一种用于回旋行波管的超宽带超表面输出窗制造技术

该发明专利技术公开了一种用于回旋行波管的超宽带超表面输出窗，属于毫米波和太赫兹器件领域。本发明专利技术首次以TE

An ultra wideband ultra surface output window for gyrotron traveling wave tube

【技术实现步骤摘要】
一种用于回旋行波管的超宽带超表面输出窗


[0001]本专利技术属于毫米波和太赫兹器件
，涉及一种用于回旋行波管的输出装置，具体为一种可以通过改变圆柱晶格尺寸的大小从而得到理想介电常数的超材料圆波导输出窗的设计，可以应用于220GHZ、TE
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为工作模式的回旋行波管，为太赫兹频段的回旋行波管输出系统奠定了基础。

技术介绍

[0002]回旋行波管与普通行波管相比，具有高功率的特点；与普通速调管相比，具有高功率、宽频带的特点。研究表明，它们的工作带宽和稳定性经常受到输出窗性能的限制，输出窗用于保持超高真空条件，并提供输出高功率毫米波的有效通道。如果带宽不够，输出窗的过度反射会导致工作模式和寄生模式的振荡，从而导致系统的运行不稳定，因此，需要在宽频率范围内具有低反射的输出窗。同时，足够的机械强度、低的传输损失和高的导热系数对于输出窗提供更高的功率耗散能力也很重要。
[0003]输出窗有几种不同的类型，如单层窗、多层窗、盒型窗口和超表面窗，在不同场景下有着各自的应用。单层输出窗带宽窄、传输性能好、易于加工，适合在工作带宽比较窄的回旋管等器件上应用；多层输出窗可以实现较宽的带宽，但其匹配层理想的等效介电常数在自然界中难以找到，限制了其带宽的展宽，例如，三层输出窗由中间和两边匹配的圆盘组成，中间介质圆盘的材料为氧化铍(ε
r
＝6.5)，如果要获得最宽的工作带宽，那么匹配层的理想介电常数为ε
r
＝2.55，但是自然界中不存在具有这种介电常数的介质，选择石英(εr/>r
＝3.4)来代替，使得等效介电常数不匹配，带宽减少；盒型输出窗虽然有较宽的带宽，由于高频结构尺寸小，使其功率特性受到限制。现有技术中，The Institution of Engineering and Technology公开了Millimetre
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wave design and verification of a meta
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surface dielectric window made of polytetrafluoroethylene in Ka
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and Q
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band，该文献中输出窗中心频率为95GHZ，窗片两侧设置立方体晶格，超表面输出窗在76GHZ——109GHZ内反射低于
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20dB，。

技术实现思路

[0004]针对以上问题，本专利技术提供了一种超宽带TE
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模式输出窗。通过调整加载在中心圆盘两边匹配层圆柱晶格的大小，实现等效介电常数匹配，使输出窗的工作带宽得到明显拓宽。
[0005]本专利技术技术方案如下：
[0006]一种用于回旋行波管的超宽带超表面输出窗，该输出窗用于220GHZ、TE
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模式，包括：波导和设置于波导内的介质窗片，其特征在于，所述介质窗片包括介质圆盘和阵列设置在介质圆盘两侧的多个圆柱晶格，圆柱晶格与介质圆盘材料相同，介质圆盘两侧的圆柱晶格以介质圆盘对称。
[0007]进一步的，所有圆柱晶格形状相同，高为h，半径相等为r，相邻晶格之间距离为g，
介质圆盘厚度为t；高h＝λ
h
/4+Nλ
h
/2，中间介质圆盘厚度取值为t＝Nλ
t
/2，其中，λ
h
为元表面等效介质层波导波长，λ
t
为中间介质圆盘的波导波长，N为整数。
[0008]进一步的，介质材料为氧化铍、蓝宝石、金刚石、氮化硼中的一种。
[0009]进一步的，所述介质窗片材料为氧化铍，两侧晶格等效介电常数为r＝0.13mm，g＝0.19mm，t＝0.22mm，h＝0.2mm。
[0010]本专利技术通过圆波导两边加载圆柱晶格的方法，使得匹配层的介电常数随晶格之间的间距、晶格的尺寸、晶格的高度等的变化而变化，从而得到理想的等效介电常数，类似于实现三层窗的最优匹配，使得带宽得到显著的提高，实现超宽带内达到低反射的性能。
[0011]本专利技术优点：
[0012]1.本专利技术提出的220GHZ回旋行波管输出窗，明显拓宽了带宽，并且反射在
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20dB以下,为研究太赫兹领域奠定了基础。
[0013]2.本专利技术提出的220GHZ回旋行波管输出窗，可以采用激光切割技术或者计算机数控雕刻技术进行加工，匹配层与中间介质圆盘是一个整体，不会出现多层输出窗因为焊接问题而导致窗片之间分离，从而降低带宽、并可能激发鬼模，导致陀螺行波管在高脉冲功率状态下发生真空击穿的问题。
[0014]3.本专利技术提出的220GHZ回旋行波管输出窗，可以通过调整中间介质圆盘的厚度、匹配层晶格的尺寸、晶格之间的间隔、晶格的厚度得到理想的匹配等效介电常数，这种方法解决了多层输出窗因为自然界中找不到匹配层理想等效介电常数的材料使得带宽变窄的问题。
附图说明
[0015]图1为传统单层、双层、三层输出窗纵向剖面示意图。
[0016]图2为本专利技术1/4面积的横向剖面示意图。
[0017]图3为本专利技术的纵向剖面示意图。
[0018]图4为本专利技术电磁仿真软件反射系数结果图。
[0019]图5为本专利技术电磁仿真软件传输系数结果图。
具体实施方式
[0020]下面结合设计实例及其附图对本专利技术进一步说明。
[0021]图1给出了单层、双层、三层输出窗的纵向剖面示意图，标号1表示圆波导，标号2表示介质窗片，标号3表示匹配层介质窗片，单层、双层窗片的厚度为半波长的整数倍，带宽窄，限制了其应用。三层窗难以在自然界中找到理想等效介电常数的匹配材料，即使相对单层、双层输出窗带宽有所提高，仍然不能满足需求。
[0022]图2给出了本专利技术提出的220GHZ的超宽带输出窗横向剖面图，可以看到本专利技术输出窗的半径R为16mm，圆柱晶格半径r为0.13mm,晶格之间的间隙g为0.19mm,其表面不再是均匀的介质进行匹配，而是一个个小晶格，正因如此，可以达到改变等效介电常数的目的，从而达到理想匹配，拓宽带宽。
[0023]图3给出了本专利技术提出的220GHZ的超宽带输出窗纵向剖面图，可以明显看到本专利技术输出窗的相关参数，中间介质圆盘的厚度t为0.22mm，晶格的高度h为0.2mm。
[0024]图4给出了本专利技术经过电磁仿真软件仿真的反射系数结果图，其中在201——288.3GHZ内反射系数S11<
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20dB,带宽达到了87.3GHZ，实现了超宽带的性能；通过仿真得知立方体晶格超表面窗在198GHZ——283GHZ内反射系数S11<
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20dB,带宽为85GHZ，相比之下圆柱晶格的超表面输出窗具有更宽的带宽。
[0025]图5给出了本专利技术经过电磁仿真软件仿真的反射系数结果图，其中在201GHZ——283.3GHZ内传输系数S21&gt本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于回旋行波管的超宽带超表面输出窗，该输出窗用于220GHZ、TE
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模式，包括：波导和设置于波导内的介质窗片，其特征在于，所述介质窗片包括介质圆盘和阵列设置在介质圆盘两侧的多个圆柱晶格，圆柱晶格与介质圆盘材料相同，介质圆盘两侧的圆柱晶格以介质圆盘对称。2.如权利要求1所述的一种用于回旋行波管的超宽带超表面输出窗，其特征在于，所有圆柱晶格形状相同，高为h，半径相等为r，相邻晶格之间距离为g，介质圆盘厚度为t；高h＝λ
h
/4+Nλ
h
/2，中...

【专利技术属性】
技术研发人员：王丽，孙静雅，周康，乃桂森，罗勇，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：