形、矩形或其他形狀，材料 為不銹鋼材料，第一金屬膜片15和第二金屬膜片16分別釬焊于矩形輸入波導11和矩形輸出 波導12內。
[0050] 優選地，第一金屬膜片15和第二金屬膜片16與介質窗片14表面距離L滿足：
[0051]
[0052] 式中Agj7g分別為微波在介質窗片14內和介質窗片14外的圓波導13內腔的波導波 長。第一金屬膜片15和第二金屬膜片16的截面尺寸通過CST電磁軟件進行參數掃描優化計 算，當介質窗片14無反射時對應的截面尺寸即為所需的截面尺寸，從而確定第一金屬膜片 15和第二金屬膜片16的尺寸。
[0053]第一防護環17和第二防護環18增大了介質窗片14與圓波導13內腔接觸處的表面 積，相當于增大了介質窗片14四周邊緣處的面積，從而增大了介質窗片14的表面積，進一步 減小了介質窗片14處的電場強度，并且，相對于簡單地加大介質窗片14直徑來增大介質窗 片14表面積的做法，本實用新型采用的第一防護環17和第二防護環18無需增大介質窗片14 直徑，可以在不改變微波輸出窗幾何尺寸的情況下，增大介質窗片14表面積，從而避免了介 質窗片14直徑大于矩形波導對角線長度過多時引起的非工作模式振蕩現象，減小了介質窗 片14損壞的概率。
[0054]并且，第一防護環17和第二防護環18的存在為介質窗片14與圓波導13內腔接觸處 提供了保護，降低了介質窗片14的封接難度，提高了介質窗片14與圓波導13的焊接可靠性， 避免了由于封裝和焊接不均勻引起的強電場畸變，出現軸向強電場而造成微波輸出窗的擊 穿。
[0055] 優選地，第一防護環17和第二防護環18的截面為圓形、矩形或其他形狀，其尺寸通 過CST電磁軟件計算確定，通過計算第一防護環17和第二防護環18表面的電場強度，達到所 需的安全值所對應的尺寸即為第一防護環17和第二防護環18的尺寸;其材料為無氧銅，與 圓波導13釬焊在一起;更進一步地，第一防護環17和第二防護環18的截面為半徑3mm的圓 形。
[0056] 需要說明的是，本實施例的微波輸出窗不必同時包括金屬膜片和防護環，其可以 不包括第一金屬膜片15和第二金屬膜片16,從而構成本實用新型的另一實施例的微波輸出 窗，也可以不包括第一防護環17和第二防護環18,從而構成本實用新型的又一實施例的微 波輸出窗。
[0057]參照圖5,本實用新型的第二實施例提出了一種第一實施例的微波輸出窗的制造 方法，具體包括：
[0058]步驟A:將介質窗片14、第一防護環17和第二防護環18固定于圓波導13內腔。
[0059] 步驟A具體包括：
[0060] 子步驟Al:將第一防護環17放置于圓波導13內腔，四周與圓波導13內腔壁接觸，將 圓波導13放入高溫釬焊爐，將第一防護環17焊接至圓波導13內腔。
[0061] 子步驟A2:將介質窗片14放置于圓波導13內腔并緊貼第一防護環17,四周與圓波 導13內腔壁接觸，將圓波導13放入高溫釬焊爐，將介質窗片14焊接至圓波導13內腔。
[0062]子步驟A3:將第二防護環18放置于圓波導13內腔并緊貼介質窗片14,四周與圓波 導13內腔壁接觸，將圓波導13放入高溫釬焊爐，將第二防護環18焊接至圓波導13內腔。
[0063] 除了上述方法之外，還可以采用其他的方法來完成步驟A，例如步驟A還可以按照 以下子步驟執行：
[0064] 子步驟ΑΓ:將介質窗片14放置于圓波導13內腔，四周與圓波導13內腔壁接觸，將 圓波導13放入高溫釬焊爐，將介質窗片14焊接至圓波導13內腔。
[0065] 子步驟A2'：將第一防護環17和第二防護環18放置于圓波導13內腔并緊貼介質窗 片14,四周與圓波導13內腔壁接觸，將圓波導13放入高溫釬焊爐，將第一防護環17和第二防 護環18焊接至圓波導13內腔。
[0066] 在步驟A之前、之后或同時，還包括步驟B(圖5僅示出了步驟B在步驟A之后的情 形），
[0067] 步驟B:將第一金屬膜片15、第二金屬膜片16分別固定于矩形輸入波導11和矩形輸 出波導12。
[0068] 步驟B具體包括:將第一金屬膜片15和第二金屬膜片16分別放置于矩形輸入波導 11和矩形輸出波導12,四周與矩形輸入波導11和矩形輸出波導12的內腔壁接觸，將矩形輸 入波導11和矩形輸出波導12放入高溫釬焊爐，將第一金屬膜片15和第二金屬膜片16焊接至 矩形輸入波導11和矩形輸出波導12。
[0069]步驟C:將矩形輸入波導11和矩形輸出波導12連接至圓波導13,制成微波輸出窗。 [0070]步驟C具體包括:將矩形輸入波導11和矩形輸出波導12分別放置于圓波導13兩端， 并放入高溫釬焊爐，將矩形輸入波導11和矩形輸出波導12焊接至圓波導13,制成微波輸出 窗。
[0071]至此，已經結合附圖對本實施例進行了詳細描述。依據以上描述，本領域技術人員 應當對本實用新型的微波輸出窗有了清楚的認識。
[0072]需要說明的是，在附圖或說明書正文中，未繪示或描述的實現方式，均為所屬技術 領域中普通技術人員所知的形式，并未進行詳細說明。此外，上述對各元件的定義并不僅限 于實施例中提到的各種具體結構、形狀或方式，本領域普通技術人員可對其進行簡單地更 改或替換，例如：
[0073] (1)介質窗片選用其他常用陶瓷材料；
[0074] (2)調整各零件尺寸，構成用于非C波段的微波輸出窗；
[0075] (3)實施例中提到的方向用語，例如"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"等，僅是參 考附圖的方向，并非用來限制本實用新型的保護范圍；
[0076] (4)上述實施例可基于設計及可靠度的考慮，彼此混合搭配使用或與其他實施例 混合搭配使用，即不同實施例中的技術特征可以自由組合形成更多的實施例。
[0077] 綜上所述，本實用新型提供一種微波輸出窗，介質窗片的場強可顯著降低，進而獲 得更高的功率容量;介質窗片厚度小，介質損耗小；防護環的存在降低了介質窗片的封接難 度，提高了介質窗片與圓波導的焊接可靠性；由于上述優點，該微波輸出窗功率容量較普通 盒型窗尚。
[0078]以上所述的具體實施例，對本實用新型的目的、技術方案和有益效果進行了進一 步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本實用新型的具體實施例而已，并不用于限制本 實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包 含在本實用新型的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種微波輸出窗，其特征在于，該微波輸出窗包括矩形輸入波導（11)、矩形輸出波導 (12)、圓波導（13)、第一金屬膜片（15)和第二金屬膜片（16)，其中， 第一金屬膜片（15)為矩形環狀結構，該矩形環狀結構的外周長等于矩形輸入波導（11) 矩形截面的內周長，其四邊固定于矩形輸入波導（11)的靠近圓波導（13)的內腔壁； 第二金屬膜片（16)為矩形環狀結構，該矩形環狀結構的外周長等于矩形輸入波導（12) 矩形截面的內周長，其四邊固定于矩形輸入波導（12)的靠近圓波導（13)的內腔壁。2. 如權利要求1所述的微波輸出窗，其特征在于，該微波輸出窗還包括介質窗片（14)、 第一防護環（17)和第二防護環（18)，第一防護環（17)和第二防護環（18)為圓環結構，圓環 的外直徑等于圓波導（13)內腔的直徑，第一防護環（17)和第二防護環（18)分別緊貼介質窗 片（14)的兩側并固定于圓波導（13)的內腔壁。3. 如權利要求2所述的微波輸出窗，其特征在于，第一金屬膜片（15)和第二金屬膜片 (16)與介質窗片（14)阻抗匹配，微波在介質窗片（14)表面無反射，介質窗片（14)內的微波 呈行波狀態。4. 如權利要求2所述的微波輸出窗，其特征在于，第一金屬膜片（15)和第二金屬膜片 (16)與介質窗片（14)表面的距離L滿足：式中Ag、V g分別為微波在介質窗片（14)內和介質窗片（14)外的圓波導（13)內腔的波導 波長。5. 如權利要求2所述的微波輸出窗，其特征在于，介質窗片（14)厚度為V g/4，V g為微波 在介質窗片（14)外的圓波導（13)內腔的波導波長。6. 如權利要求2所述的微波輸出窗，其特征在于，第一金屬膜片（15)和第二金屬膜片 (16)的截面為圓形、矩形或其他形狀。7. 如權利要求2所述的微波輸出窗，其特征在于，第一防護環（17)和第二防護環（18)的 截面為圓形、矩形或其他形狀。8. 如權利要求2所述的微波輸出窗，其特征在于，矩形輸入波導（11)、矩形輸出波導 (12)為兩端開口、截面為矩形的柱形腔體。9. 如權利要求2所述的微波輸出窗，其特征在于，圓波導（13)為圓柱形腔體，其兩端面 各開有一開口，開口尺寸與矩形輸入波導（11)和矩形輸出波導（12)的矩形截面的尺寸匹 配，圓波導（13)兩端面開口對準矩形輸入波導（11)和矩形輸出波導（12)的開口，分別與矩 形輸入波導（11)和矩形輸出波導（12)連接。10. 如權利要求2所述的微波輸出窗，其特征在于，介質窗片（14)為具有一定厚度的圓 形窗片，其直徑等于圓波導（13)內腔的直徑，其四周密閉固定于圓波導（13)的內腔壁。
【文檔編號】H01P1/08GK205543159SQ201620105266
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年2月2日
【發明人】張瑞, 張志強, 丁海兵, 王勇, 王新蕾, 薛明, 楊修東, 廖云峰, 張波
【申請人】中國科學院電子學研究所