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CN114725638B - 一种基于锥状抛物反射面的大功率水负载装置 - Google Patents

一种基于锥状抛物反射面的大功率水负载装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于锥状抛物反射面的大功率水负载装置，包括圆筒形的反射屏蔽层，设置于反射屏蔽层两端的上端盖、下端盖，同轴设置于反射屏蔽层内部的馈源入射结构，均匀紧密排布的吸波液体通道，其中上端盖的内侧反射面为旋转对称的锥状抛物反射面。当微波从馈源入射结构馈入，经过上端盖的锥状抛物反射面发生第一次反射，由于反射面独特的结构和半径高度比，仅有极少数反射回馈源入射结构端口，其余部分微波向四周反射；在微波反射腔体内经过一次或多次的反射，最终被流动冷却水介质吸收。本发明装置在实现微波低反射的同时，又能够达到千瓦甚至兆瓦的功率容量，满足大功率微波器件的要求。

Description

一种基于锥状抛物反射面的大功率水负载装置
技术领域
本发明属于微波、毫米波应用技术领域，涉及一种基于锥状抛物反射面的大功率水负载装置。
背景技术
在大功率微波应用系统中，为了满足系统测试需求以及避免电磁泄露引起的电磁环境污染和人体损伤等危害，需要对大功率微波进行在线吸收。相比其它微波吸收介质，水对微波能量的吸收效率最高，因而在大功率微波、毫米波领域，常用水作为吸收微波载体，它是利用水对微波、毫米波的强吸收特性，将电磁能量转化成水的热能，并通过水负载内的循环冷却将其热能带走。
常规水负载根据其基本结构不同可分为吸收式和辐射式水负载两种大功率水负载形式，它们均是以流动冷却水作为微波吸收体。吸收式水负载是利用伸入到波导内部的装有水的微波吸收水室来直接吸收微波，一般的微波吸收水室可以为圆锥体、斜插水管或斜劈式几种形状，吸收式水负载的优点是功率容量大，温度响应敏感。适合做微波吸收水室外壁的介质材料需要满足微波透射性好且介质损耗小等特性，石英、玻璃等材料符合这一条件，但同时其易碎的特点也使得其安全性差，可靠性与寿命较低。辐射式水负载的原理是微波直接通过波导端口上的窗口进行辐射，并被窗口上侧内置冷却流动水的微波吸收水室吸收，它只需要将介质片(陶瓷片)用密封圈压紧在波导端口的斜面法兰上就可以构成水室，不存在介质材料易碎的问题，但这种辐射式水负载工作带宽较窄，对于宽带微波测量吸收很难适用。而且这两种水负载结构的微波吸收水室体积大，结构不合理，微波接触面的流动水流速慢且微波分布不均匀，当输入大功率时还容易造成局部区域水温过高气化，导致水室承受压力过大而破裂，上述种种因素使得这两种水负载结构功率容量较小，难以应用于大功率微波系统中，因此需要对其进行改进设计。
发明内容
本发明针对上述水负载存在的结构不合理、体积过大、功率容量小、微波吸收不均匀等问题，提供了一种基于锥状抛物反射面的大功率水负载装置，在可以实现微波低反射的同时，又能够达到千瓦甚至兆瓦的功率容量，满足大功率微波器件的要求。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于锥状抛物反射面的大功率水负载装置，其结构包括上端盖、馈源入射结构、反射屏蔽层、吸波液体通道、支撑杆、下端盖、进水口和出水口；
所述反射屏蔽层为圆筒形的金属壳体，其上端连接上端盖、下端连接下端盖，三者共同围成微波反射腔体；
所述上端盖的内侧反射面为旋转对称的锥状抛物反射面，所述锥状抛物反射面的形状为一段抛物线绕旋转轴一周得到的曲面；
所述馈源入射结构为同轴设置于反射屏蔽层内部的圆波导结构，其顶部为环形反射面，底部与下端盖连接；
所述吸波液体通道包括螺旋环绕于馈源入射结构外壁、下端盖内壁、反射屏蔽层内壁的均匀紧密排布的液体管道；所述吸波液体通道的进水口和出水口设置于下端盖下方。
进一步地，所述反射屏蔽层内侧设置有均匀分布的支撑杆，支撑杆的两端分别连接上下端盖，起到支撑固定吸波液体通道的作用。
进一步地，所述锥状抛物反射面的顶点到上端盖与反射屏蔽层的连接处的高度为h1；所述反射屏蔽层的半径R的取值范围为3h1～4h1；所述锥状抛物反射面的顶点到馈源入射结构端口所在平面的距离h2的取值范围为0.9h1～1.1h1；所述馈源入射结构高度h3的取值范围为2h1～3h1；所述环形反射面内半径r1的取值范围为0.7h1～0.9h1，外半径r2的取值范围为1.4h1～1.6h1；采用锥状抛物反射面使得微波经锥状抛物面时尽可能多地向四周反射，仅有很小一部分会反射回馈源入射结构端口。
进一步地，所述反射屏蔽层为铝，用于防止微波泄露，起到保护环境的作用。
进一步地，所述上端盖、下端盖以及环形反射面都是6061铝合金材质，该材质易抛光，经抛光后光洁度高，微波反射性能好，同时该材质还具有成本低廉的优势。
进一步地，所述吸波液体通道为聚四氟乙烯管道，该材料介电常数为2.55，减小了对微波的反射作用，使入射到吸波液体通道的大部分微波能够被流动冷却介质吸收，大大提高了微波吸收效率。
进一步地，所述吸波液体通道内部流动的吸波介质为流动冷却水，由于水是良好的微波吸收介质，吸波效率高，因此可以强烈吸收微波，另外不断循环流动的冷却水不断地将微波能量转换为热能，进一步提高了对微波的吸收率。
进一步地，在所述进水口和出水口分别安置有温度传感器，检测一定时间内水温的变化，并通过公式Q＝cmΔt起到测量微波功率的效果，其中c为水的比热容，m为水的质量，Δt为温度变化量。
当微波从馈源入射结构端口传播到水负载装置的微波反射腔体时，经过上端盖的锥状抛物反射面发生第一次反射，由于反射面独特的结构和半径高度比，仅有极少数反射回馈源入射结构端口，其余部分微波向四周反射。向四周反射的这部分微波继续在微波反射腔体内传播，经过液体吸波通道时，大部分微波会被液体吸波通道中的流动水吸收，剩余部分在微波反射腔体内经过一次或多次的反射，再次经过液体吸波通道，然后被流动冷却水介质吸收。经过多次反射吸收后，除极小一部分微波会反射回馈源入射结构端口外，大部分的微波被吸波液体通道内的流动水吸收，本发明装置有极高的微波吸收效率。
同时由于管道紧密均匀排布，每个部分吸收的微波能量也很均匀，避免了吸波液体管道局部温度过高的情况，提升了装置的功率容量，减小了安全隐患；反射屏蔽层的存在使得微波可能会泄露的问题得以解决，保护外部环境；另外，该水负载的材料容易获取且容易加工，装置简单，大大节省了成本。
附图说明
图1为本发明实施例基于锥状抛物反射面的大功率水负载装置俯视截面图。
图2为本发明实施例基于锥状抛物反射面的大功率水负载装置侧视剖面图。
图3为本发明实施例基于锥状抛物反射面的大功率水负载装置微波反射光路图。
附图标号说明：1为上端盖，2为馈源入射结构，3为环形反射面，4为馈源入射结构外壁，5为反射屏蔽层，6为支撑杆，7为吸波液体通道，8为下端盖，9为进水口，10为出水口。
具体实施方式
以下结合结构示意图来阐述本发明的具体实施方式，所举实例只限定于本发明。
如图1和图2所示，本发明提供了一种基于锥状抛物反射面的大功率水负载装置，包括上端盖，馈源入射结构，反射屏蔽层，吸波液体通道，支撑杆，下端盖，进水口和出水口。
所述反射屏蔽层为半径R＝3.5h1的圆筒形的金属壳体，材质为铝，其上端连接上端盖、下端连接下端盖，三者共同围成微波反射腔体；金属铝对微波屏蔽性能好，且材质轻便，能有效避免大功率微波向外辐射，提高装置的使用安全性。
所述上端盖的内侧反射面为旋转对称的锥状抛物反射面，所述锥状抛物反射面的形状为一段抛物线绕旋转轴一周得到的曲面；锥状抛物反射面的顶点到上端盖与反射屏蔽层的连接处的高度为h1；采用锥状抛物反射面使得微波经锥状抛物面时尽可能多地向四周反射，仅有很小一部分会反射回馈源入射结构端口，可以实现微波的高效反射。
所述馈源入射结构为同轴设置于反射屏蔽层内部的圆波导结构，馈源入射结构整体高度h3＝2.7h1，其端口所在平面与所述锥状抛物反射面顶点的距离h2＝h1，其顶部为环形反射面，底部与下端盖连接，环形反射面内半径r1为0.8h1，外半径r2为1.5h1；上端盖、下端盖、环形反射面都是由6061铝合金构成的，这种材料抗蚀性好，易加工，特别是它在抛光后光洁度高，有利于实现微波的高效反射。所述吸波液体通道包括螺旋环绕于馈源入射结构外壁、下端盖内壁、反射屏蔽层内壁的均匀紧密排布的液体管道；所述吸波液体通道的进水口和出水口设置于下端盖下方。吸波液体通道的材质为聚四氟乙烯，介电常数为2.55，能实现对微波的低反射，从而实现大功率微波的高效吸收。吸波液体通道内使用流动冷却水作为微波吸收介质，水对微波的吸收率高，易获取，且清洁无污染，在流动过程中可将微波能转换为热能带走，以实现循环利用。此外，在进出水口分别设置一个温度传感器，检测一定时间内水温变化，通过公式Q＝cmΔt(c为水的比热容，m为水的质量，Δt为温度变化量)可以起到测量微波功率的效果。
所述反射屏蔽层内侧设置有均匀分布的16根不锈钢支撑杆，支撑杆的两端分别连接上下端盖，起到支撑固定吸波液体通道的作用。经实验，当高斯波束辐射源功率为975mW，馈源入射结构接收到反射回来的功率仅有6.57mW。经计算可得，S11系数为-2.17dB，满足仅有极少数微波反射回来，大部分入射微波被吸收的要求。

Claims (7)

1.一种基于锥状抛物反射面的大功率水负载装置，其特征在于，包括上端盖、馈源入射结构、反射屏蔽层、吸波液体通道、支撑杆、下端盖、进水口和出水口；
所述反射屏蔽层为圆筒形的金属壳体，其上端连接上端盖、下端连接下端盖，三者共同围成微波反射腔体；
所述上端盖的内侧反射面为旋转对称的锥状抛物反射面，所述锥状抛物反射面的形状为一段抛物线绕旋转轴一周得到的曲面；
所述馈源入射结构为同轴设置于反射屏蔽层内部的圆波导结构，其顶部为环形反射面，底部与下端盖连接；
所述吸波液体通道包括螺旋环绕于馈源入射结构外壁、下端盖内壁、反射屏蔽层内壁的均匀紧密排布的液体管道；所述吸波液体通道的进水口和出水口设置于下端盖下方。
2.如权利要求1所述的一种基于锥状抛物反射面的大功率水负载装置，其特征在于，所述反射屏蔽层内侧设置有均匀分布的支撑杆，支撑杆的两端分别连接上下端盖，起到支撑固定吸波液体通道的作用。
3.如权利要求1或2所述的一种基于锥状抛物反射面的大功率水负载装置，其特征在于，所述锥状抛物反射面的顶点到上端盖与反射屏蔽层的连接处的高度为h1；所述反射屏蔽层的半径R的取值范围为3h1～4h1；所述锥状抛物反射面的顶点到馈源入射结构端口所在平面的距离h2的取值范围为0.9h1～1.1h1；所述馈源入射结构高度h3的取值范围为2h1～3h1；所述环形反射面内半径r1的取值范围为0.7h1～0.9h1，外半径r2的取值范围为1.4h1～1.6h1。
4.如权利要求3所述的一种基于锥状抛物反射面的大功率水负载装置，其特征在于，所述反射屏蔽层的材料为铝。
5.如权利要求3所述的一种基于锥状抛物反射面的大功率水负载装置，其特征在于，所述上端盖、下端盖以及环形反射面都是6061铝合金材质。
6.如权利要求3所述的一种基于锥状抛物反射面的大功率水负载装置，其特征在于，所述吸波液体通道为聚四氟乙烯管道。
7.如权利要求3所述的一种基于锥状抛物反射面的大功率水负载装置，其特征在于，所述吸波液体通道内部流动的吸波介质为流动冷却水。
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