[发明专利]一种宽带大功率同轴窗结构

说明书

技术领域

本发明属于真空电子器件微波输能窗技术领域，具体涉及一种宽带大功率同轴窗结构。

背景技术

微波输能窗是真空电子器件的关键部件之一，其功能是将器件内的高真空环境与外界的大气环境隔离，同时将高频功率尽量小反射地传输到负载或天线。微波输能窗的性能对器件的频带、功率容量、可靠性和寿命具有重要影响。

在电子直线加速器、国际直线对撞机、中子散裂源等大型高功率装置中，经常使用同轴窗。这些高功率装置要求同轴窗能够传输几百千瓦到百兆瓦以上的功率，而不发生电击穿、二次电子倍增等导致陶瓷窗失效的现象。最简单的同轴窗是半波长同轴窗，是在同轴线中插入一段厚度t为半个波导波长(t＝λ′_g/2)的陶瓷窗片，λ′_g为窗片中指定频率的波导波长。对该指定频率，窗片完全透明，电磁波可以无反射地通过。这种半波长同轴窗的窗片表面电场比较大，容易引起陶瓷的电击穿与二次电子倍增效应而导致微波窗的失效。为了降低陶瓷窗表面的电场，发展了行波同轴窗。行波同轴窗通过在陶瓷窗片的两侧匹配感性或容性的匹配元件，调整匹配元件的尺寸以及其与陶瓷窗片的距离，使得窗片表面的输入阻抗与窗片的特性阻抗相等，从而在窗片处实现电磁波的无反射传输。半波长同轴窗与行波同轴窗的结构与电场分布示意图见图1。半波长同轴窗的窗片表面电场比较大，陶瓷窗内传播的波为驻波(驻波的特点：电场幅度具有波节与波腹)。行波同轴窗的陶瓷窗片内传播的波为行波(行波特点：电场的幅度平坦)，窗片表面的电场比较低，可以有效避免窗片的电击穿与二次电子倍增效应，提高功率容量。同时，行波同轴窗的窗片厚度对窗的驻波比影响比较小，可以选择比较厚的窗片以满足机械与封接强度的要求。

半波长同轴窗的结构如图2所示，由同轴线与半波长同轴窗片构成。行波同轴窗结构如图3所示，由同轴线内导体1，同轴线外导体2，陶瓷窗片3与微波匹配元件4构成。采用的微波匹配元件是在同轴内导体上引入一定厚度的金属膜片，通过调整膜片半径、膜片厚度以及膜片与窗片中心的距离实现指定频率电磁波在窗片中心的无反射传输。这种结构的同轴行波窗虽然有效降低了窗片表面的电场，但是为了实现阻抗匹配，匹配膜片的外半径比较大，容易导致匹配膜片附近的电场太大而导致打火或电场击穿。同时，这种结构的同轴行波窗带宽比较窄，仅适合用在对带宽要求不高的真空电子器件中。在对带宽和功率要求都比较高的场合不能胜任。

发明内容

为了有效降低匹配膜片附近的电场，同时兼顾带宽，本发明提出了一种宽带大功率同轴窗结构。在图3所示的行波同轴窗的基础上，在陶瓷窗片两侧引入一段空气或真空间隙，利用因此产生的同轴外导体阶梯产生附加电容，与匹配膜片共同实现窗片中心的阻抗匹配。这种结构的同轴窗可以通过调整陶瓷窗片两侧的间隙厚度，膜片的半径、厚度与位置，实现窗片处的阻抗匹配与窗片内的行波传输，因而具有大的功率容量；同时，可以调整陶瓷窗片两侧的间隙厚度，减小膜片半径，达到降低膜片附近电场的目的，并且这种结构的同轴窗具有更宽的带宽。

本发明具体采用如下技术方案：

一种宽带大功率同轴窗结构，包括同轴内导体、同轴外导体、陶瓷窗片及微波匹配膜片，其特征在于：所述陶瓷窗片两侧均设有一段空气或者真空间隙。

所述空气或者真空间隙的外半径大于同轴外导体的内半径。

所述陶瓷窗片外半径大于或等于间隙外半径。

所述同轴线内导体半径与外导体内半径对应的特性阻抗为标准同轴线阻抗，如50欧姆标准同轴线。

本发明实现了窗片表面的等效输入阻抗与同轴陶瓷窗片特性阻抗相等的阻抗匹配条件，还实现了同轴陶瓷窗片内的行波传输；在降低微波匹配膜片附近电场的同时，提高了功率容量和带宽。与现有技术相比，本发明提供了一种宽带大功率同轴窗，能有效降低陶瓷窗表面与微波匹配膜片附近的电场，提高微波窗的功率容量，同时具有宽宽带的特点。

附图说明

图1为半波长同轴窗与行波同轴窗的结构与电场幅度分布示意图；

图2为一种半波长同轴窗的三维结构图；

图3为一种行波同轴窗的三维结构图；

图4为本发明提出的宽带大功率同轴窗的三维结构图；

图5为一L波段半波长同轴窗的结构尺寸图；

图6为一L波段行波同轴窗的结构尺寸图；

图7为一宽带大功率同轴窗的结构尺寸图；

图8为图5、图6与图7所示三种结构的S11频率特性对比曲线；

图9为图5、图6与图7所示三种结构的电场分布对比曲线。