一种螺旋导流结构高功率水负载制造技术

本发明专利技术公开了一种新型螺旋导流结构高功率水负载，属于高功率微波、毫米波技术领域。该结构包括圆波导、导流结构、双锥体结构、进水口以及出水口。其中导流结构由两层圆柱形壳体、以及嵌于两层壳体底部且螺旋上升的导流层组成，导流层宽度与两层壳体之间的间隙宽度一致；双锥体结构由两层圆锥形壳体组成并形成中空水室，双锥体结构底部与导流结构顶部相连并组成水负载水室。本发明专利技术的双锥体水负载结构，减少了水负载端口电磁反射，实现宽带低反射的设计目标；同时有效缩小水负载体积，提高水室内整体水流流速，提高水负载的功率容量。采用的螺旋上升结构导流层能够实现引导水流流向并形成螺旋上升水流的目标，保证水室内流速分布更为合理、均匀。

A new type of spiral diversion structure for high power water load

The invention discloses a novel helical diversion structure high power water load, belonging to the technical field of high power microwave and millimeter wave. The structure comprises a circular waveguide, a diversion structure, a double cone structure, a water inlet and a water outlet. The diversion structure consists of two layers of cylindrical shell, and a block guide layer in the two layer and the bottom shell composed of spiral, diversion layer gap width between width and the two layer of shell; double cone structure is composed of two layers of conical casing and form a hollow double cone structure at the bottom of the water chamber, and connected to the top and the composition of water diversion structure load water chamber. The load structure of the invention of the double cone water, reduce the water load port electromagnetic reflection, achieve the design goal of broadband low reflection; at the same time reduce the volume of water load, improve the overall indoor water flow velocity, improve the power capacity of water load. The spiral rising structure and the diversion layer can achieve the goal of guiding the flow of water and forming the spiral upward flow, so as to ensure that the velocity distribution in the water chamber is more reasonable and uniform.

【技术实现步骤摘要】
一种新型螺旋导流结构高功率水负载
本专利技术属于高功率微波、毫米波
，具体来说是一种应用在高功率毫米波系统中的新型宽带高平均功率容量水负载。
技术介绍
近年来随着高功率毫米波技术的突破性进展，毫米波电真空器件已经在高功率、宽频带方面得到了快速发展。高功率毫米波电真空器件在高分辨率毫米波成像、毫米波对抗和雷达发射机系统等军事、科技领域的应用具有重要的意义。高功率毫米波器件测试系统的输出平均功率能够达到数千瓦甚至数十千瓦级别，因此，为避免强毫米波电磁辐射造成电磁环境污染和人体损伤，同时实现高功率毫米波功率检测的功能，测试系统一般采用吸收负载进行毫米波吸收和测量。吸收负载按吸收功率量级分类包括小功率负载、中功率负载和高功率负载，按吸收媒质分类包括干负载和水负载。干负载普遍应用在中、小功率微波、毫米波领域，一般采用耐高温、机械强度高的碳化硅、氧化铍等吸波陶瓷作为吸波材料，外部采用风冷或水冷散热结构。因此干负载具有体积小、使用简单等优点。但是吸收陶瓷材料热导率低，影响了干负载整体导热能力，限制了干负载功率容量提升。因此，常见干负载功率容量一般在数瓦至百瓦级别，无法满足高功率毫米波电真空器件的使用要求。水负载是一种应用在高功率(千瓦级以上)微波、毫米波领域，能够实现功率测量的吸收负载。它是利用水对微波、毫米波的强吸收特性，将电磁能量转化成水的热能，并通过水负载内的循环冷却水将热能带走。目前，高功率水负载基本结构主要分为两种：吸收式水负载和辐射式水负载，如图1所示。吸收式水负载基本结构分为斜插水管结构(a)、圆锥结构(b)和斜面梯形结构(c)。斜插水管结构水负载具有低反射的特点，但是由于水室与微波接触面积小，散热面积有限，导致功率容量不足，无法实现高功率微波测量吸收；圆锥结构和斜面梯形结构水负载工作频带较宽，但是由于水室放置在波导内部，易出现玻璃碎裂、漏水等现象，安全性较差；辐射式水负载(d)通过端口辐射的方式进行电磁能量吸收，结构简单且有效的解决了吸收式负载玻璃易碎、漏水的问题，但是这种辐射式水负载结构工作带宽窄，不能满足宽带微波测量吸收的要求。为了提高水负载的工作带宽及功率容量，多种设计方法和措施被尝试，如图e所示的改进型辐射式水负载，此结构解决了传统辐射式水负载工作带宽窄的问题，有效的拓宽了水负载工作频带。但是，以上(b)、(c)、(d)、(e)四种水负载都存在水室体积过大的问题。由于水室结构的不合理造成水与毫米波接触面上的水流速度慢且分布不均匀，当输入功率较大时，水室内壁局部区域易出现水温度过高并气化的现象，造成水室内压力过大进而引起水室材料碎裂。因此，以上四种结构水负载的功率容量都较小(改进型辐射式水负载结构最大平均功率容量为5kW)，无法满足高功率毫米波电真空器件数十千瓦级别高功率使用要求。
技术实现思路
为了进一步提高水负载的功率容量，使其满足高功率毫米波电真空器件(如回旋行波管)的使用要求，同时实现水负载的宽带低反射，本专利技术提出一种新型高平均功率螺旋导流结构水负载。本专利技术采用如下方案：一种新型螺旋导流结构高功率水负载，包括圆波导、导流结构、双锥体结构、进水口以及出水口。所述圆波导一端与回旋行波管输出辐射波导固定连接，另一端为导流结构，且圆波导内径与回旋行波管输出辐射波导内径一致。所述导流结构由内外两层圆柱形壳体、以及嵌于两层圆柱形壳体底部且螺旋上升的导流层组成，导流层宽度与两层圆柱壳体之间的间隙宽度一致。所述双锥体结构由内外两层圆锥形壳体组成并形成中空水室，双锥体结构底部与导流结构顶部相连，并组成水负载水室。所述进水口设置于导流层起始端外侧，与导流结构外侧形成30-60度夹角。所述进水口内半径为出水口内半径的2/3。所述出水口设置于外层圆锥形壳体顶部，进水口采用小口径尺寸，出水口采用大口径尺寸。所述导流层螺旋角度为360度，其末端高度等于或高于进水口高度。进一步地，所述双锥体结构与圆柱形壳体采用材料的介电常数小于10；可以是石英玻璃、氧化铍陶瓷、氧化铝陶瓷等材料。所述导流层采用易加工的硬质介质材料，如聚四氟乙烯，聚乙烯等。本专利技术采用的圆波导能够实现毫米波输出端口与水负载结构的无缝连接，保证毫米波的有效传输和水负载的工作安全。本专利技术采用的斜角为30-60度、小口径尺寸进水口，能够有效避免水室内水流对冲现象，解决了水负载内水压损耗过高的问题；采用的大口径出水口能够有效解决出水口的水阻问题。本专利技术采用的螺旋上升结构导流层能够实现引导水流流向并形成螺旋上升水流的目标，进一步保证双锥体结构内流速分布更为合理、均匀。本专利技术采用的双锥体水负载结构，一方面，能够减少水负载端口电磁反射，实现宽带低反射的设计目标；另一方面，双锥体结构能够有效缩小水负载体积，提高水室内整体水流流速，提高水负载的功率容量。有益效果：1、工作频带宽，反射小：工作带宽大于10GHz，反射参数小于-30dB。2、结构简单，易加工：导流层可采取塑料填充方式嵌入导流结构，能够有效降低水负载加工难度。3、功率容量大：双锥体结构缩小了水负载整体体积，提高了水室整体水流速度，相比传统水负载结构提升功率容量约为10倍左右。附图说明图1常见水负载结构示意图；图2新型水负载轴向结构图；图3新型水负载导流结构示意图；图4新型水负载剖面结构图；图5新型水负载尺寸标注图；图6毫米波传播路径图；图7新型水负载的反射参数曲线图(S11)；图8新型水负载水室的电场分布参数图；图9新型水负载的流速分布图；图10新型水负载的温度分布图。在图2、3、4中，数字1表示法兰盘；2表示圆波导；3表示进水口；4表示双锥结构；5表示出水口；6表示导流层。具体实施方式下面结合一种工作在Ku波段TE01模式和TE11模式水负载设计实例以及附图对本专利技术作进一步的详细阐述。双锥体水负载水室的几何光学分析设计：利用光学反射和透射原理分析毫米波在空气、壳体介质中的传播路径及其相位变化，通过优化内层壳体厚度实现相位抵消，进而减少反射到毫米波输入端口的能量，降低负载内部反射参数。水负载内部毫米波传播路径图如图5所示。由几何光学的斯耐尔定律可知：θi＝θr(1)θi表示入射角，θt表示折射角，θr表示反射角，ε0为空气相对介电常数，ε1为壳体材料相对介电常数。要使得反射最小，则需要透射到内层壳体中的透射波，在内层壳体与中层冷却水的分界面上经过一次反射后、再一次透射到水负载内部空气中的传播相移φ，与水负载内部空气中的反射波的传播相移有如下关系:其中n为正整数。因此，水负载内层壳体厚度计算公式为：d表示内层壳体厚度，V表示真空中的光速，f表示毫米波工作频率。由(4)便可求出内层壳体的厚度。以下为水负载水室厚度理论计算。根据毫米波在介质内的传播特性优化水室厚度，降低毫米波对外辐射强度。水的复介电常数表达式为：εc＝ε′-jε″(5)ε'表示相对介电常数，ε”表示介质中的电极化损耗。此时水介质内的毫米波波数为ω表示毫米波角频率，μ表示水的相对磁导率。毫米波的传播常数为：γ＝jKc(7)又因为γ＝α+jβ(8)其中α为衰减常数，表示毫米波每传播单位距离其振幅的衰减量，单位为Np/m(捺培/米)；β为相位常数，其单位为rad/m(弧度/米)。根据式(7)、(8)可以计算出α对应数字。毫米波在介质内的传播方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型螺旋导流结构高功率水负载，包括圆波导、导流结构、双锥体结构、进水口以及出水口；其特征在于：所述圆波导一端与回旋行波管输出辐射波导固定连接，另一端为导流结构，且圆波导内径与回旋行波管输出辐射波导内径一致；所述导流结构由内外两层圆柱形壳体、以及嵌于两层圆柱形壳体底部且螺旋上升的导流层组成，导流层宽度与两层圆柱壳体之间的间隙宽度一致；所述双锥体结构由内外两层圆锥形壳体组成并形成中空水室，双锥体结构底部与导流结构顶部相连，并组成水负载水室；所述进水口设置于导流层起始端外侧，与导流结构外侧形成30‑60度夹角；所述出水口设置于外层圆锥形壳体顶部，进水口口径小于出水口口径。

【技术特征摘要】
1.一种新型螺旋导流结构高功率水负载，包括圆波导、导流结构、双锥体结构、进水口以及出水口；其特征在于：所述圆波导一端与回旋行波管输出辐射波导固定连接，另一端为导流结构，且圆波导内径与回旋行波管输出辐射波导内径一致；所述导流结构由内外两层圆柱形壳体、以及嵌于两层圆柱形壳体底部且螺旋上升的导流层组成，导流层宽度与两层圆柱壳体之间的间隙宽度一致；所述双锥体结构由内外两层圆锥形壳体组成并形成中空水室，双锥体结构底部与导流结构顶部相连，并组成水负载水室；所述进水口设置于导流层起始端外侧，与导流结构外侧形成30-60度夹角；所述出水口设置于外层圆锥形壳体顶部，进水口口径小于出水口口径。2.如权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐勇，李洋，宋思颖，彭延会，王兆栋，孙淼，宗帅，罗勇，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51