[发明专利]圆波导TE0n

说明书

本发明公开了一种圆波导TE_0n模式超宽带输出窗结构，属于微波电真空器件领域。该结构包括圆波导、设置于圆波导中部的介质窗，介质窗两侧面对称设置有若干个同心环槽，且各同心环槽的中心与介质窗的中心重合。本发明利用同心环槽的结构特性等效为均匀介质层，通过调整同心环槽的尺寸来优化等效介质层的介电常数，优化中间层和两侧等效介质层的厚度，调整微波经过窗片时的相位变化，能够产生类似传统三层窗的相位匹配关系，从而实现宽带匹配，使得微波的反射在宽频带范围内叠加相消，拓展了工作带宽。并且对于TE_0n模式，使用同心环槽加载，还能够实现优异的杂模抑制性能。

技术领域

本发明属于微波电真空器件领域，涉及一种用于微波回旋管的输出装置，具体为一种同心环槽超材料加载的圆波导输出窗结构。

背景技术

微波电真空器件能够实现将运动电子的动能转换为微波能量，被广泛应用于雷达、电子对抗、卫星通信、加速器、微波加热、微波遥感、加速器等领域。电子在真空中与微波发生互作用，发生速度调制，位置群聚，放出自身能量，都需要严格保持内部的高真空状态。为了在实现高真空环境的同时保证无损耗地传输微波，必须使用输出窗隔离外部空气环境与内部真空环境。

输出窗是微波电真空器件等微波电子系统的关键部件之一，输出窗的好坏将直接影响到器件的整体性能。输出窗由介质材料构成，微波穿过输出窗时会引入反射，若反射能量过大将会引起寄生模式振荡，干扰系统的正常工作。同时，介质本身存在介质损耗，微波穿过输出窗时会产生热损耗。温度分布与传输模式的场分布、散热情况相关，窗片的温度分布不均匀会产生热应力，输出窗工作于过高功率时,容易因应力过大而破损，破坏内部的真空环境。因此，大功率器件输出窗的散热能力制约着器件输出功率的进一步提高。输出窗的主要性能指标有：带宽、功率容量、模式纯度等。

目前广泛使用的TE_0n模式输出窗有单层窗和多层窗等。对于典型的单层窗片结构，窗片两侧分别为真空和大气环境。单层窗片结构仅有一个最佳匹配点，即二分之波导波长，带宽很窄约6％。增加窗片层数，可以提升微波反射性能，但传输损耗和热损耗也随之增加。双层窗片的相对带宽约12％，三层窗片的相对带宽约16％。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种新型超宽带TE_0n模式输出窗。通过在介质窗两侧加载同心环槽超材料结构，引入了额外的反射，经过反射叠加相消，有效地降低了输出窗对微波的反射，显著提高了输出窗的工作带宽。

本发明的技术方案如下：

一种圆波导TE_0n模式超宽带输出窗结构，包括圆波导、设置于圆波导中部的介质窗，其特征在于，所述介质窗两侧面对称设置有若干个同心环槽，且各同心环槽的中心与介质窗的中心重合。

优选地，所述两侧面的同心环槽之间的间距一致，一侧同心环槽的数量取值范围为5～20。

优选地，所述各同心环槽的槽深度一致，取值为λ_g2/4；槽宽一致取值范围为λ_g2/8～λ_g2/4；槽间距也一致，取值范围为λ_g2/8～λ_g2/4；其中，λ_g2为同心环槽构成的等效介质层波导波长。

优选地，所述介质窗的中间层的厚度为λ_g1*M/2，其中M＝1，2，3…，λ_g1为介质窗中间层的波导波长，介质窗的材料为蓝宝石、金刚石、氧化铍、或氮化硼等适用于大功率毫米波领域的材料。