[发明专利]一种宽带同轴窗的设计方法

说明书

本发明公开了一种宽带同轴窗的设计方法，属于真空电子器件微波输能窗技术领域。该方法利用宽带同轴窗的等效电路模型，结合微波网络理论，由中心频率无反射的条件快速得到初步满足要求的同轴窗尺寸，然后，利用三维电磁场数值模拟软件对结构参数在小范围内进行扫描与优化，即可快速得到满足性能要求的结构尺寸。本发明可以快速准确地求出满足特定性能要求的宽带同轴窗初始结构尺寸，克服了单纯利用三维电磁模拟软件进行设计所带来的耗时长、计算机资源消耗大等问题，为高性能同轴窗的快速高效设计提供了一种行之有效的方法。

技术领域

本发明属于真空电子器件微波输能窗技术领域，具体涉及一种宽带同轴窗的设计方法。

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。

在各种微波输能窗中，同轴窗由于结构和工艺简单、工作频带宽的特点，成为中小功率行波管中最常用的结构。在耦合腔行波管中，由于输入功率比较小，在输入耦合器中也经常采用同轴窗。典型的宽带同轴窗由同轴内导体1、同轴外导体2和陶瓷窗片3组成，其结构与尺寸示意图分别见图1与图2。在一些应用场合下，为了增加了窗与金属的有效封接面，增加窗的封接强度和气密性，采用如图3与图4所示的同轴窗结构。在该结构中，窗片半径d1大于陶瓷窗片两侧的空气或真空间隙外半径c1，陶瓷窗片的圆周面与侧面同时与窗零件封接。

宽带同轴窗的设计主要是根据同轴传输线的特性，包括同轴线的内导体外半径a和外导体内半径b，特性阻抗Z₀和工作频率范围，选择合适的陶瓷窗片(窗片材料及窗片厚度t)，并设计陶瓷窗片两侧的间隙半径c与间隙厚度L，使得整个微波窗在工作频率范围内满足所要求的传输性能。目前，宽带同轴窗的设计主要利用三维电磁场数值模拟软件进行大量的仿真与优化计算，以获得满足性能要求的结构尺寸。这种单纯利用计算机模拟的方法需要对各个结构参数在很大范围内进行扫描仿真与优化，因而模拟与优化过程耗时长、计算机资源消耗大。本发明了提出一种宽带同轴窗的设计计算方法。该方法利用宽带同轴窗的等效电路模型，结合微波网络理论，由中心频率无反射的条件快速得到初步满足要求的同轴窗尺寸，然后，利用三维电磁场数值模拟软件对结构参数在小范围内进行扫描与优化，即可快速得到满足性能要求的结构尺寸。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中宽带同轴窗设计存在耗时长、计算机资源消耗大、无法快速准确获得满足要求的初始结构尺寸的问题，提出了一种宽带同轴窗设计方法。

本发明的技术方案为：一种宽带同轴窗的设计方法，包括以下步骤：

S1、根据微波窗的工作频率范围与功率容量确定同轴线内导体半径a与同轴线外导体内半径b；

S2、选择陶瓷窗片的材料、窗片厚度t，并根据单模传输条件选择陶瓷窗片两侧间隙半径 c；

S3、利用微波网络理论判断步骤S2选择的陶瓷窗片的材料、窗片厚度t、陶瓷窗片两侧的间隙半径c是否满足匹配条件；

若满足，则进入步骤S4；

若不满足，则返回步骤S2；

S4、利用微波网络理论确定间隙厚度L；

S5、利用微波网络理论判断宽带同轴窗的传输特性是否满足初始设计的要求；

若满足，则进入步骤S6；

若不满足，则返回步骤S2；

S6、利用三维电磁模拟软件对设计的典型宽带同轴窗进行建模与仿真，并对陶瓷窗片两侧间隙半径c与间隙厚度L在小范围内进行扫描与优化，得到满足性能要求的宽带同轴窗。