肖冠男,紀(jì)學(xué)軍

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

一種Ka波段回旋行波管輸出窗設(shè)計(jì)

肖冠男,紀(jì)學(xué)軍

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對(duì)Ka波段回旋行波管輸出窗介質(zhì)窗片易打壞的問(wèn)題，引入了3層介質(zhì)厚窗結(jié)構(gòu)和液冷結(jié)構(gòu)。利用微波網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)匹配理論建立傳輸級(jí)聯(lián)矩陣的方法對(duì)多層窗片結(jié)構(gòu)輸出窗進(jìn)行研究，給出Ka波段回旋行波管一種新型中間液冷結(jié)構(gòu)輸出窗的參數(shù)，通過(guò)CST進(jìn)行仿真驗(yàn)證和優(yōu)化處理，并進(jìn)一步結(jié)合熱損耗公式和ANSYS Workbench對(duì)輸出窗進(jìn)行熱分析，在26.3～35.7 GHz頻帶范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)S21>-0.5 dB。

3層介質(zhì)輸出窗；回旋行波管；Ka波段

0 引言

真空電子器件被稱為國(guó)防大功率設(shè)備的心臟，其中毫米波回旋行波管(Gyro-TWT)以其高增益、寬帶寬的優(yōu)良特性在電子對(duì)抗雷達(dá)通信等領(lǐng)域受到了越來(lái)越多的關(guān)注[1]。輸出窗是微波管的重要部件之一，其優(yōu)劣直接關(guān)系到微波管的性能和壽命。輸出窗是速調(diào)管末端的功率輸出部件，作用是隔絕真空與大氣，但不妨礙微波功率的傳輸，即完成外部環(huán)境與速調(diào)管內(nèi)的高真空之間的氣體密封和能量傳輸。一方面，如果高功率輸出窗傳輸特性不好,則微波會(huì)反射回高頻結(jié)構(gòu)，當(dāng)大功率信號(hào)傳輸時(shí)，反射的微波能量會(huì)將駐波互作用高頻結(jié)構(gòu)燒毀。另一方面，由于實(shí)際情況輸出窗材料的損耗角正切不可能為零，大功率微波通過(guò)輸出窗會(huì)產(chǎn)生大量的耗散功率，容易造成輸出窗溫度過(guò)高、熱應(yīng)力過(guò)大而損壞[2]。

近年來(lái)，高功率毫米波回旋管的研究取得了重大進(jìn)展，平均功率已達(dá)到kW級(jí)以上，隨之而來(lái)的是輸出窗損壞的現(xiàn)象越來(lái)越突出。輸出窗的功率容量已經(jīng)制約了高功率毫米波回旋管功率水平的進(jìn)一步提高。因此，本文對(duì)回旋行波管輸出窗結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究改進(jìn)，在3層介質(zhì)厚窗中間加入液冷結(jié)構(gòu)，提升了輸出窗功率容量，進(jìn)而提高回旋行波管的性能[3]。

1 輸出窗結(jié)構(gòu)及材料選擇

回旋行波管是寬帶寬、大功率器件，因此輸出窗作為隔絕外部大氣環(huán)境，同時(shí)傳輸高功率微波的重要媒介，亦需要寬帶寬、功率容量盡可能大，且具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和良好的真空度及氣密性[4]。

回旋管輸出窗的結(jié)構(gòu)種類很多，其中最基本的就是單窗片圓波導(dǎo)輸出窗，即在均勻圓波導(dǎo)中焊入圓介質(zhì)窗片，這是后面很多輸出窗改進(jìn)前的原型。為了增加輸出窗的帶寬，解決輸出窗在高功率傳輸時(shí)打火的問(wèn)題，這里構(gòu)造盒型窗來(lái)解決；高頻率、高功率傳輸情況下，窗片太薄容易由于溫度過(guò)高、熱應(yīng)力過(guò)大而擊穿損壞，因此這里采用3層介質(zhì)窗片；此外還需對(duì)窗片進(jìn)行冷卻，防止功率增大引起窗片局部過(guò)熱，提高輸出窗的散熱特性及增加輸出窗的功率容量，加入了中間液冷結(jié)構(gòu)，通過(guò)小孔加注低電磁損耗的冷卻液對(duì)輸出窗進(jìn)行冷卻，最終結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 輸出窗結(jié)構(gòu)

藍(lán)寶石機(jī)械強(qiáng)度高，具有較好的抗拉強(qiáng)度，可以加工成0.1 mm厚的高精度氣密薄片。藍(lán)寶石可以承受與窗片焊接和真空排氣時(shí)的高溫，環(huán)保性能較好，現(xiàn)在封裝好的藍(lán)寶石輸出窗已經(jīng)得到了成功運(yùn)用，批量生產(chǎn)成本適中[5]。CVD金剛石是一種低相對(duì)介電常數(shù)和低介電損耗的晶型介質(zhì)材料，具有很強(qiáng)的共價(jià)鍵，因此具有很低的損耗因子，微波通過(guò)時(shí)耗散功率很小，是一種不錯(cuò)的輸出窗材料[6]。因此，設(shè)計(jì)中選擇藍(lán)寶石(介電常數(shù)9.0)作為窗片3層介質(zhì)結(jié)構(gòu)中間層的材料，兩邊介質(zhì)層采用CVD金剛石(介電常數(shù)5.7)。

2 參數(shù)初始設(shè)置

初步選定窗片半徑R=7 mm，矩形波導(dǎo)側(cè)面尺寸為12.5 mm×6.25 mm。首先確定中間3層介質(zhì)結(jié)構(gòu)的厚度，由于實(shí)際情況圓波導(dǎo)與矩形波導(dǎo)、介質(zhì)窗片表面處反射不可避免，在大功率、高增益情況下，如果窗片的反射增高，返回到回旋管駐波作用區(qū)的功率將顯著上升。由于回旋行波管經(jīng)常工作在非線性區(qū)，引起摻雜的寄生模式在高頻系統(tǒng)中自激振蕩，從而降低回旋管的高頻輸出功率和模式純度，乃至于降低回旋管的可靠性。所以輸出窗片的厚度并不是隨意設(shè)定，需要考慮反射率，使反射率降至最低，從而減小反射波功率，降低波損耗，還要易于加工[7]。中間液冷結(jié)構(gòu)可作為圓波導(dǎo)處理，由斯涅耳定律和菲涅爾定律以及圓波導(dǎo)場(chǎng)方程可知對(duì)工作模式為TE01中心頻率31 GHz上的回旋管放大器得到無(wú)反射輸出窗的厚度公式為：

(1)

式中，λ為波導(dǎo)波長(zhǎng)；εr為窗片介電常數(shù)；χmn為工作模式常數(shù)；p取整數(shù)；R為波導(dǎo)半徑。輸出窗一般取適當(dāng)厚度，窗片過(guò)薄容易減小其吸收功率，厚度過(guò)大則造成散熱困難[8]，因此將相關(guān)參數(shù)代入式(1)，計(jì)算得知3層結(jié)構(gòu)藍(lán)寶石中間層為1.153 mm，CVD金剛石介質(zhì)層為0.907 mm，介質(zhì)中間液冷結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為2.236 mm。

等效電路理論方法是對(duì)盒型輸出窗進(jìn)行傳輸特性分析的普遍理論[9]。當(dāng)輸出窗的工作頻段到較高時(shí)，由于介質(zhì)窗的高介電常數(shù)，則電厚度與波導(dǎo)波長(zhǎng)相比不再很小，所以將其等效為半波長(zhǎng)傳輸線，此時(shí)盒型窗的等效電路如圖2所示。

圖2 輸出窗等效電路

輸出窗默認(rèn)傳輸TE10模，t1和Z1分別為矩形波導(dǎo)的長(zhǎng)度和傳輸TE10模時(shí)的等效阻抗，t2和Z2分別為介質(zhì)窗兩邊圓波導(dǎo)的長(zhǎng)度和傳輸阻抗，t3為液冷結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，B為圓波導(dǎo)與矩形波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換不連續(xù)所引入歸一化電納[10]。

由上述3段介質(zhì)和液冷結(jié)構(gòu)等效為半波長(zhǎng)傳輸線，再結(jié)合等效網(wǎng)絡(luò)理論，可得到如圖2所示的等效電路的歸一化網(wǎng)絡(luò)矩陣表達(dá)式：

(2)

(3)

(4)

反射系數(shù)r為：

(5)

反射為0時(shí)，由式(5)可得：

Y1tan2θ-2X1tanθ+Z1=0。

(6)

3 仿真分析

將理論計(jì)算所得參數(shù)使用CST微波工作室進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模和仿真優(yōu)化[13]，最終優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型如圖3所示，Ka波段內(nèi)S21結(jié)果如圖4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在帶內(nèi)反射小，在27～34 GHz頻帶范圍內(nèi)，S21>-0.3 dB，而且曲線進(jìn)行平滑、無(wú)尖峰，滿足設(shè)計(jì)需要。

圖3 輸出窗CST仿真模型

圖4 輸出窗傳播參數(shù)

通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)得到最終尺寸：圓波導(dǎo)和窗片半徑6.782 mm，3層結(jié)構(gòu)藍(lán)寶石中間層為1.136 mm，氮化鋁介質(zhì)層為0.925 mm。介質(zhì)中間圓波導(dǎo)長(zhǎng)度t1為2.357 mm，介質(zhì)窗兩邊圓波導(dǎo)的長(zhǎng)度t2為1.145 mm。矩形波導(dǎo)側(cè)面尺寸12.1 mm×6.05 mm，長(zhǎng)度t3為3.044 mm。整個(gè)輸出窗內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度的分布如圖5所示。由圖5可以看出，2個(gè)3層介質(zhì)結(jié)構(gòu)總的厚度接近3 mm，這大大增加了窗片厚度；中間介質(zhì)表面的電場(chǎng)矢量方向平行于介質(zhì)表面，這樣減小了介質(zhì)表面的縱向電場(chǎng)分量。場(chǎng)強(qiáng)最大處集中在圓波導(dǎo)，窗片介質(zhì)內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度較小。綜上所述，這種設(shè)計(jì)減少了窗片的損壞概率,比一般回旋管輸出窗體現(xiàn)出更大的優(yōu)勢(shì)。

圖5 輸出窗內(nèi)電場(chǎng)分布

回旋速調(diào)管放大器輸出窗吸收功率與輸出功率成正比[14]，輸出功率可以通過(guò)輸出窗界面上入射行波場(chǎng)的Poynting矢量積分得到：

(7)

而回旋管輸出窗的吸收功率Ps可以通過(guò)輸出窗材料吸收功率密度的體積分得到：

(8)

則由式(7)、式(8)以及圓波導(dǎo)TE01模式公式可以得到吸收功率與輸出功率的關(guān)系式：

(9)

引入輸出窗材料熱損耗式(9)可得出當(dāng)輸出功率為50kW時(shí)，輸出窗片的平均吸收功率約為25.4W。由ANSYSWorkbench進(jìn)行電磁熱耦合分析如圖6所示。

由圖6可知，越靠近窗片中心位置溫度越高。為了避免窗片過(guò)熱，中間加入液冷結(jié)構(gòu)如圖7所示，窗片的最高溫度和最低溫度隨著冷卻水溫度降低而降低，而且降低的幅度基本相同，窗片上的最高溫度和最低溫度值都隨冷卻水對(duì)流系數(shù)的增大而減小，達(dá)到一定程度后，最高溫度和最低溫度趨于穩(wěn)定，不會(huì)繼續(xù)降低[15]。在實(shí)際熱測(cè)過(guò)程(50kW)中，液冷啟動(dòng)前后，窗片溫度下降28.2 ℃，輸出窗窗片能更穩(wěn)定地工作，液冷結(jié)構(gòu)對(duì)輸出窗起到了很好的冷卻效果。

圖6 窗片溫度分布

圖7 輸出窗的液冷裝置

4 結(jié)束語(yǔ)

本文用微波等效電路和網(wǎng)絡(luò)傳輸矩陣?yán)碚摲治鲈O(shè)計(jì)了Ka波段回旋行波管的輸出窗。針對(duì)傳統(tǒng)回旋行波管輸出窗的易打壞和散熱問(wèn)題，采用3層介質(zhì)結(jié)構(gòu)(中間藍(lán)寶石，兩邊CVD金剛石)，并引入液冷結(jié)構(gòu)，分別利用高頻模擬軟件CST-MWS和ANSYSWorkbench進(jìn)行了設(shè)計(jì)仿真和熱測(cè)分析，結(jié)果表明,輸出窗在中心頻率31GHz、9.4GHz頻帶范圍內(nèi)，S21在0.5 dB以內(nèi)，既提高介質(zhì)窗片的厚度，避免輸出窗經(jīng)常打壞，同時(shí)解決了厚窗散熱問(wèn)題，提高了功率容量，進(jìn)而提升回旋行波管的工程應(yīng)用價(jià)值。

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肖冠男 男，(1993—)，碩士研究生。主要研究方向：回旋行波管技術(shù)。

紀(jì)學(xué)軍 男,(1966—),碩士，研究員。主要研究方向：電子對(duì)抗技術(shù)。

A Design of Output Window for Ka-band Gyro-TWT

XIAO Guan-nan,JI Xue-jun

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

For the incidental damage of output window for Ka-band Gyro-TWT,three-layer structure with wind cooling is brought in.The optimization calculation for the multiple-disk output window is studied using the theory of field-matching to build scattering matrix.Software CST and ANSYS Workbench are carried out to analyze the transmission and thermal property of output window.The results show that theS21parameters are better than -0.5 dB in the frequency range of 26.3～35.7 GHz.

three-layer structure output window;Gyro-TWT;Ka-band

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.03.15

肖冠男,紀(jì)學(xué)軍.一種Ka波段回旋行波管輸出窗設(shè)計(jì)[J].無(wú)線電工程,2017,47(3):58-61.

2016-12-19

國(guó)家科技支撐計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2014BAK02B04)。

TN124

A

1003-3106(2017)03-0058-04