一种Ka波段回旋行波管输出窗设计

肖冠男,纪学军

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

一种Ka波段回旋行波管输出窗设计

肖冠男,纪学军

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

针对Ka波段回旋行波管输出窗介质窗片易打坏的问题，引入了3层介质厚窗结构和液冷结构。利用微波网络场匹配理论建立传输级联矩阵的方法对多层窗片结构输出窗进行研究，给出Ka波段回旋行波管一种新型中间液冷结构输出窗的参数，通过CST进行仿真验证和优化处理，并进一步结合热损耗公式和ANSYS Workbench对输出窗进行热分析，在26.3～35.7 GHz频带范围内，实现S21>-0.5 dB。

3层介质输出窗；回旋行波管；Ka波段

0 引言

真空电子器件被称为国防大功率设备的心脏，其中毫米波回旋行波管(Gyro-TWT)以其高增益、宽带宽的优良特性在电子对抗雷达通信等领域受到了越来越多的关注[1]。输出窗是微波管的重要部件之一，其优劣直接关系到微波管的性能和寿命。输出窗是速调管末端的功率输出部件，作用是隔绝真空与大气，但不妨碍微波功率的传输，即完成外部环境与速调管内的高真空之间的气体密封和能量传输。一方面，如果高功率输出窗传输特性不好,则微波会反射回高频结构，当大功率信号传输时，反射的微波能量会将驻波互作用高频结构烧毁。另一方面，由于实际情况输出窗材料的损耗角正切不可能为零，大功率微波通过输出窗会产生大量的耗散功率，容易造成输出窗温度过高、热应力过大而损坏[2]。

近年来，高功率毫米波回旋管的研究取得了重大进展，平均功率已达到kW级以上，随之而来的是输出窗损坏的现象越来越突出。输出窗的功率容量已经制约了高功率毫米波回旋管功率水平的进一步提高。因此，本文对回旋行波管输出窗结构进行研究改进，在3层介质厚窗中间加入液冷结构，提升了输出窗功率容量，进而提高回旋行波管的性能[3]。

1 输出窗结构及材料选择

回旋行波管是宽带宽、大功率器件，因此输出窗作为隔绝外部大气环境，同时传输高功率微波的重要媒介，亦需要宽带宽、功率容量尽可能大，且具有足够的机械强度和良好的真空度及气密性[4]。

回旋管输出窗的结构种类很多，其中最基本的就是单窗片圆波导输出窗，即在均匀圆波导中焊入圆介质窗片，这是后面很多输出窗改进前的原型。为了增加输出窗的带宽，解决输出窗在高功率传输时打火的问题，这里构造盒型窗来解决；高频率、高功率传输情况下，窗片太薄容易由于温度过高、热应力过大而击穿损坏，因此这里采用3层介质窗片；此外还需对窗片进行冷却，防止功率增大引起窗片局部过热，提高输出窗的散热特性及增加输出窗的功率容量，加入了中间液冷结构，通过小孔加注低电磁损耗的冷却液对输出窗进行冷却，最终结构如图1所示。

图1 输出窗结构

蓝宝石机械强度高，具有较好的抗拉强度，可以加工成0.1 mm厚的高精度气密薄片。蓝宝石可以承受与窗片焊接和真空排气时的高温，环保性能较好，现在封装好的蓝宝石输出窗已经得到了成功运用，批量生产成本适中[5]。CVD金刚石是一种低相对介电常数和低介电损耗的晶型介质材料，具有很强的共价键，因此具有很低的损耗因子，微波通过时耗散功率很小，是一种不错的输出窗材料[6]。因此，设计中选择蓝宝石(介电常数9.0)作为窗片3层介质结构中间层的材料，两边介质层采用CVD金刚石(介电常数5.7)。

2 参数初始设置

初步选定窗片半径R=7 mm，矩形波导侧面尺寸为12.5 mm×6.25 mm。首先确定中间3层介质结构的厚度，由于实际情况圆波导与矩形波导、介质窗片表面处反射不可避免，在大功率、高增益情况下，如果窗片的反射增高，返回到回旋管驻波作用区的功率将显著上升。由于回旋行波管经常工作在非线性区，引起掺杂的寄生模式在高频系统中自激振荡，从而降低回旋管的高频输出功率和模式纯度，乃至于降低回旋管的可靠性。所以输出窗片的厚度并不是随意设定，需要考虑反射率，使反射率降至最低，从而减小反射波功率，降低波损耗，还要易于加工[7]。中间液冷结构可作为圆波导处理，由斯涅耳定律和菲涅尔定律以及圆波导场方程可知对工作模式为TE01中心频率31 GHz上的回旋管放大器得到无反射输出窗的厚度公式为：

(1)

式中，λ为波导波长；εr为窗片介电常数；χmn为工作模式常数；p取整数；R为波导半径。输出窗一般取适当厚度，窗片过薄容易减小其吸收功率，厚度过大则造成散热困难[8]，因此将相关参数代入式(1)，计算得知3层结构蓝宝石中间层为1.153 mm，CVD金刚石介质层为0.907 mm，介质中间液冷结构长度为2.236 mm。

等效电路理论方法是对盒型输出窗进行传输特性分析的普遍理论[9]。当输出窗的工作频段到较高时，由于介质窗的高介电常数，则电厚度与波导波长相比不再很小，所以将其等效为半波长传输线，此时盒型窗的等效电路如图2所示。

图2 输出窗等效电路

输出窗默认传输TE10模，t1和Z1分别为矩形波导的长度和传输TE10模时的等效阻抗，t2和Z2分别为介质窗两边圆波导的长度和传输阻抗，t3为液冷结构长度，B为圆波导与矩形波导的转换不连续所引入归一化电纳[10]。

由上述3段介质和液冷结构等效为半波长传输线，再结合等效网络理论，可得到如图2所示的等效电路的归一化网络矩阵表达式：

(2)

(3)

(4)

反射系数r为：

(5)

反射为0时，由式(5)可得：

Y1tan2θ-2X1tanθ+Z1=0。

(6)

3 仿真分析

将理论计算所得参数使用CST微波工作室进行结构建模和仿真优化[13]，最终优化结构模型如图3所示，Ka波段内S21结果如图4所示。可以发现，在带内反射小，在27～34 GHz频带范围内，S21>-0.3 dB，而且曲线进行平滑、无尖峰，满足设计需要。

图3 输出窗CST仿真模型

图4 输出窗传播参数

通过优化设计得到最终尺寸：圆波导和窗片半径6.782 mm，3层结构蓝宝石中间层为1.136 mm，氮化铝介质层为0.925 mm。介质中间圆波导长度t1为2.357 mm，介质窗两边圆波导的长度t2为1.145 mm。矩形波导侧面尺寸12.1 mm×6.05 mm，长度t3为3.044 mm。整个输出窗内的电场强度的分布如图5所示。由图5可以看出，2个3层介质结构总的厚度接近3 mm，这大大增加了窗片厚度；中间介质表面的电场矢量方向平行于介质表面，这样减小了介质表面的纵向电场分量。场强最大处集中在圆波导，窗片介质内部电场强度较小。综上所述，这种设计减少了窗片的损坏概率,比一般回旋管输出窗体现出更大的优势。

图5 输出窗内电场分布

回旋速调管放大器输出窗吸收功率与输出功率成正比[14]，输出功率可以通过输出窗界面上入射行波场的Poynting矢量积分得到：

(7)

而回旋管输出窗的吸收功率Ps可以通过输出窗材料吸收功率密度的体积分得到：

(8)

则由式(7)、式(8)以及圆波导TE01模式公式可以得到吸收功率与输出功率的关系式：

(9)

引入输出窗材料热损耗式(9)可得出当输出功率为50kW时，输出窗片的平均吸收功率约为25.4W。由ANSYSWorkbench进行电磁热耦合分析如图6所示。

由图6可知，越靠近窗片中心位置温度越高。为了避免窗片过热，中间加入液冷结构如图7所示，窗片的最高温度和最低温度随着冷却水温度降低而降低，而且降低的幅度基本相同，窗片上的最高温度和最低温度值都随冷却水对流系数的增大而减小，达到一定程度后，最高温度和最低温度趋于稳定，不会继续降低[15]。在实际热测过程(50kW)中，液冷启动前后，窗片温度下降28.2 ℃，输出窗窗片能更稳定地工作，液冷结构对输出窗起到了很好的冷却效果。

图6 窗片温度分布

图7 输出窗的液冷装置

4 结束语

本文用微波等效电路和网络传输矩阵理论分析设计了Ka波段回旋行波管的输出窗。针对传统回旋行波管输出窗的易打坏和散热问题，采用3层介质结构(中间蓝宝石，两边CVD金刚石)，并引入液冷结构，分别利用高频模拟软件CST-MWS和ANSYSWorkbench进行了设计仿真和热测分析，结果表明,输出窗在中心频率31GHz、9.4GHz频带范围内，S21在0.5 dB以内，既提高介质窗片的厚度，避免输出窗经常打坏，同时解决了厚窗散热问题，提高了功率容量，进而提升回旋行波管的工程应用价值。

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肖冠男 男，(1993—)，硕士研究生。主要研究方向：回旋行波管技术。

纪学军 男,(1966—),硕士，研究员。主要研究方向：电子对抗技术。

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,纪学军.一种Ka波段回旋行波管输出窗设计[J].无线电工程,2017,47(3):58-61.

2016-12-19

国家科技支撑计划基金资助项目(2014BAK02B04)。

TN124

A

1003-3106(2017)03-0058-04