CN115036657A - 一种可变频组合陶瓷窗结构及改变已有陶瓷窗频率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可变频组合陶瓷窗结构及改变已有陶瓷窗频率的方法，包括已有陶瓷窗和轴向连接在两所述已有陶瓷窗之间的过渡波导，所述过渡波导包括波导本体和连接在所述波导本体轴向两侧的输入输出传输线，所述输入输出传输线用于与所述已有陶瓷窗连接，所述波导本体采用金属波导，尺寸参数根据已有陶瓷窗的工作频率和组合后的陶瓷窗结构所要获得的工作频率进行调频设计。本发明通过在已有陶瓷窗之间连接过渡波导，能够利用过渡波导与已有陶瓷窗形成组合陶瓷窗结构，该组合陶瓷窗结构相对于已有陶瓷窗能够实现工作频率的改变，在适合尺寸的过渡波导的组合下能够达到所需求的工作频率。

Description

一种可变频组合陶瓷窗结构及改变已有陶瓷窗频率的方法

技术领域

本发明涉及微波陶瓷窗变频技术领域，特别是涉及一种可变频组合陶瓷窗结构及改变已有陶瓷窗频率的方法。

背景技术

高功率微波陶瓷窗是低杂波微波传输线上非常关键的一个微波器件。从微波源发出的功率经过传输线输送给天线时，此步骤存在两种不同的气体状态，天线前端的波导在大气压条件下，但是与天线相通的真空室以及天线本身是处于真空状态，此时需要微波陶瓷窗将这两种状态隔开。因为陶瓷窗既有让大功率微波能量无反射地通过的作用，又有不影响能量传输和气体密封的作用。

盒型真空窗是传统的波导真空窗，输入和输出端的传输线分为双脊波导、矩形波导和同轴线，窗口形状有双脊形或圆形。目前已有的陶瓷窗主要工作于一个谐振频率，带宽相对不宽，无法也不可能达到整个微波频段通用的功。

陶瓷窗焊接是在高温氢气炉中进行，价格昂贵，步骤复杂，加工周期长。现有技术中也鲜有能够拓展或改变已有的陶瓷窗谐振频率的方案，例如，授权公告号为CN112886158 B的中国专利公开了公开一种大功率同轴陶瓷窗冷却装置，包括陶瓷窗、方形冷却水管、聚四氟乙烯内支撑、同轴馈线内导体、同轴馈线外导体、铜接头、基石水冷管道、铜片、法兰、内插芯；同轴馈线内导与铜片一端连接；铜片弯折90度后与铜接头连接；铜接头另一端与陶瓷窗内导体连接；基石水冷管道经过法兰与铜接头内部水冷管道下端；铜接头内部水冷管道上端与陶瓷窗内导体水冷管道下端连接，陶瓷窗内导体水冷管道上端延伸至内导体顶端；陶瓷窗分离为上端真空侧和下端大气侧；陶瓷窗外导体缠绕方形冷却水管。该方案能够在不影响陶瓷窗的传输性能的基础上实现大功率同轴陶瓷窗冷却，目的在于解决陶瓷窗因功率损耗发热造成破裂的问题。再如，申请公布号为CN 113113749 A的中国专利公开了一种陶瓷窗可拆卸型高功率输入耦合器，高功率输入耦合器的一端与功率源相连，输入微波功率，另一端与超导腔体或常温腔体法兰相连，为腔体提供电磁场；高功率输入耦合器包括可拆卸式陶瓷窗和真空钎焊陶瓷窗。该方案可拆卸型陶瓷结构使两个窗体可以单独清洗，目的在于避免两个窗体之间真空空间清洗不干净的缺点，同时拆卸陶瓷窗不用与同轴线内外导体焊接，降低双窗焊接难度，节省焊接费用。

因此，如何将现有的陶瓷窗在短时间内组合成实验需要的频率是非常亟待解决且有意义的技术难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种可变频组合陶瓷窗结构及改变已有陶瓷窗频率的方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过在已有陶瓷窗之间连接过渡波导，能够利用过渡波导与已有陶瓷窗形成组合陶瓷窗结构，该组合陶瓷窗结构相对于已有陶瓷窗能够实现工作频率的改变，在适合尺寸的过渡波导的组合下能够达到所需求的工作频率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种可变频组合陶瓷窗结构，包括已有陶瓷窗和轴向连接在两所述已有陶瓷窗之间的过渡波导，所述过渡波导包括波导本体和连接在所述波导本体轴向两侧的输入输出传输线，所述输入输出传输线用于与所述已有陶瓷窗连接，所述波导本体采用金属波导，尺寸参数根据已有陶瓷窗的工作频率和组合后的陶瓷窗结构所要获得的工作频率进行调频设计。

优选地，所述波导本体采用第一金属矩形波导，所述输入输出传输线采用第二金属矩形波导。

优选地，所述已有陶瓷窗的轴向两侧分别连接有不同的所述过渡波导。

优选地，所述输入输出传输线与所述已有陶瓷窗之间通过螺丝安装。

优选地，所述输入输出传输线的宽度小于所述波导本体的宽度；所述输入输出传输线的长度小于所述波导本体的长度；所述输入输出传输线的厚度小于所述波导本体的厚度。

优选地，所述第一金属矩形波导的横截面的长边为109.2mm，宽度为54.6mm，所述第一金属矩形波导的长度为72mm；所述第二金属矩形波导的横截面的长边为74.4mm，宽度为36.4mm，所述第二金属矩形波导的长度为40mm；所述过渡波导的总长度为152mm。

优选地，所述已有陶瓷窗的工作频率为2.856GHz，组合后的陶瓷窗结构的工作带宽为0.7GHz，低频端频率为2.4GHz，高端端频率为3.1GHz。

优选地，所述已有陶瓷窗的填充介质为陶瓷，纯度高于95％，介电常数稳定在9.5。

本发明还提供一种改变已有陶瓷窗频率的方法，应用前文记载的所述的可变频组合陶瓷窗结构，通过过渡波导连接已有陶瓷窗，所述过渡波导的尺寸参数根据已有陶瓷窗的工作频率和组合后的陶瓷窗结构所要获得的工作频率进行调频设计。

优选地，所述波导本体的宽边尺寸在保证整体谐振的基础上，设计为大尺寸。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

(1)本发明通过在已有陶瓷窗之间连接过渡波导，能够利用过渡波导与已有陶瓷窗形成组合陶瓷窗结构，该组合陶瓷窗结构相对于已有陶瓷窗能够实现工作频率的改变，在适合尺寸的过渡波导的组合下能够达到所需求的工作频率；

(2)本发明通过采用过渡波导连接已有陶瓷窗，能够在不破坏原有结构的基础上，以最简单、便捷、迅速的方法，将其设计为工程亟需的工作或者谐振频率；通过不同波导相互匹配耦合的方法，能够实现改变陶瓷窗工作频率的超宽带、高功率真空窗；本发明能够应用于高功率，两种气体状态，工作在真空环境下的天线系统前侧，需要多个陶瓷窗保护的大功率系统中，此外，本发明也可应用在改变现有陶瓷窗频率的各种情况下；

(3)本发明输入输出传输线与已有陶瓷窗之间通过螺丝安装，能够实现连接过程的简便、快捷、易操作；

(4)本发明已有陶瓷窗的填充介质为陶瓷，能够保证强度高、功率容量大以及稳定性强，并且，陶瓷的纯度高于95％，介电常数稳定在9.5，能够具有足够的强度和较低的损耗，是高功率条件下的最优选择；

(5)本发明波导本体的宽边尺寸在保证整体谐振的基础上，设计为大尺寸，能够缩短两个已有陶瓷窗之间过渡波导的长度，缩减成本，加快进度，并且达到变频的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明整体结构示意图；

图2为图1中过渡波导结构示意图；

图3为图2中A-A剖视图；

图4为图1中已有陶瓷窗结构示意图；

图5为图4中B-B剖视图；

图6为计算得到的反射系数和透射系数曲线；

图7为反射系数曲线的实验结果；

图8为透射系数曲线的实验结果；

其中，1、过渡波导；11、输入输出传输线；12、波导本体；2、已有陶瓷窗；21、矩形波导段；22、圆形波导段；3、螺丝。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种可变频组合陶瓷窗结构及改变已有陶瓷窗频率的方法，以解决现有技术存在的问题，通过在已有陶瓷窗之间连接过渡波导，能够利用过渡波导与已有陶瓷窗形成组合陶瓷窗结构，该组合陶瓷窗结构相对于已有陶瓷窗能够实现工作频率的改变，在适合尺寸的过渡波导的组合下能够达到所需求的工作频率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1～5所示，本发明提供一种可变频组合陶瓷窗结构，包括已有陶瓷窗2和轴向连接在两已有陶瓷窗2之间的过渡波导1，已有陶瓷窗2作为需要进行改进的已有结构，其本身具有一定的工作频率/谐振频率，但不满足使用需求。通过过渡波导1的设置，能够组合成满足实验需要的频率。过渡波导1包括波导本体12和连接在波导本体12轴向两侧的输入输出传输线11，输入输出传输线11用于与已有陶瓷窗2连接，波导本体12采用金属波导，尺寸参数根据已有陶瓷窗2的工作频率和组合后的陶瓷窗结构所要获得的工作频率进行调频设计。设计时依据微波传输线理论，根据本领域技术人员掌握知识进行。过渡波导1内没有填充介质，内部具有空气或者真空。本发明通过在已有陶瓷窗2之间连接过渡波导1，能够利用过渡波导1与已有陶瓷窗2形成组合陶瓷窗结构，该组合陶瓷窗结构相对于已有陶瓷窗2能够实现工作频率的改变，在适合尺寸的过渡波导1的组合下能够达到所需求的工作频率。本发明通过采用过渡波导1连接已有陶瓷窗2，能够在不破坏原有结构的基础上，以最简单、便捷、迅速的方法，将其设计为工程亟需的工作频率或者谐振频率；通过不同波导相互匹配耦合的方法，能够实现改变陶瓷窗工作频率的超宽带高功率真空窗；本发明能够应用于高功率，两种气体状态，工作在真空环境下的天线系统前侧，需要多个陶瓷窗保护的大功率系统中，此外，本发明也可应用在改变现有陶瓷窗频率的各种情况下。

本发明通过使用过渡波导1连接已有陶瓷窗2(类型不限)，能够达到调节工作频率的目的。过渡波导1可以采用铣床加工完成，简单快捷。过渡波导1型号和长宽高尺寸根据实际需求进行设计，范围是(0，+∞)mm。

结合图2～3所示，过渡波导1的波导本体12可以采用第一金属矩形波导，输入输出传输线11可以采用第二金属矩形波导。第一金属矩形波导为改变整体谐振频率的关键结构。假设原始的两个已有陶瓷窗2的工作频率为f₀，连接过渡波导1以后，两个已有陶瓷窗2与整个过渡波导1整体在f₃谐振，即工作频率为f₃。组合后的陶瓷窗的工作频带的低频端频率为2.4GHz(f₁)，高频端频率为3.1GHz(f₂)，即工作带宽定义为f₂-f₁，此时，工作带宽为0.7GHz。

结合图1所示，可以只在两个已有陶瓷窗2之间连接一个过渡波导1，也可以在已有陶瓷窗2的轴向两侧分别连接有不同的过渡波导1。

输入输出传输线11与已有陶瓷窗2之间可以通过螺丝3安装，能够实现连接过程的简便、快捷、易操作。

输入输出传输线11的宽度小于波导本体12的宽度；输入输出传输线11的长度小于波导本体12的长度；输入输出传输线11的厚度小于波导本体12的厚度。

第一金属矩形波导和第二金属矩形波导可以采用如下尺寸，其中，第一金属矩形波导的横截面的长边为109.2mm，宽度为54.6mm，第一金属矩形波导的长度为72mm；第二金属矩形波导的横截面的长边为74.4mm，宽度为36.4mm，第二金属矩形波导的长度为40mm；过渡波导1的总长度为152mm。

在已有陶瓷窗2的工作频率为2.856GHz的情况下，组合后的陶瓷窗结构的工作带宽可以为0.7GHz，即低频端频率为2.4GHz，高端端频率为3.1GHz。

已有陶瓷窗2的填充介质为陶瓷，能够保证强度高、功率容量大以及稳定性强，并且，陶瓷的纯度高于95％，介电常数稳定在9.5，能够具有足够的强度和较低的损耗，是高功率条件下的最优选择。

本发明能够将具有一定工作频率的已有陶瓷窗2通过使用过渡波导1改变其谐振频率，在应用时，可以包括有微波源、已有陶瓷窗2、过渡波导1，微波源通过馈入结构将微波能量馈入过渡波导1，微波能量通过特定尺寸的过渡波导1，经过特定频率的已有陶瓷窗2，形成一个全新的总体谐振系统。从而，本发明可实现宽带宽、高功率陶瓷窗变频技术。本发明主要应用于大功率的需要多个陶瓷窗的微波系统中，特别适用于需要强隔离状态的真空和天线等系统中。

结合图1～5所示，本发明还提供一种改变已有陶瓷窗2频率的方法，可以应用前文记载的可变频组合陶瓷窗结构，具体的，通过过渡波导1连接已有陶瓷窗2，过渡波导1的尺寸参数根据已有陶瓷窗2的工作频率和组合后的陶瓷窗结构所要获得的工作频率进行调频设计。

波导本体12的宽边尺寸在保证整体谐振的基础上，可以设计为大尺寸，能够缩短两个已有陶瓷窗2之间过渡波导1的长度，缩减成本，加快进度，并且达到变频的目的。

本发明还提供一具体的实施例如下：

包括一段过渡波导1和连接在过渡波导1两端的已有陶瓷窗2，过渡波导1包括波导本体12和输入输出传输线11，波导本体12和已有陶瓷窗2之前通过输入输出传输线11连通。即过渡波导1和已有陶瓷窗2，都沿其轴线方向连通。波导本体12为第一金属矩形波导，输入输出传输线11为第二金属矩形波导。第一金属矩形波导的横截面的长边为109.2mm，宽度为54.6mm，第一金属矩形波导的长度为72mm；第二金属矩形波导的横截面的长边为74.4mm，宽度为36.4mm，第二金属矩形波导的长度为40mm；过渡波导1的总长度为152mm。(波导本体12即第一金属矩形波导为该变频技术核心部分，可根据已有陶瓷窗2频率或结构进行改变，波导本体12长、宽、高尺寸范围是0～∞mm)。已有陶瓷窗2包括介质传输线为填充介质的圆形波导段22和连接在圆形波导段22两端的矩形波导段21，圆形波导段22的横截面的直径为84.8mm，厚度为3.2mm。陶瓷材料的介电常数稳定在9.5。

输入输出传输线11的宽度小于波导本体12的宽度；输入输出传输线11的长度小于波导本体12的长度；输入输出传输线11的厚度小于波导本体12的厚度。

已知已有陶瓷窗2的工作频率是2.856GHz，现在需要用到2.45GHz的陶瓷窗，即改进已有陶瓷窗2的工作频率。

已有陶瓷窗2的工作频率为2.856GHz，频带为0.9GHz，S21＝-0.15dB，微波通过率为99％。通过改进设计，如图6所示，利用微波软件进行计算模拟，结果显示改进后的陶瓷窗工作频率，按照设计要求为2.45GHz，频带的低频点为2.4GHz，高频点为3GHz，工作带宽为0.6GHz，S21＝-0.03dB，微波通过率为99.9％。

通过调频设计，改进后实验模型如图1～5所示，实验结果如图7～8所示，改进的陶瓷窗工作频率为2.45GHz，频带的低频点为2.4GHz，高频点为3.1GHz，工作带宽为0.7GHz。S21＝-0.29dB，微波通过率基本为99％，与模拟结果基本一致。

从图6可以看出，本实施例可以在2.4～3GHz的超宽带微波频段内实现良好匹配。在整个工作带宽中，本实施例的反射系数低于-10dB。

以上给出了一种本发明的具体的实施例。实际的实现方式远比这里列举的更丰富，不仅适用于两个已有陶瓷窗2的耦合变频谐振，也适用于多个已有陶瓷窗2的变频和谐振技术，只需加工过渡波导1(通过改变过渡波导1的长宽高进行设计)，无需非常复杂的陶瓷与金属二合一加工程序，极大的节约了时间。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种可变频组合陶瓷窗结构，其特征在于：包括已有陶瓷窗和轴向连接在两所述已有陶瓷窗之间的过渡波导，所述过渡波导包括波导本体和连接在所述波导本体轴向两侧的输入输出传输线，所述输入输出传输线用于与所述已有陶瓷窗连接，所述波导本体采用金属波导，尺寸参数根据已有陶瓷窗的工作频率和组合后的陶瓷窗结构所要获得的工作频率进行调频设计。

2.根据权利要求1所述的可变频组合陶瓷窗结构，其特征在于：所述波导本体采用第一金属矩形波导，所述输入输出传输线采用第二金属矩形波导。

3.根据权利要求2所述的可变频组合陶瓷窗结构，其特征在于：所述已有陶瓷窗的轴向两侧分别连接有不同的所述过渡波导。

4.根据权利要求2所述的可变频组合陶瓷窗结构，其特征在于：所述输入输出传输线与所述已有陶瓷窗之间通过螺丝安装。

5.根据权利要求2-4任一项所述的可变频组合陶瓷窗结构，其特征在于：所述输入输出传输线的宽度小于所述波导本体的宽度；所述输入输出传输线的长度小于所述波导本体的长度；所述输入输出传输线的厚度小于所述波导本体的厚度。

6.根据权利要求5所述的可变频组合陶瓷窗结构，其特征在于：所述第一金属矩形波导的横截面的长边为109.2mm，宽度为54.6mm，所述第一金属矩形波导的长度为72mm；所述第二金属矩形波导的横截面的长边为74.4mm，宽度为36.4mm，所述第二金属矩形波导的长度为40mm；所述过渡波导的总长度为152mm。

7.根据权利要求6所述的可变频组合陶瓷窗结构，其特征在于：所述已有陶瓷窗的工作频率为2.856GHz，组合后的陶瓷窗结构的工作带宽为0.7GHz，低频端频率为2.4GHz，高端端频率为3.1GHz。

8.根据权利要求7所述的可变频组合陶瓷窗结构，其特征在于：所述已有陶瓷窗的填充介质为陶瓷，纯度高于95％，介电常数稳定在9.5。

9.一种改变已有陶瓷窗频率的方法，其特征在于：应用如权利要求1-8任一项所述的可变频组合陶瓷窗结构，通过过渡波导连接已有陶瓷窗，所述过渡波导的尺寸参数根据已有陶瓷窗的工作频率和组合后的陶瓷窗结构所要获得的工作频率进行调频设计。

10.根据权利要求9所述的改变已有陶瓷窗频率的方法，其特征在于：所述波导本体的宽边尺寸在保证整体谐振的基础上，设计为大尺寸。

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