本發(fā)明屬于高功率微波、毫米波技術(shù)領(lǐng)域，具體來說是一種應(yīng)用在高功率毫米波系統(tǒng)中的新型寬帶高平均功率容量水負(fù)載。

背景技術(shù)：

近年來隨著高功率毫米波技術(shù)的突破性進(jìn)展，毫米波電真空器件已經(jīng)在高功率、寬頻帶方面得到了快速發(fā)展。高功率毫米波電真空器件在高分辨率毫米波成像、毫米波對(duì)抗和雷達(dá)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)等軍事、科技領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的意義。高功率毫米波器件測(cè)試系統(tǒng)的輸出平均功率能夠達(dá)到數(shù)千瓦甚至數(shù)十千瓦級(jí)別，因此，為避免強(qiáng)毫米波電磁輻射造成電磁環(huán)境污染和人體損傷，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高功率毫米波功率檢測(cè)的功能，測(cè)試系統(tǒng)一般采用吸收負(fù)載進(jìn)行毫米波吸收和測(cè)量。吸收負(fù)載按吸收功率量級(jí)分類包括小功率負(fù)載、中功率負(fù)載和高功率負(fù)載，按吸收媒質(zhì)分類包括干負(fù)載和水負(fù)載。

干負(fù)載普遍應(yīng)用在中、小功率微波、毫米波領(lǐng)域，一般采用耐高溫、機(jī)械強(qiáng)度高的碳化硅、氧化鈹?shù)任ㄌ沾勺鳛槲ú牧?，外部采用風(fēng)冷或水冷散熱結(jié)構(gòu)。因此干負(fù)載具有體積小、使用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。但是吸收陶瓷材料熱導(dǎo)率低，影響了干負(fù)載整體導(dǎo)熱能力，限制了干負(fù)載功率容量提升。因此，常見干負(fù)載功率容量一般在數(shù)瓦至百瓦級(jí)別，無法滿足高功率毫米波電真空器件的使用要求。

水負(fù)載是一種應(yīng)用在高功率(千瓦級(jí)以上)微波、毫米波領(lǐng)域，能夠?qū)崿F(xiàn)功率測(cè)量的吸收負(fù)載。它是利用水對(duì)微波、毫米波的強(qiáng)吸收特性，將電磁能量轉(zhuǎn)化成水的熱能，并通過水負(fù)載內(nèi)的循環(huán)冷卻水將熱能帶走。目前，高功率水負(fù)載基本結(jié)構(gòu)主要分為兩種：吸收式水負(fù)載和輻射式水負(fù)載，如圖1所示。吸收式水負(fù)載基本結(jié)構(gòu)分為斜插水管結(jié)構(gòu)(a)、圓錐結(jié)構(gòu)(b)和斜面梯形結(jié)構(gòu)(c)。斜插水管結(jié)構(gòu)水負(fù)載具有低反射的特點(diǎn)，但是由于水室與微波接觸面積小，散熱面積有限，導(dǎo)致功率容量不足，無法實(shí)現(xiàn)高功率微波測(cè)量吸收；圓錐結(jié)構(gòu)和斜面梯形結(jié)構(gòu)水負(fù)載工作頻帶較寬，但是由于水室放置在波導(dǎo)內(nèi)部，易出現(xiàn)玻璃碎裂、漏水等現(xiàn)象，安全性較差；輻射式水負(fù)載(d)通過端口輻射的方式進(jìn)行電磁能量吸收，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且有效的解決了吸收式負(fù)載玻璃易碎、漏水的問題，但是這種輻射式水負(fù)載結(jié)構(gòu)工作帶寬窄，不能滿足寬帶微波測(cè)量吸收的要求。為了提高水負(fù)載的工作帶寬及功率容量，多種設(shè)計(jì)方法和措施被嘗試，如圖e所示的改進(jìn)型輻射式水負(fù)載，此結(jié)構(gòu)解決了傳統(tǒng)輻射式水負(fù)載工作帶寬窄的問題，有效的拓寬了水負(fù)載工作頻帶。但是，以上(b)、(c)、(d)、(e)四種水負(fù)載都存在水室體積過大的問題。由于水室結(jié)構(gòu)的不合理造成水與毫米波接觸面上的水流速度慢且分布不均勻，當(dāng)輸入功率較大時(shí)，水室內(nèi)壁局部區(qū)域易出現(xiàn)水溫度過高并氣化的現(xiàn)象，造成水室內(nèi)壓力過大進(jìn)而引起水室材料碎裂。因此，以上四種結(jié)構(gòu)水負(fù)載的功率容量都較小(改進(jìn)型輻射式水負(fù)載結(jié)構(gòu)最大平均功率容量為5kw)，無法滿足高功率毫米波電真空器件數(shù)十千瓦級(jí)別高功率使用要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了進(jìn)一步提高水負(fù)載的功率容量，使其滿足高功率毫米波電真空器件(如回旋行波管)的使用要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)水負(fù)載的寬帶低反射，本發(fā)明提出一種新型高平均功率螺旋導(dǎo)流結(jié)構(gòu)水負(fù)載。

本發(fā)明采用如下方案：

一種新型螺旋導(dǎo)流結(jié)構(gòu)高功率水負(fù)載，包括圓波導(dǎo)、導(dǎo)流結(jié)構(gòu)、雙錐體結(jié)構(gòu)、進(jìn)水口以及出水口。

所述圓波導(dǎo)一端與回旋行波管輸出輻射波導(dǎo)固定連接，另一端為導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，且圓波導(dǎo)內(nèi)徑與回旋行波管輸出輻射波導(dǎo)內(nèi)徑一致。

所述導(dǎo)流結(jié)構(gòu)由內(nèi)外兩層圓柱形殼體、以及嵌于兩層圓柱形殼體底部且螺旋上升的導(dǎo)流層組成，導(dǎo)流層寬度與兩層圓柱殼體之間的間隙寬度一致。

所述雙錐體結(jié)構(gòu)由內(nèi)外兩層圓錐形殼體組成并形成中空水室，雙錐體結(jié)構(gòu)底部與導(dǎo)流結(jié)構(gòu)頂部相連，并組成水負(fù)載水室。

所述進(jìn)水口設(shè)置于導(dǎo)流層起始端外側(cè)，與導(dǎo)流結(jié)構(gòu)外側(cè)形成30-60度夾角。所述進(jìn)水口內(nèi)半徑為出水口內(nèi)半徑的2/3。

所述出水口設(shè)置于外層圓錐形殼體頂部，進(jìn)水口采用小口徑尺寸，出水口采用大口徑尺寸。

所述導(dǎo)流層螺旋角度為360度，其末端高度等于或高于進(jìn)水口高度。

進(jìn)一步地，所述雙錐體結(jié)構(gòu)與圓柱形殼體采用材料的介電常數(shù)小于10；可以是石英玻璃、氧化鈹陶瓷、氧化鋁陶瓷等材料。

所述導(dǎo)流層采用易加工的硬質(zhì)介質(zhì)材料，如聚四氟乙烯，聚乙烯等。

本發(fā)明采用的圓波導(dǎo)能夠?qū)崿F(xiàn)毫米波輸出端口與水負(fù)載結(jié)構(gòu)的無縫連接，保證毫米波的有效傳輸和水負(fù)載的工作安全。

本發(fā)明采用的斜角為30-60度、小口徑尺寸進(jìn)水口，能夠有效避免水室內(nèi)水流對(duì)沖現(xiàn)象，解決了水負(fù)載內(nèi)水壓損耗過高的問題；采用的大口徑出水口能夠有效解決出水口的水阻問題。

本發(fā)明采用的螺旋上升結(jié)構(gòu)導(dǎo)流層能夠?qū)崿F(xiàn)引導(dǎo)水流流向并形成螺旋上升水流的目標(biāo)，進(jìn)一步保證雙錐體結(jié)構(gòu)內(nèi)流速分布更為合理、均勻。

本發(fā)明采用的雙錐體水負(fù)載結(jié)構(gòu)，一方面，能夠減少水負(fù)載端口電磁反射，實(shí)現(xiàn)寬帶低反射的設(shè)計(jì)目標(biāo)；另一方面，雙錐體結(jié)構(gòu)能夠有效縮小水負(fù)載體積，提高水室內(nèi)整體水流流速，提高水負(fù)載的功率容量。

有益效果：

1、工作頻帶寬，反射?。汗ぷ鲙挻笥?0ghz，反射參數(shù)小于-30db。

2、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易加工：導(dǎo)流層可采取塑料填充方式嵌入導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，能夠有效降低水負(fù)載加工難度。

3、功率容量大：雙錐體結(jié)構(gòu)縮小了水負(fù)載整體體積，提高了水室整體水流速度，相比傳統(tǒng)水負(fù)載結(jié)構(gòu)提升功率容量約為10倍左右。

附圖說明

圖1常見水負(fù)載結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2新型水負(fù)載軸向結(jié)構(gòu)圖；

圖3新型水負(fù)載導(dǎo)流結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4新型水負(fù)載剖面結(jié)構(gòu)圖；

圖5新型水負(fù)載尺寸標(biāo)注圖；

圖6毫米波傳播路徑圖；

圖7新型水負(fù)載的反射參數(shù)曲線圖(s11)；

圖8新型水負(fù)載水室的電場(chǎng)分布參數(shù)圖；

圖9新型水負(fù)載的流速分布圖；

圖10新型水負(fù)載的溫度分布圖。

在圖2、3、4中，數(shù)字1表示法蘭盤；2表示圓波導(dǎo)；3表示進(jìn)水口；4表示雙錐結(jié)構(gòu)；5表示出水口；6表示導(dǎo)流層。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合一種工作在ku波段te01模式和te11模式水負(fù)載設(shè)計(jì)實(shí)例以及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)闡述。

雙錐體水負(fù)載水室的幾何光學(xué)分析設(shè)計(jì)：利用光學(xué)反射和透射原理分析毫米波在空氣、殼體介質(zhì)中的傳播路徑及其相位變化，通過優(yōu)化內(nèi)層殼體厚度實(shí)現(xiàn)相位抵消，進(jìn)而減少反射到毫米波輸入端口的能量，降低負(fù)載內(nèi)部反射參數(shù)。水負(fù)載內(nèi)部毫米波傳播路徑圖如圖5所示。

由幾何光學(xué)的斯耐爾定律可知：

θi＝θr(1)

θi表示入射角，θt表示折射角，θr表示反射角，ε0為空氣相對(duì)介電常數(shù)，ε1為殼體材料相對(duì)介電常數(shù)。

要使得反射最小，則需要透射到內(nèi)層殼體中的透射波，在內(nèi)層殼體與中層冷卻水的分界面上經(jīng)過一次反射后、再一次透射到水負(fù)載內(nèi)部空氣中的傳播相移φ，與水負(fù)載內(nèi)部空氣中的反射波的傳播相移有如下關(guān)系:

其中n為正整數(shù)。

因此，水負(fù)載內(nèi)層殼體厚度計(jì)算公式為：

d表示內(nèi)層殼體厚度，v表示真空中的光速，f表示毫米波工作頻率。由(4)便可求出內(nèi)層殼體的厚度。

以下為水負(fù)載水室厚度理論計(jì)算。根據(jù)毫米波在介質(zhì)內(nèi)的傳播特性優(yōu)化水室厚度，降低毫米波對(duì)外輻射強(qiáng)度。

水的復(fù)介電常數(shù)表達(dá)式為：

εc＝ε′-jε″(5)

ε'表示相對(duì)介電常數(shù)，ε”表示介質(zhì)中的電極化損耗。

此時(shí)水介質(zhì)內(nèi)的毫米波波數(shù)為

ω表示毫米波角頻率，μ表示水的相對(duì)磁導(dǎo)率。

毫米波的傳播常數(shù)為：

γ＝j(luò)kc(7)

又因?yàn)?/p>

γ＝α+jβ(8)

其中α為衰減常數(shù)，表示毫米波每傳播單位距離其振幅的衰減量，單位為np/m(捺培/米)；β為相位常數(shù)，其單位為rad/m(弧度/米)。根據(jù)式(7)、(8)可以計(jì)算出α對(duì)應(yīng)數(shù)字。

毫米波在介質(zhì)內(nèi)的傳播方程為

ex表示電場(chǎng)指向方向，exm表示電場(chǎng)橫截面分布函數(shù)，z表示毫米波傳播方向。由(9)式知，當(dāng)α為正數(shù)時(shí)，毫米波在介質(zhì)內(nèi)沿傳播方向不斷衰減。因此，根據(jù)水負(fù)載設(shè)計(jì)目標(biāo)可以計(jì)算出理想的水室厚度。

設(shè)計(jì)方法：

首先我們借助幾何光學(xué)分析方法和理論分析，建立高功率水負(fù)載的分析模型，設(shè)計(jì)水負(fù)載的結(jié)構(gòu)尺寸，然后利用電磁仿真軟件hfss建立仿真模型并進(jìn)行水負(fù)載反射參數(shù)分析和水室內(nèi)電場(chǎng)衰減分析，最后利用流體仿真軟件ansysworkbench對(duì)水負(fù)載進(jìn)行流體分析和熱分析，驗(yàn)證水負(fù)載的功率容量。

ku波段te01模式和te11模式水負(fù)載設(shè)計(jì)目標(biāo)：

工作模式：te01模式和te11模式；

工作頻段：ku波段(12——18ghz)；

反射參數(shù)：小于-30db；

對(duì)外輻射：小于-40db；

水負(fù)載的尺寸標(biāo)注見圖5。其中水負(fù)載內(nèi)玻璃高度h為351mm，內(nèi)側(cè)玻璃厚度為3.1mm，圓波導(dǎo)與底部導(dǎo)流結(jié)構(gòu)內(nèi)直徑φ為64mm，水室厚度為5mm，外側(cè)玻璃厚度為3mm，進(jìn)水口半徑為8mm，出水口半徑為10mm，進(jìn)水口設(shè)置于導(dǎo)流層起始端外側(cè)，與導(dǎo)流結(jié)構(gòu)外側(cè)形成60度夾角，導(dǎo)流層螺旋角度為360度，其末端高度等于進(jìn)水口高度。

空氣相對(duì)介電常數(shù)為1，石英玻璃相對(duì)介電常數(shù)為3.6，中心頻率為15ghz時(shí)，根據(jù)(4)式計(jì)算的內(nèi)層玻璃厚度約為3.1mm。使用三維電磁場(chǎng)頻域仿真軟件hfss對(duì)水負(fù)載進(jìn)行反射仿真計(jì)算，得到反射參數(shù)隨頻率變化的特性曲線，見圖6。從計(jì)算結(jié)果可以看出，在ku波段范圍內(nèi)，水負(fù)載內(nèi)層玻璃厚度為3.1mm時(shí)，te01模式和te11模式反射參數(shù)均小于-30db，水負(fù)載的反射特性仿真結(jié)果達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。

根據(jù)水的復(fù)介電常數(shù)以及工作中心頻率并結(jié)合(8)式計(jì)算的水室厚度。理論計(jì)算結(jié)果為5mm時(shí)，水室內(nèi)電磁波電場(chǎng)幅值衰減99％，水負(fù)載對(duì)外輻射參數(shù)小于-40db。利用hfss對(duì)水負(fù)載進(jìn)行仿真分析，水室內(nèi)電場(chǎng)參數(shù)分布圖如圖8所示：此時(shí)5mm水層的電場(chǎng)幅值衰減為99.5％，對(duì)外輻射小于-40db，此時(shí)理論計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果吻合。因此，5mm水室厚度的水負(fù)載具有良好的吸收特性和防輻射能力，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。

利用流體分析軟件ansysworkbench進(jìn)行水負(fù)載導(dǎo)流結(jié)構(gòu)和雙錐體結(jié)構(gòu)流速分布分析。入水口水壓設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)自來水水壓0.3mpa，出水口水壓設(shè)置為0.15mpa，仿真結(jié)果如圖9所示。此時(shí)水室入口流速約為5m/s，出水口流速約為3m/s，水流在底部導(dǎo)流結(jié)構(gòu)形成螺旋模式，并在雙錐結(jié)構(gòu)內(nèi)實(shí)現(xiàn)螺旋、加速上升。水室內(nèi)流速分布較為均勻，雙錐結(jié)構(gòu)內(nèi)平均流速為5-10m/s，未出現(xiàn)局部流速過低現(xiàn)象。同時(shí)，為驗(yàn)證水負(fù)載功率容量，利用流體分析軟件ansysworkbench進(jìn)行水負(fù)載熱分析。由圖9可以看出，電場(chǎng)在水負(fù)載水室內(nèi)側(cè)急速衰減，0.5mm范圍內(nèi)吸收功率約為46％(理論結(jié)果為47％)，因此，水負(fù)載出現(xiàn)高溫的區(qū)域在水室內(nèi)側(cè)。在水負(fù)載水室內(nèi)側(cè)添加與吸收功率相對(duì)應(yīng)的熱流密度(吸收功率比上吸波面積)計(jì)算水室內(nèi)側(cè)溫度分布，仿真結(jié)果如圖10所示：當(dāng)熱流密度為50000w/mm²，對(duì)應(yīng)輸入平均功率為50kw，入水口水溫為300k(25℃)時(shí)，水室內(nèi)側(cè)最高溫度為344.6k(69.4℃)，此時(shí)水室內(nèi)側(cè)溫度分布均勻，整體溫差較小，這與以上流體計(jì)算結(jié)果是一致的。因此，通過對(duì)水負(fù)載結(jié)構(gòu)進(jìn)行流體分析與熱分析，驗(yàn)證了水負(fù)載的功率容量能夠到達(dá)平均功率50kw的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

通過以上實(shí)例對(duì)本發(fā)明水負(fù)載結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論建模、電磁仿真、流體分析與熱分析，并驗(yàn)證了水負(fù)載的工作帶寬、反射特性以及功率容量。結(jié)果表明：采用雙錐體結(jié)構(gòu)和導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的水負(fù)載能夠?qū)崿F(xiàn)高平均功率寬帶毫米波能量吸收的設(shè)計(jì)目標(biāo)。