CN109637918A - 一种提高可靠性的输能窗 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同轴输能窗，该输能窗包括金属窗针、内导体和外导体，以及封装在窗针与外导体之间的介质陶瓷，所述金属窗针与介质陶瓷套封封接部分朝向内导体方向直径减小。本发明提供的同轴输能窗可以有效扩大封接面积，增大了金属窗针与介质陶瓷套封封接部分所能承受的压力；同时减少作用在整个输能窗组件在受热过程中产生的形变应力，并进一步，提高了封接可靠性；而且相比于现有技术，本发明提供的输能窗的驻波比更小和更为平坦。

Description

一种提高可靠性的输能窗

技术领域

本发明涉及微波电真空器件领域，具体涉及一种行波管同轴型输能窗的设计。

背景技术

微波输能窗是微波电真空器件行波管的重要组成部分。同轴型输能窗因其频带小、尺寸小和性能稳定等优点广泛应用于中小功率行波管中。同轴输能窗同时兼顾着行波管的密封性保障和高频功率的传输任务，一方面，反射损耗和电阻性损耗太大会严重影响行波管的输出功率，另一方面，较小的传输损耗和可靠的封密性可能不能同时兼顾而导致整管漏气，造成大量人力物力财力的损失。图1示出了现有技术采用的同轴输能窗结构。具有这种结构的输能窗，在内导体、外导体与介质陶瓷经过装配焊接工艺可以得到封密的输能窗。但是，输能窗与行波管高频结构组装及焊接过程中、行波管整管组装及焊接过程中、以及后续的测试过程中，输能窗部件会受到外力作用及经历外力作用下的升降温过程，这对输能窗的密封性造成威胁。据统计，行波管整管组装完成后，漏气率达25％之多，其中，因输能窗密封性问题而导致的漏气现象占比95％以上，每年经济损失高达上千万。

因此，在不影响高频损耗的条件下，提高输能窗密封性的任务十分紧迫而又意义重大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高可靠性的输能窗。

根据本发明的一个方面，提供一种同轴输能窗，该输能窗包括内导体和外导体，以及封装在内导体与外导体之间的介质陶瓷，所述内导体与介质陶瓷套封封接部分朝向行波管内部方向直径减小。

优选地，内导体与介质陶瓷套封封接部分关于输能窗轴向的倾角为2-10°。

优选地，所述内导体为阶梯轴状，内导体与介质陶瓷封接部分的外圆周关于轴向倾角为2-10°。

优选地，所述介质陶瓷具有中心通孔，所述中心通孔内圆周关于轴向倾角为2-10°。

优选地，所述介质陶瓷的上表面与内导体端封封接。

优选地，所述内导体包括第一内导体和第二内导体，所述第一内导体与所述介质陶瓷套封封接且在端部与所述第二内导体套封封接。

优选地，所述外导体与所述介质陶瓷套封封接。

优选地，所述外导体包括形成在内壁上的台面，所述介质陶瓷与所述台面端封封接。

根据本发明的又一方面，提供一种行波管，该行波管包括如上所述的输能窗。

本发明通过将同轴输能窗中金属窗针与陶瓷窗套封封接部分朝向内导体方向直径减小，有效了扩大封接面积，增大了金属窗针与介质陶瓷套封封接部分所能承受的压力；同时减少作用在整个输能窗组件在受热过程中产生的形变应力，并进一步提高了封接可靠性；而且相比于现有技术，本发明提供的输能窗的驻波比更小和更为平坦。

附图说明

图1为现有技术的同轴输能窗结构示意图。

图2A和2B为图1所示同轴输能窗的局部放大图。

图3为现有技术的同轴输能窗结构受热开裂示意图。

图4A和4B为根据本发明的同轴输能窗的局部放大图。

图5为实例1和对比例1的同轴输能窗驻波比比较图。

具体实施方式

下面参照附图对根据本发明的实施例进行详细说明。应当理解，根据本发明的实施例是示意性的而非限定性的。不应将各实施例作为对本发明要求保护的范围的限制。

图1示出现有技术的一种同轴输能窗的结构，包括金属第一内导体1也称为金属窗针和金属第二内导体4，介质陶瓷也称为陶瓷窗片2，金属外导体3。金属窗针1为外圆周具有阶梯轴的第一合金杆，第二内导体4为上端部形成有中心盲孔及凸缘的第二合金杆。外导体3为有呈台阶状内孔的圆柱体。介质陶瓷为中心沿轴线形成有圆形通孔的片状圆环或圆柱体。介质陶瓷的内孔和外圈均做金属化处理，优选地，陶瓷片上表面内孔周边及上表面内孔周边均做金属化处理。组装后进行焊接，介质陶瓷内孔与第一合金杆1的外圆周轴向套封且陶瓷介质内孔周边上表面与第一合金杆1的阶梯轴的阶梯下表面端封。介质陶瓷的外圆周表面与外导体的筒状内表面轴向套封且介质陶瓷的外圆周下表面外边缘与外导体台阶端封，第一内导体阶梯轴下端伸出窗片部分与第二内导体4焊接在一起，由此形成气密封接，得到同轴输能窗。本领域技术人员已知，在一些行波管中，同轴输能窗也可以采用阶梯轴状的一体式针状内导体来实现，内导体自与介质陶瓷封接部分朝向行波管高频结构内的方向直径呈阶梯状减小，内导体与介质陶瓷可仅通过套封封接，也可以既与介质陶瓷套封封接也与介质陶瓷通孔周边的上表面端封封接。具体结构在此不再赘述。鉴于目前在行波管的后续装配和测试中，根据工艺要求，需要对输能窗部件施加向下的压力，这会对焊接得到的输能窗的密封性造成了威胁，并最终导致行波管整管的出现漏气现象，如图3所示。为了提高封接的可靠性，常规的方法是增加陶瓷窗片内孔孔径同时增加内导体封接部分的直径，以期通过增加焊接面积来改善封接强度，改善气密性。但以这种方式，随着焊接面积的增加，输能窗的驻波比变差，降低了输能窗的驻波比同时提高了损耗，这对于行波管来说是不能接受的。

图4A和4B示出一种根据本发明实施例的输能窗，其结构包括第一内导体1、氧化铝陶瓷窗片2、窗外导体3和第二内导体4。不同于图1所示输能窗结构，本实施例的第一金属内导体1与氧化铝的陶瓷窗片2封接部分朝向行波管内部方向有一定倾角θ，倾角优选为2-10°，封接部分朝向行波管内部方向直径减小，如图4A和4B所示。第一金属内导体与陶瓷窗片2封装的部分形成有锥形圆台状，该锥状圆台的外圆周与轴向之间具有倾角θ，所述倾角可为2-10°。锥形圆台沿进入行波管高频结构一侧直径减小。形成在陶瓷窗片中心的轴向通孔为锥状孔，所述轴向通孔内圆周关于轴向具有倾角，所述倾角为2-10°。陶瓷窗片2上端靠近高频结构外部一侧的半径为R，陶瓷窗片2下端靠近高频结构一侧的半径为r，窗片高度为h。本领域技术人员应当理解的是，金属窗针1封装部分外部尺寸与陶瓷窗片2锥状孔的尺寸之间存在配合公差，用于填充熔化的焊料实现金属窗针1与陶瓷窗片2的套封封接。配合公差的设计规则为本领域技术人员已知，这里不再赘述。

在上述实施方式的基础上，所述陶瓷窗片2的上表面与所述金属窗针1的阶梯下表面端封，所述金属窗针1下端超过陶瓷窗片2的部分与所述内导体4套封封接。所述外导体3为具有呈台阶状内孔的圆柱体，陶瓷窗片2的外圆周表面与外导体3的筒状内表面轴向套封。进一步优选地，所述外导体上可包括形成在内壁的台面，所述台面与所述陶瓷窗片的的外圆周下表面外边缘端封封接。

下面将参照实例对本发明输能窗结构的优点进行具体说明。

对比例1

对比例1的输能窗具有如图1所示的结构，其中，介质陶瓷为氧化铝陶瓷，内导体和外导体均为可伐件。氧化铝陶瓷窗片的中心具有柱状内孔，该柱状内孔的半径为(r+R)/2＝0.35mm，r＝0.3mm，R＝0.4mm，氧化铝陶瓷窗片的厚度h＝1.2mm。

s1＝2π(r+R)h＝1.68π。

实施例1

实施例1的输能窗具有如图4A和4B所示的结构，氧化铝陶瓷窗片的中心具有锥状内孔，该锥状内孔在上表面处的半径R＝0.4mm，下表面处的半径r＝0.3mm，氧化铝陶瓷窗片的厚度h＝1.2mm，锥状内孔与轴向的倾角约为4.7°。

该实施例中，陶瓷窗片与内导体的套封封接面积大体为陶瓷孔内表面积s2。

下面从四个方面阐述本发明的优越性：

1)封接面积比较：氧化铝陶瓷窗片2与金属合金窗针1之间通过金属化焊接相连，通常认为，增加封接面积可以改善封接牢固程度，封接面积越大，焊接牢固程度越高。现有技术的方法是通过扩大陶瓷窗片内孔半径来增加封接面积。为方便与本发明实施例1同等条件下的比较，我们选择普通内孔半径为(r+R)/2，得到封接面积s1，而本发明为圆台形内孔，上下两端内径分别为R和r，封接面积为s2，可以发现，s2比s1封接面积大，提高了封接可靠性。

2)受温度应力比较：由于整个输能窗组件在反复的高低温变化过程中(包括内导体和陶瓷窗片封接时和后处理测试等过程)会由于内导体和陶瓷窗片的热膨胀系数和热膨胀速率的不同而造成不同程度的应力，在封接处会产生拉应力F_t。图2A示出，现有技术输能窗结构的套封封接部分，因温度变化产生的形变应力F_t垂直作用于封接部分，从而使得封接处有裂痕甚至断裂，如图4所示。在本方法实施例的输能窗结构中，得益于圆台孔的结构，内导体和陶瓷封接处为斜面，倾角为θ，如图4A所示，因此形变应力从普通孔的拉应力F_t减小为F_tsinθ，应力减小，导致形变破坏的可能性减小。

3)受力分析比较：在行波管的后续装配和测试中，装配夹具及测试夹具对输能窗部件施加的向下压力，对输能窗的密封性造成了很大威胁，并成为影响整管气密性的主要原因。对比例1和对比例2都只是单独依靠陶瓷金属化与金属焊接的连接力F_p保持连接和气密，如图2B所示，所述输能窗部件在竖直方向上所能承受的最大压力F_max＝F_p。而本发明法实施例的输能窗结构中，由于存在倾角θ，最大压力F_max＝F_p/cosθ，如图4B所示，显然增大了封接处所能承受的压力，减小了因配头和反复装配受力太大而漏气的可能性。

4)驻波比比较：高频信号沿慢波线传输，一方面输出反射和插入损耗会明显的降低行波管的输出功率，另一方面反射功率靠近输出端的螺旋线发热会导致慢波损耗增加又会进一步降低输出功率甚至把衰减器烧坏，因此减小驻波比一直是本领域人员关注的焦点。图5所示为实施例1与对比例2的注波比比较图，可以看出，本发明输能窗结构的驻波比平坦，在低频段和高频段的驻波比均小于对比例1的常规结构输能窗的驻波比。

根据本发明的另一方面，本发明还提供另一种优选的实施方式，所述优选实施方式提供一种行波管，所述行波管包括如上所述的同轴输能窗。

显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，在阅读前述公开内容之后，本发明的各种其它变型和调整对于本领域技术人员将是显而易见的，并且意图是所有这样的变型和调整在所附权利要求的范围内。

Claims (9)

1.一种用于行波管的同轴输能窗，该输能窗包括内导体和外导体，以及封装在内导体与外导体之间的介质陶瓷，所述内导体与介质陶瓷套封封接部分朝向行波管内部方向直径减小。

2.根据权利要求1所述的同轴输能窗，其特征在于，内导体与介质陶瓷套封封接部分关于输能窗轴向的倾角为2-10°。

3.根据权利要求1所述的同轴输能窗，其特征在于，所述内导体为阶梯轴状，内导体与介质陶瓷封接部分的外圆周关于轴向倾角为2-10°。

4.根据权利要求1所述的同轴输能窗，其特征在于，所述介质陶瓷具有中心通孔，所述中心通孔内圆周关于轴向倾角为2-10°。

5.根据权利要求2所述的同轴输能窗，其特征在于，所述介质陶瓷的上表面与内导体端封封接。

6.根据权利要求1所述的同轴输能窗，其特征在于，所述内导体包括第一内导体和第二内导体，所述第一内导体与所述介质陶瓷套封封接且在端部与所述第二内导体套封封接。

7.根据权利要求1所述的同轴输能窗，其特征在于，所述外导体与所述介质陶瓷套封封接。

8.根据权利要求7所述的同轴输能窗，其特征在于，所述外导体包括形成在内壁上的台面，所述介质陶瓷与所述台面端封封接。

9.一种行波管，其特征在于，包括如权利要求1所述的同轴输能窗。