300GHZ輸出窗設(shè)計(jì)_本科畢業(yè)設(shè)計(jì).doc

摘要摘要微波電真空器件是雷達(dá)、通信、廣播、加速器等一些電子系統(tǒng)的心臟部件。而輸出窗是大功率微波電真空器件的關(guān)鍵部件，對(duì)器件和系統(tǒng)的頻段、功率容量、可靠性和壽命具有重要作用。本文基于盒型輸出窗模型，采用matlab、cst三維計(jì)算軟件進(jìn)行優(yōu)化模擬，分別分析了300GHz-330GHz頻段的藍(lán)寶石窗片常規(guī)輸出窗與非常規(guī)輸出窗。并對(duì)非常規(guī)輸出窗模型的輸出特性與各種結(jié)構(gòu)參量的關(guān)系進(jìn)行了優(yōu)化模擬，討論了該輸出窗結(jié)構(gòu)變化對(duì)其輸出特性的影響，得到理論上的最優(yōu)模型參數(shù)。同時(shí)，采用現(xiàn)有半徑為3mm的藍(lán)寶石窗片，設(shè)計(jì)適合與300GHz的盒型窗結(jié)構(gòu)并模擬優(yōu)化。關(guān)鍵字：盒型窗,太赫茲輸出窗，非常規(guī)輸出窗59AbstractABSTRACTMicrowave vacuum electron devices are the key components in radar, communication, broadcasting, accelerators and the other electron systems. The output windows are the key parts in high-power microwave electron, power level, reliability and lifetime of the devices. In this paper, based on a box type window model and Matlab, CST software, the conventional box type sapphire window and the irregular box type sapphire window are analyzed at the frequency band of 300GHz-330GHz.The relation of output characteristics with various parameters in the irregular box type sapphire window is simulated; the influence of the parameter S21 by changing the construction of the window is discussed; finally, the optimal theoretical model parameters is obtained. And, Using actual radius of 3 mm sapphire window, design the window for 300GHz and simulate the consequence.矚慫潤(rùn)厲釤瘞睞櫪廡賴。Key Words: Box Type Window, Output Window Of THz, Irregular Type Window.聞創(chuàng)溝燴鐺險(xiǎn)愛(ài)氌譴凈。目錄目錄第一章引言1殘騖樓諍錈瀨濟(jì)溆塹籟。1.1 課題背景1釅錒極額閉鎮(zhèn)檜豬訣錐。1.2 盒型輸出窗研究現(xiàn)狀2彈貿(mào)攝爾霽斃攬磚鹵廡。1.3 研究輸出窗的目的和意義4謀蕎摶篋飆鐸懟類(lèi)蔣薔。1.4 課題的內(nèi)容4廈礴懇蹣駢時(shí)盡繼價(jià)騷。第2章盒型輸出窗的理論分析6煢楨廣鰳鯡選塊網(wǎng)羈淚。2.1 引言6鵝婭盡損鵪慘歷蘢鴛賴。2.2 常規(guī)盒型輸出窗等效電路理論分析6籟叢媽羥為贍僨蟶練淨(jìng)。2.3高頻厚窗結(jié)構(gòu)分析11預(yù)頌圣鉉儐歲齦訝驊糴。2.4盒型輸出窗的設(shè)計(jì)步驟13滲釤嗆儼勻諤鱉調(diào)硯錦。2.5常規(guī)輸出窗基本參數(shù)的計(jì)算14鐃誅臥瀉噦圣騁貺頂廡。第3章盒型輸出窗的模擬計(jì)算與分析17擁締鳳襪備訊顎輪爛薔。3.1常規(guī)盒型輸出窗的設(shè)計(jì)17贓熱俁閫歲匱閶鄴鎵騷。3.1.1 CST模型優(yōu)化18 壇摶鄉(xiāng)囂懺蔞鍥鈴氈淚。3.1.2 結(jié)果分析討論19蠟變黲癟報(bào)倀鉉錨鈰贅。3.2非常規(guī)盒型輸出窗設(shè)計(jì)的模型分析。20買(mǎi)鯛鴯譖曇膚遙閆擷凄。3.2.1非常規(guī)輸出窗理論分析20綾鏑鯛駕櫬鶘蹤韋轔糴。3.2.1圓波導(dǎo)直徑的優(yōu)化22驅(qū)躓髏彥浹綏譎飴憂錦。3.2.2圓波導(dǎo)長(zhǎng)度的優(yōu)化23貓蠆驢繪燈鮒誅髏貺廡。3.2.3結(jié)構(gòu)微調(diào)驗(yàn)證25鍬籟饗逕瑣筆襖鷗婭薔。3.2.4結(jié)果分析討論26構(gòu)氽頑黌碩飩薺齦話騖。3.3半徑 藍(lán)寶石窗片非常規(guī)盒型輸出窗設(shè)計(jì)28輒嶧陽(yáng)檉籪癤網(wǎng)儂號(hào)澩。3.3.1盒型窗的窗片分析28堯側(cè)閆繭絳闕絢勵(lì)蜆贅。3.3.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化30識(shí)饒鎂錕縊灩筧嚌儼淒。3.3.3結(jié)果分析討論37凍鈹鋨勞臘鍇癇婦脛糴。第4章結(jié)束語(yǔ)39恥諤銪滅縈歡煬鞏鶩錦。參考文獻(xiàn)40鯊腎鑰詘褳鉀溈懼統(tǒng)庫(kù)。致謝41碩癘鄴頏謅攆檸攜驤蘞。附錄42閿擻輳嬪諫遷擇楨秘騖。附錄一：常規(guī)輸出窗圓波導(dǎo)長(zhǎng)度求解Matlab程序42氬嚕躑竄貿(mào)懇彈瀘頷澩。外文資料原文43釷鵒資贏車(chē)贖孫滅獅贅。翻譯文稿50慫闡譜鯪逕導(dǎo)嘯畫(huà)長(zhǎng)涼。第1章 引言第一章 引言1.1 課題背景微波電真空器件是利用電子注與微波電磁場(chǎng)相互作用而進(jìn)行微波產(chǎn)生和放大的真空電子器件，是各種微波電子系統(tǒng)的心臟，在當(dāng)今信息時(shí)代占有極其重要的地位。已經(jīng)廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信、電視廣播、粒子加速器、可控?zé)岷司圩冄b置、微波遙感、微波加熱、材料處理和制備等領(lǐng)域。由于微波電真空器件具有高峰值功率，高平均功率以及較低成本等特點(diǎn)，再進(jìn)入21世紀(jì)的今天，仍然是一種不可替代的微波功率源。諺辭調(diào)擔(dān)鈧諂動(dòng)禪瀉類(lèi)。輸出窗是伴隨著微波電真空器件的出現(xiàn)而誕生的，是大功率微波電真空器件、加速器和其他大功率微波電子系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，對(duì)器件和系統(tǒng)的容量、高頻特性、可靠性和壽命具有重要影響。嘰覲詿縲鐋囁偽純鉿錈。微波電真空器件要能夠可靠運(yùn)行，就需要高真空的內(nèi)部環(huán)境，輸出窗是解決高頻能量輸出和維持器件本身高真空性能之間的相互矛盾而出現(xiàn)的，即在高頻輸出端不但需要將高頻功率傳送出去，同時(shí)還要使器件保持良好的氣密性。熒紿譏鉦鏌觶鷹緇機(jī)庫(kù)。高頻輸出窗的形式是多種多樣的，目前普通使用的是盒型窗、陶瓷階梯窗和同軸窗。盒型窗是將一個(gè)圓盤(pán)介質(zhì)片密封在截面相同的圓波導(dǎo)中，兩端通過(guò)轉(zhuǎn)換和矩形波導(dǎo)相連。這種窗的優(yōu)點(diǎn)是承受的功率容量大，頻帶寬，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在工藝上也比較成熟，但結(jié)構(gòu)的跳變過(guò)度引起傳輸高頻場(chǎng)的畸變并可能形成某些特定頻率的諧振。陶瓷階梯窗利用逐漸變換而獲得阻抗匹配，這種窗使用于工作波長(zhǎng)短的速調(diào)管，在20%頻帶內(nèi)駐波比可小于。波導(dǎo)階梯窗有單向階梯窗、雙向階梯窗、T型塞子窗幾種。同軸輸出窗適用于工作波長(zhǎng)長(zhǎng)的管子，其頻帶寬、工藝簡(jiǎn)單，但承受的功率容量不如盒型窗大。圓柱盒型窗的連續(xù)波功率容限問(wèn)題是電真空器件峰值功率和平均功率進(jìn)一步提高的制約因素。輸出窗的雜模也是影響電真空器件正常工作的重要方面。鶼漬螻偉閱劍鯫腎邏蘞。大功率輸出窗對(duì)于其他微波電真空器件而言，具有相似的作用：允許高頻能量通過(guò)同時(shí)保證微波電真空器件內(nèi)部的氣密性。大功率輸出窗的頻帶特性，功率水平、工作壽命制約著高功率微波電真空器件的進(jìn)一步發(fā)展。紂憂蔣氳頑薟驅(qū)藥憫騖。1.2 盒型輸出窗研究現(xiàn)狀盒型窗與其他形式的微波窗相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功率容量大，工藝上易于實(shí)現(xiàn)，同時(shí)具有較寬的帶寬。此外在結(jié)構(gòu)上便于加水套通水冷卻，故近年來(lái)已成為高功率微波器件的常用輸出窗形式。圖1-1是一種常規(guī)圓盤(pán)形盒型輸出窗模型。它將一個(gè)圓盤(pán)形窗片密封在截面相同的一段圓波導(dǎo)中，通過(guò)圓波導(dǎo)與矩形波導(dǎo)相連。通常矩形波導(dǎo)的尺寸是根據(jù) 單模工作的頻率范圍采用標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，而圓波導(dǎo)段直徑 則依據(jù)輸出微波功率和高頻場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)度大小及 單模工作的頻率范圍選則確定，通常情況下圓波導(dǎo)直徑 與矩形波導(dǎo)的對(duì)角線近似相等，俗稱(chēng)“對(duì)角窗”。窗片厚度和圓波導(dǎo)的長(zhǎng)度（ ）的選擇則取決于工作頻率范圍和頻段寬度。穎芻莖蛺餑億頓裊賠瀧。 圓波導(dǎo)矩形波導(dǎo) 圖 1-1 常規(guī)盒型輸出窗這種盒型輸出窗被微波真空器件廣泛采用，無(wú)論是工程設(shè)計(jì)、工藝技術(shù)和窗片材料的制備都相當(dāng)成熟，對(duì)微波真空器件向高功率和高頻率發(fā)展產(chǎn)生了重要作用。影響這種盒型輸出窗性能的主要因素包括：濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。1. 輸出窗窗片的位置，即 和 的大小和相對(duì)關(guān)系。若 ，即輸出窗為對(duì)稱(chēng)窗，這時(shí)通常輸出窗兩端采用尺寸相同的矩形波導(dǎo)，這種輸出窗的頻帶較寬，是比較常用的一種輸出窗結(jié)構(gòu)。若 ，即輸出窗為非對(duì)稱(chēng)窗，這時(shí)輸出窗兩端的矩形波導(dǎo)尺寸也可能不相同，一般情況下寬邊尺寸相同，窄邊尺寸不同，輸出窗的頻帶較窄，選擇合適的窗片位置對(duì)工作頻率附近可以得到好的透射系數(shù)。銚銻縵嚌鰻鴻鋟謎諏涼。2. 輸出窗窗片的幾何形狀和尺寸。輸出窗可以選擇為圓盤(pán)狀，即普通盒型輸出窗，也可以是其他形狀，這時(shí)窗片的直徑是決定輸出窗性能的重要因素之一。由于窗片焊接在圓波導(dǎo)中，如果窗片的直徑過(guò)大，則圓波導(dǎo)的直徑也相應(yīng)變大，高次摸不容易截止。窗片的直徑過(guò)小，對(duì)傳輸高功率不利，同時(shí)矩形波導(dǎo)與圓波導(dǎo)的連接也不易做到寬帶匹配。一般選取圓波導(dǎo)的直徑等于矩形波導(dǎo)截面的對(duì)角線。 ,式中 是圓波導(dǎo)直徑， 和 分別是矩形波導(dǎo)寬邊和窄邊的尺寸。輸出窗的窗片也可以為球冠狀、圓錐形或其他形狀，它的結(jié)構(gòu)如何選取主要決定于輸出微波功率、頻率、頻帶寬度和匹配性能。擠貼綬電麥結(jié)鈺贖嘵類(lèi)。3. 窗片材料的選用。窗片材料的介電常數(shù)和損耗系數(shù)既影響輸出窗的頻帶特性和透射系數(shù)，又影響輸出窗的熱耗散特性和散熱能力，同時(shí)對(duì)金屬窗片封接強(qiáng)度和應(yīng)力平衡必須充分考慮。在微波波段常用的輸出窗窗片材料有氧化鋁、氧化鈹、氮化硼等。賠荊紳諮侖驟遼輩襪錈。4. 輸出窗中矩形波導(dǎo)與圓波導(dǎo)的連接處的波導(dǎo)蓋板的形狀將影響輸出窗的帶寬。通常輸出窗中方波導(dǎo)與圓波導(dǎo)之間的 ，方圓過(guò)渡的跳變不連續(xù)將引起并聯(lián)電感或電容的變化，波導(dǎo)蓋板的形狀則直接影響這種電納變化的大小和性質(zhì)。有的輸出窗為減弱電場(chǎng)在該連續(xù)處的畸變，也有將矩形波導(dǎo)與圓波導(dǎo)之間的夾角設(shè)計(jì)成大于 ，以減少垂直窗片表面的電場(chǎng)分量的大小，降低輸出窗隨壞幾率。塤礙籟饈決穩(wěn)賽釙冊(cè)庫(kù)。5. 輸出窗焊接工藝過(guò)程中焊料流散的均勻與否同樣影響輸出窗的駐波和熱耗性能。焊料流散不好將使窗片和圓波導(dǎo)連續(xù)不均勻，引起不同頻率波的駐波特性變化不連續(xù)或增加介質(zhì)損耗。裊樣祕(mì)廬廂顫諺鍘羋藺。6. 輸出窗的散熱和外加冷卻狀況也是影響輸出窗功率容限和壽命的重要因素。輸出窗的冷卻狀況較好，相對(duì)來(lái)說(shuō)，窗片的熱量積累就少，輸出窗就能容許更高的峰值功率和平均功率，同時(shí)能延長(zhǎng)其工作壽命。倉(cāng)嫗盤(pán)紲囑瓏詁鍬齊驁。目前，普通盒型輸出窗得到了比較好的應(yīng)用。但是隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域?qū)ξ⒉娬婵掌骷男阅芴岢隽烁叩囊?，出窗的頻帶特性，功率水平、工作壽命制約著高功率微波電真空器件的進(jìn)一步發(fā)展。例如，速調(diào)管要就更高的峰值功率和平均功率、更寬的瞬時(shí)帶寬、跟高的轉(zhuǎn)換效率、更高的信噪比。為此，人們對(duì)該類(lèi)微波輸出窗進(jìn)行進(jìn)一步研究和改進(jìn)，以提高它各方面的性能，如研制更新的窗片材料，設(shè)計(jì)跟合理的窗結(jié)構(gòu)，以提高它的高頻特性、機(jī)械性能和氣密性能，降低它的介質(zhì)損耗等。綻萬(wàn)璉轆娛閬蟶鬮綰瀧。1.3 研究輸出窗的目的和意義國(guó)內(nèi)外的輸出窗發(fā)展趨勢(shì)有兩種：一是高峰值功率波導(dǎo)窗；另一種是高平均功率波導(dǎo)窗。目前，國(guó)外輸出窗的峰值功率可達(dá)到 ，平均功率可達(dá)上百千瓦。而國(guó)內(nèi)的輸出窗的峰值功率可達(dá)，其平均功率一般在十幾千瓦。因此，在國(guó)內(nèi)開(kāi)展輸出窗的研究工作是很有必要的。驍顧燁鶚巰瀆蕪領(lǐng)鱺賻。高功率微波研究在科技、工業(yè)及國(guó)防各反面均有重要地位，而高功率微波源在高功率微波系統(tǒng)中，屬于最關(guān)鍵的組件。因此，自主研發(fā)及制造能力的建設(shè)，非常重要。今年來(lái)，國(guó)內(nèi)尖端電磁科技的發(fā)展，已隨世界潮流由傳統(tǒng)的厘米波進(jìn)入微波領(lǐng)域，例如衛(wèi)星通信應(yīng)用、新型國(guó)防電子系統(tǒng)、太赫茲研究等。微波源是微波系統(tǒng)的核心，也是研究新型輻射機(jī)制的主要課題。微波管的微波輸出系統(tǒng)稱(chēng)作微波窗，同時(shí)兼顧微波管的真空封接，是微波管中極為重要的部分?，嶀暈R曖惲錕縞馭篩涼。本文主要討論一種非常規(guī)的盒型輸出窗，改變窗片與變換階段圓波導(dǎo)的尺寸。使其既滿足工程指標(biāo)又實(shí)際可行，從而具有一定科研價(jià)值。鎦詩(shī)涇艷損樓紲鯗餳類(lèi)。1.4 課題的內(nèi)容藍(lán)寶石 是一種高密度的介質(zhì)材料，在毫米波段且具有低損耗特點(diǎn)。選用藍(lán)寶石作為窗片，對(duì)展帶寬和降低損耗具有積極的作用。本文采用藍(lán)寶石窗片，嘗試改變輸出窗圓波導(dǎo)的尺寸、窗片的直徑來(lái)改善輸出窗的性能，希望在頻段 范圍內(nèi)得到較寬的帶寬。表3-1是藍(lán)寶石的主要物理性質(zhì)。櫛緶歐鋤棗鈕種鵑瑤錟。表3-1 藍(lán)寶石的物理性質(zhì) 比重（） 導(dǎo)熱系數(shù) 介電常數(shù)（ ）比熱（ 損耗角10 介電強(qiáng)度 電阻率 3980 40軸9.2 753.50.000248000 本文采用Matlab、CST三維計(jì)算軟件來(lái)計(jì)算分析盒型輸出窗，希望以此來(lái)改善高頻輸出窗的匹配特性，以求得到大的帶寬和很好的透射特性。并應(yīng)用于工程實(shí)際。主要內(nèi)容包括以下3個(gè)方面：轡燁棟剛殮攬瑤麗鬮應(yīng)。1由于要求頻帶為300GHz-330GHz，頻率過(guò)高，所以采用盒型輸出窗厚窗結(jié)構(gòu)。根據(jù)盒型窗等效電路，運(yùn)用Matlab計(jì)算軟件編程，計(jì)算出常規(guī)盒型輸出窗模型參量指標(biāo)。并運(yùn)用CST予以仿真。峴揚(yáng)斕滾澗輻灄興渙藺。2討論一種非常規(guī)的盒型輸出窗模型，即窗片尺寸不等于圓波導(dǎo)尺寸。運(yùn)用CST三維計(jì)算軟件予以優(yōu)化，得到滿足所要求帶寬與衰減的模型。詩(shī)叁撻訥燼憂毀厲鋨驁。3考慮到工程實(shí)際，所采用的窗片不可能太小。所以采用現(xiàn)有半徑為3mm的藍(lán)寶石窗片，設(shè)計(jì)適合于300GHz傳輸?shù)暮行痛敖Y(jié)構(gòu)并模擬優(yōu)化。則鯤愜韋瘓賈暉園棟瀧。第2章 盒型輸出窗的理論分析第2章 盒型輸出窗的理論分析2.1 引言輸出窗不僅是讓高頻能量盡力無(wú)反射、無(wú)損耗的通過(guò)，而且要保持微波電真空器件內(nèi)部處于高真空狀態(tài)。在輸出窗自身結(jié)構(gòu)中，各尺寸參數(shù)起著重要的作用，直接影響輸出窗的工作頻率、頻帶、透射系數(shù)，而窗片則影響著微波輸出功率承受能力以及真空密閉和機(jī)械性能。脹鏝彈奧秘孫戶孿釔賻。過(guò)去對(duì)盒型窗的研究中，主要針對(duì)的都是常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，如圖1-1所示，對(duì)于兩端連接不同矩形波導(dǎo)的盒型窗，因?yàn)轭l帶不易做寬，通常只用在某些特殊的窄帶器件中，本文只對(duì)兩端對(duì)稱(chēng)的盒型窗進(jìn)行分析，即 ，并且 。通常從等效電路的角度分析這種常規(guī)盒型輸出窗鰓躋峽禱紉誦幫廢掃減。2.2 常規(guī)盒型輸出窗等效電路理論分析由于在矩形波導(dǎo)和圓波導(dǎo)中都是單模工作，波導(dǎo)邊界的跳躍改變和材料性能的變化可以等效為電路中電容的電納，其等效電路表示為圖2-1。稟虛嬪賑維嚌妝擴(kuò)踴糶。 圖2-1 盒型輸出窗等效電路圖 如圖1-1所示常規(guī)盒型輸出窗是在 單模工作的矩形波導(dǎo)中插入一段 單模傳輸圓波導(dǎo)，再在圓波導(dǎo)中間封接一片圓盤(pán)型窗片而構(gòu)成。整個(gè)傳輸線可以分為以下幾部分：陽(yáng)簍埡鮭罷規(guī)嗚舊巋錟。1. 矩形波導(dǎo)與圓波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換部分。2. 圓波導(dǎo)傳輸線。3. 介質(zhì)窗片。把整個(gè)真?zhèn)€盒型窗看作一個(gè)無(wú)耗四端口網(wǎng)絡(luò)。其輸入和輸出的關(guān)系可用傳輸矩陣 表示為 溈氣嘮戇萇鑿鑿櫧諤應(yīng)。 鋇嵐縣緱虜榮產(chǎn)濤團(tuán)藺。式中： 懨俠劑鈍觸樂(lè)鷴燼觶騮。 謾飽兗爭(zhēng)詣繚鮐癩別瀘。其中： 為圓波導(dǎo)的特性阻抗和兩端矩形波導(dǎo)的特性阻抗之比； 為圓波導(dǎo)的特性阻抗； 和 為輸入和輸出的矩形波導(dǎo)的特性阻抗； 和 分別為輸入和輸出矩形波導(dǎo)的寬邊和窄邊的尺寸；為兩端矩形波導(dǎo)與圓波導(dǎo)轉(zhuǎn)換處所引入的不連續(xù)電納的歸一化值； 為介質(zhì)中所引起的容性電納的歸一化值； 為以窗片厚度的中心為界兩邊的圓波導(dǎo)段的長(zhǎng)度； 為圓波導(dǎo)中波的傳播傳播常數(shù)（ ）； 圓波導(dǎo) 摸的截止波長(zhǎng)。對(duì)于兩邊連接不同矩陣的矩形波導(dǎo)的盒型窗，因?yàn)轭l帶不易做寬，所以除了在特殊要求場(chǎng)合外，很少應(yīng)用。一般常用的是兩邊對(duì)稱(chēng)的盒型窗。咼鉉們歟謙鴣餃競(jìng)蕩賺。對(duì)于對(duì)稱(chēng)型常規(guī)盒型窗， ， ，由公式(2-2-2)求得傳輸矩陣的參數(shù) 分別為 瑩諧齷蘄賞組靄縐嚴(yán)減。麩肅鵬鏇轎騍鐐縛縟糶。 納疇鰻吶鄖禎銣膩鰲錟。對(duì)于互易無(wú)耗雙口網(wǎng)絡(luò)， ，入射功率 與輸出功率 之比為 風(fēng)攆鮪貓鐵頻鈣薊糾廟。根據(jù)駐波比與反射系數(shù) ，反射系數(shù)與L的關(guān)系，可求得駐波比與L的關(guān)系，即 滅噯駭諗鋅獵輛覯餿藹。由公式（2-2-9）可知，功率全部傳輸?shù)臈l件為 ，由公式（2-2-6）、（2-2-7），得 鐒鸝餉飾鐔閌貲諢癱騮。式中： 攙閿頻嶸陣澇諗譴隴瀘。 趕輾雛紈顆鋝討躍滿賺。 夾覡閭輇駁檔驀遷錟減。式（2-2-10）的解為 視絀鏝鴯鱭鐘腦鈞欖糲。由公式（2-2-14）可求得獲得匹配要求的圓波導(dǎo)長(zhǎng)度 。由上式可以看出，在要求的頻率點(diǎn)上，存在完全匹配的條件為偽澀錕攢鴛擋緬鐒鈞錠。 緦徑銚膾齲轎級(jí)鏜撟廟。當(dāng)輸入和輸出波導(dǎo)的幾何尺寸確定后，應(yīng)選擇適合的圓波導(dǎo)直徑、窗片材料（介電常數(shù)）和厚度，使方程式（2-2-15）的條件滿足。騅憑鈳銘僥張礫陣軫藹。下面給出等效電路中各個(gè)參量的計(jì)算公式。（1） 矩形波導(dǎo)和圓波導(dǎo)的等效阻抗。矩形波導(dǎo)的等效阻抗 癘騏鏨農(nóng)剎貯獄顥幗騮。圓波導(dǎo)的等效阻抗 鏃鋝過(guò)潤(rùn)啟婭澗駱讕瀘。式中： 為自由空間的磁導(dǎo)率； 為自由空間的介電常數(shù)； 為自由空間波長(zhǎng)； 為圓波導(dǎo)截止波長(zhǎng)； 為矩形波導(dǎo)截止波長(zhǎng)； 為矩形波導(dǎo)寬邊和窄邊的尺寸。（2） 介質(zhì)片進(jìn)入的容性電納。 榿貳軻謄壟該檻鯔塏賽。 式中： 為窗片厚度； 為角頻率， ； 為光速； 為圓波導(dǎo)波長(zhǎng)。 從式（2-2-18）求出 是對(duì)圓波導(dǎo)特性導(dǎo)納歸一化的值。（3） 矩形波導(dǎo)與圓波導(dǎo)連接時(shí)不連續(xù)處所引入的電納。將矩形波導(dǎo)與圓波導(dǎo)相連的情況等效為兩矩形波導(dǎo)僅在 平面內(nèi)截面變化的情況，因?yàn)閳A波導(dǎo)的直徑選為等于矩形波導(dǎo)的對(duì)角線，由于波導(dǎo)由方變圓而造成的寬邊尺寸變化所引入的感性電抗遠(yuǎn)比窄邊尺寸變化引入的容性電抗小，故突變點(diǎn)電抗部分是容性的，歸一化電納 為邁蔦賺陘賓唄擷鷦訟湊。 嶁硤貪塒廩袞憫倉(cāng)華糲。式中： ； ； 為矩形波導(dǎo)窄邊尺寸； 為圓波導(dǎo)直徑； 為矩形波導(dǎo)的波導(dǎo)波長(zhǎng)； 為矩形波導(dǎo)傳播常數(shù)， 。連接處復(fù)數(shù)導(dǎo)納的電導(dǎo)部分為 該櫟諼碼戇沖巋鳧薩錠。實(shí)際上，此種連接的作用相當(dāng)于阻抗變換，其變換比恰等于特性阻抗之比。輸出窗的設(shè)計(jì)一般是有頻帶要求的。在算出圓波導(dǎo)長(zhǎng)度 以后，可以核算頻寬。由公式（2-2-8）可得出反射系數(shù) 劇妝諢貰攖蘋(píng)塒呂侖廟。 臠龍訛驄椏業(yè)變墊羅蘄。駐波比為 鰻順褸悅漚縫囅屜鴨騫。由此可計(jì)算得出不同頻率下窗的駐波比，用以上計(jì)算公式求出輸出長(zhǎng)的尺寸后，還需加工實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，進(jìn)行冷測(cè)，有實(shí)驗(yàn)方法對(duì)計(jì)算尺寸進(jìn)行修正以獲得最佳效果。穡釓虛綹滟鰻絲懷紓濼。2.3高頻厚窗結(jié)構(gòu)分析 對(duì)于高工作頻率，采用傳統(tǒng)的盒型輸出窗，為了獲得匹配，窗片厚度將變的很薄，影響窗片與盒框的封接，采用窗片厚度為 填充介質(zhì)的波導(dǎo)波長(zhǎng)的厚窗結(jié)構(gòu)可以解決這方面的問(wèn)題。此外，采用厚窗結(jié)構(gòu)，對(duì)于某些強(qiáng)度較低，但導(dǎo)熱性能好的陶瓷材料 ，可以在提高功率容量的同時(shí)，增加其強(qiáng)度。隸誆熒鑒獫綱鴣攣駘賽。在該結(jié)構(gòu)中，可以將窗片看作一段傳輸線，考慮對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，公式（2-2-2）可變?yōu)?浹繢膩叢著駕驃構(gòu)碭湊。式中： ， ， 。傳輸線矩陣其他的個(gè)元素分別為 鈀燭罰櫝箋礱颼畢韞糲。 愜執(zhí)緝蘿紳頎陽(yáng)灣熗鍵。 貞廈給鏌綞牽鎮(zhèn)獵鎦龐。對(duì)于中心頻率，當(dāng) 時(shí)，式（2-3-1）變?yōu)?嚌鯖級(jí)廚脹鑲銦礦毀蘄。由上式求得傳輸矩陣各元素為 薊鑌豎牘熒浹醬籬鈴騫。 齡踐硯語(yǔ)蝸鑄轉(zhuǎn)絹攤濼。 紳藪瘡顴訝標(biāo)販繯轅賽。類(lèi)似于薄窗結(jié)構(gòu)，由無(wú)反射條件求得圓波導(dǎo)段的長(zhǎng)度 ，即 飪籮獰屬諾釙誣苧徑凜。式中： 。2.4盒型輸出窗的設(shè)計(jì)步驟根據(jù)以上理論，將盒型輸出窗的設(shè)計(jì)步驟總結(jié)如下（1）根據(jù)選定的矩形波導(dǎo)尺寸 ，確定圓波導(dǎo)的直徑 。一般常規(guī)輸出窗選擇圓波導(dǎo)的直徑等于矩形波導(dǎo)對(duì)角線的長(zhǎng)度，即烴斃潛籬賢擔(dān)視蠶賁粵。 鋝豈濤軌躍輪蒔講嫗鍵。也可根據(jù)特殊要求經(jīng)行合適的調(diào)節(jié)。（2）選擇窗片的材料與厚度。對(duì)于高平均功率和高頻率的輸出窗，為了提高熱容量，采用導(dǎo)熱性能好的材料。從匹配的角度來(lái)說(shuō)，窗片的厚度應(yīng)選擇小一些，考慮窗片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和封接強(qiáng)度，根據(jù)窗片的直徑，應(yīng)選擇一定厚度的窗片。通常，可選擇L波段的窗片厚度為 ，S波段的窗片厚度為 ，C波段窗片厚度為 ，對(duì)于X波段和更短波長(zhǎng)的輸出窗應(yīng)采用厚窗結(jié)構(gòu)。擷偽氫鱧轍冪聹諛詼龐。（3）根據(jù)式（2-2-18）和式（2-2-19）求得介質(zhì)窗片引入的等效電容 以及矩形波導(dǎo)與圓波導(dǎo)連接處引入的電納 。蹤飯夢(mèng)摻釣貞綾賁發(fā)蘄。（4）將以上參數(shù)帶入式（2-2-15），判斷式（2-2-14）是否有解，再根據(jù)式（2-2-10）求得圓波導(dǎo)的長(zhǎng)度 。如果式（2-2-14）不成立，應(yīng)重新選擇圓波導(dǎo)的直徑和窗片的厚度。婭鑠機(jī)職銦夾簣軒蝕騫。（5）采用式（2-2-1）式（2-2-8）求得輸出窗的駐波比頻率特性，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)圓波導(dǎo)的長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化。在采用三維電磁仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行核算和再仿真。譽(yù)諶摻鉺錠試監(jiān)鄺儕瀉。2.5常規(guī)輸出窗基本參數(shù)的計(jì)算 常規(guī)對(duì)稱(chēng)盒型輸出窗的參數(shù)有：1、矩形波導(dǎo)尺寸； 2、窗片厚度 ，直徑； 3、圓波導(dǎo)直徑D，厚度。由于常規(guī)輸出窗結(jié)構(gòu)較為固定，參考 2.4節(jié)計(jì)算公式分析可得，其設(shè)計(jì)重點(diǎn)主要為圓波導(dǎo)長(zhǎng)度與窗片厚度的確定。儔聹執(zhí)償閏號(hào)燴鈿膽賾。3.1.1.1矩形波導(dǎo)尺寸 矩形波導(dǎo)寬邊窄邊長(zhǎng)度為給定值，不加討論的定位。矩形波導(dǎo)長(zhǎng)度，理論上越長(zhǎng)越接近實(shí)際，但用CST進(jìn)行結(jié)果仿真時(shí)，過(guò)長(zhǎng)的話計(jì)算量過(guò)大，影響計(jì)算時(shí)間。兼顧兩方面因素將其定為。 縝電悵淺靚蠐淺錒鵬凜。3.1.1.2窗片尺寸工作頻段為，頻率過(guò)高，采用傳統(tǒng)的盒型輸出窗，為了獲得匹配，窗片厚度將變得很薄，影響窗片與盒框的封裝，由2.3分析得采用窗片厚度 填充介質(zhì)的波導(dǎo)波長(zhǎng)的厚窗結(jié)構(gòu)可以解決這方面的問(wèn)題。驥擯幟褸饜兗椏長(zhǎng)絳粵。取中心頻率，真空中的波長(zhǎng)為 癱噴導(dǎo)閽騁艷搗靨驄鍵。窗片中的波長(zhǎng)為 鑣鴿奪圓鯢齙慫餞離龐。所以窗片厚度為 欖閾團(tuán)皺鵬緦壽驏頦蘊(yùn)。常規(guī)模型窗片直徑等于圓波導(dǎo)直徑。3.1.1.3圓波導(dǎo)尺寸常規(guī)模型窗片直徑等于矩形波導(dǎo)對(duì)角線長(zhǎng)度即 遜輸吳貝義鰈國(guó)鳩猶騸。本模型的重點(diǎn)是求圓波導(dǎo)的長(zhǎng)度。找到合適的圓波導(dǎo)長(zhǎng)度，使得盒型窗等效電路傳輸矩陣 中 ,即使盒型窗工作在匹配狀態(tài)，得到最好的透射效果。幘覘匱駭儺紅鹵齡鐮瀉。由厚窗結(jié)構(gòu)傳輸計(jì)算公式（2-3-3）、式（2-3-4）可求得、 。計(jì)算其值可用Matlab編程，以 為自變量， 為因變量畫(huà)圖，其橫軸零點(diǎn)即為所要求的 。Matlab程序見(jiàn)附錄一，如圖2-2即為所畫(huà)求解圖。誦終決懷區(qū)馱倆側(cè)澩賾。 圖2-2 全圖 由圖2-2可以看出 的值相對(duì)于 顯周期性變化，且零點(diǎn)效果理論上相同，為得到較為準(zhǔn)確的值，所以取第一個(gè)周期，如下圖2-3所示。醫(yī)滌侶綃噲睞齒辦銩凜。 圖2-3 第一周期由圖3-3可得取零點(diǎn)時(shí) 的取值為，所以將 的值初步定位，再用CST進(jìn)行優(yōu)化，確定最終模型。由以上分析的具體參數(shù)：矩形波導(dǎo)長(zhǎng)寬高為 ； 窗片直徑等于圓波導(dǎo)直徑 ； 窗片厚度 ； 圓波導(dǎo)長(zhǎng)度 經(jīng)行仿真優(yōu)化。第3章 盒型輸出窗的模擬計(jì)算與分析第3章 盒型輸出窗的模擬計(jì)算與分析本文討論 波段常規(guī)盒型輸出窗與非常規(guī)輸出窗的特性，運(yùn)用Matlab、CST三維電磁仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化，主要分析S21參數(shù)，以求得在所給頻段內(nèi)有較寬的帶寬。艫當(dāng)為遙頭韙鰭噦暈糞。藍(lán)寶石 是一種高密度的介質(zhì)材料，在毫米波段且具有低損耗特點(diǎn)。選用藍(lán)寶石作為窗片，對(duì)展帶寬和降低損耗具有積極的作用。本文采用藍(lán)寶石作為輸出窗窗片。鴣湊鸛齏嶇燭罵獎(jiǎng)選鋸。具體參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)：矩形波導(dǎo)尺寸為 ； 頻帶為； 中心頻率為 ； 藍(lán)寶石相對(duì)介電常數(shù)為 ； 通帶要求： ， ： 。3.1常規(guī)盒型輸出窗的設(shè)計(jì)常規(guī)輸出窗由于具有對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，帶寬較寬等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。其設(shè)計(jì)方法也較為成熟。其基本示意如圖3-1所示。筧驪鴨櫨懷鏇頤嶸悅廢。良導(dǎo)體背景矩形波導(dǎo)窗片圓波導(dǎo) 圖3-1 盒型輸出窗示意圖其設(shè)計(jì)的基本方法為參照1章常規(guī)盒型輸出窗公式，運(yùn)用Matlab編程計(jì)算出設(shè)計(jì)所需參數(shù)后，運(yùn)用CST三維電磁仿真軟件，進(jìn)行模擬仿真，針對(duì)透射系數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，得到最佳模型。韋鋯鯖榮擬滄閡懸贖蘊(yùn)。具體參數(shù)如2.5節(jié)所求：矩形波導(dǎo)長(zhǎng)寬高為 ； 窗片直徑等于圓波導(dǎo)直徑 ； 窗片厚度 ； 圓波導(dǎo)長(zhǎng)度 經(jīng)行仿真優(yōu)化。3.1.1 CST模型優(yōu)化 由于常規(guī)盒型窗結(jié)構(gòu)較為固定，由以上分析可知需要優(yōu)化的參數(shù)僅為圓波導(dǎo)長(zhǎng)度 。參考以上結(jié)果進(jìn)行仿真優(yōu)化。先將 由 以 為步長(zhǎng)變化，用CST經(jīng)行優(yōu)化，主要觀測(cè)透射系數(shù) ，其結(jié)果如圖3-2所示。 圖3-2 步長(zhǎng)優(yōu)化由上圖3-2可見(jiàn)在到間在中心頻率處可能會(huì)出現(xiàn)最好透射系數(shù)。所以在之間以步長(zhǎng)為步長(zhǎng)，進(jìn)行優(yōu)化。計(jì)算結(jié)果如圖3-3所示。濤貶騸錟晉鎩錈撳憲騸。 圖3-3 步長(zhǎng)優(yōu)化由上圖3-3可得在處在中心頻率時(shí)透射系數(shù)基本為1，且峰值位于中心頻率處，為最好情況。所以取圓波導(dǎo)長(zhǎng)度為。常規(guī)盒型窗模型參數(shù)全部確定。鈿蘇饌?cè)A檻榪鐵樣說(shuō)瀉。3.1.2 結(jié)果分析討論本文主要討論盒型輸出窗的在所在頻段的帶寬，本文采用帶寬加以討論。如圖3-4所示為上述確定模型的波特圖。戧礱風(fēng)熗澆鄖適濘嚀贗。 圖3-4常規(guī)盒型窗最終模型 為求出帶寬將上圖放大，只取范圍，如圖3-5所示，即為單寬范圍。觀察此圖可知在頻率范圍范圍內(nèi)，滿足透射系數(shù)要求。帶寬為約為，為。很好的滿足了設(shè)計(jì)要求。購(gòu)櫛頁(yè)詩(shī)燦戶踐瀾襯鳳。所以求討論，本常規(guī)盒型輸出窗模型，確實(shí)可行。具體參數(shù)：矩形波導(dǎo)長(zhǎng)寬高為 ； 窗片直徑等于圓波導(dǎo)直徑為 ； 窗片厚度 ； 圓波導(dǎo)長(zhǎng)度。 圖3-5 常規(guī)盒型輸出窗帶寬示意圖（ ）3.2非常規(guī)盒型輸出窗設(shè)計(jì)的模型分析。3.2.1非常規(guī)輸出窗理論分析由以上分析可得常規(guī)輸出窗具有很好的透射特性，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但現(xiàn)實(shí)情況下，尤其對(duì)于高頻情況，由于窗片直徑過(guò)小，工藝實(shí)際等條件的限制，使其不符合實(shí)際工程的需要。要求對(duì)常規(guī)輸出窗結(jié)構(gòu)加以改變，以滿足要求。本文討論的非常規(guī)輸出窗為窗片直徑不等于圓波導(dǎo)直徑的情況。其結(jié)構(gòu)如圖3-6所示。囁奐闃頜璦躑谫瓚獸糞。良導(dǎo)體背景矩形波導(dǎo)圓波導(dǎo)窗片 圖3-6非常規(guī)盒型輸出窗示意圖 頻帶要求范圍為，由于頻率過(guò)高，仍然采用后窗結(jié)構(gòu)，窗片厚度保持不變。因而通過(guò)改變圓波導(dǎo)直徑、圓波導(dǎo)長(zhǎng)度、窗片直徑這三個(gè)量來(lái)得到較好的透射特性。由于窗片直徑不等于圓波導(dǎo)直徑，圓波導(dǎo)直徑也不等于矩形波導(dǎo)對(duì)角線，相比常規(guī)輸出窗，優(yōu)化過(guò)程更加復(fù)雜。虛齬鐮寵確嶁誄禱艫鋸。由上得非常規(guī)輸出窗已知參量：兩端矩形波導(dǎo)長(zhǎng)寬高 ；窗片厚度：。未知參量為：窗片直徑；圓波導(dǎo)直徑；圓波導(dǎo)長(zhǎng)度。本節(jié)為說(shuō)明此種結(jié)構(gòu)可行，并且使仿真優(yōu)化過(guò)程簡(jiǎn)單迅速，給定窗片直徑為。參考常規(guī)輸出窗的設(shè)計(jì)過(guò)程與分析結(jié)果。我們可以大膽猜想，如圖3-5所示圓波導(dǎo)的長(zhǎng)度主要影響窗函數(shù)的中心頻率，而圓波導(dǎo)的直徑則主要影響窗函數(shù)的波形。優(yōu)化過(guò)程可以先確定窗函數(shù)波形，后調(diào)節(jié)中心頻率，使優(yōu)化過(guò)程盡量簡(jiǎn)潔。所以非常規(guī)輸出窗的設(shè)計(jì)步驟如下所示。與頂鍔筍類(lèi)謾蠑紀(jì)黽廢。具體優(yōu)化步驟為：1、將窗片直徑設(shè)為經(jīng)行仿真設(shè)計(jì)。為給定條件。2、暫將圓波導(dǎo)長(zhǎng)度定位，改變圓波導(dǎo)直徑進(jìn)行CST優(yōu)化。3、得到滿意的窗函數(shù)波形后，再改變圓波導(dǎo)長(zhǎng)度，使在要求頻段得到較好的帶寬。4、對(duì)得到模型經(jīng)行微調(diào)，確定最終模型。即本節(jié)只討論這種模型的可行性，主要仿真優(yōu)化圓波導(dǎo)的長(zhǎng)度與直徑。從而由此指導(dǎo)實(shí)際工程這種非常規(guī)輸出窗的設(shè)計(jì)。結(jié)釋鏈蹌絞塒繭綻綹蘊(yùn)。需要指出非常規(guī)輸出窗，并非其上一種模型。并且窗片直徑也并非固定，但在改變窗片直徑時(shí)，為得到較好的帶寬，圓波導(dǎo)的直徑和長(zhǎng)度也要隨之加以改變。餑詘鉈鯔縹評(píng)繒肅鮮驃。3.2.1圓波導(dǎo)直徑的優(yōu)化由以上分析得，窗片尺寸已定。為精確與便于CST仿真起見(jiàn)，用圓波導(dǎo)半徑經(jīng)行優(yōu)化對(duì)應(yīng)常規(guī)輸出窗設(shè)計(jì)，也可先將圓波導(dǎo)半徑從以步長(zhǎng)進(jìn)行變化。其結(jié)果如圖3-7、圖3-8所示。爺纜鉅摯騰廁綁藎箋潑。 圖3-7圓波導(dǎo)半徑優(yōu)化（ ）圖3-8 圓波導(dǎo)半徑優(yōu)化（ ）由圖3-7、圖3-8 可見(jiàn)。在圖3-7中波形很不穩(wěn)定，經(jīng)常發(fā)生跳變，而圖3-8中波形較為穩(wěn)定。圖3-8結(jié)果明顯優(yōu)于圖3-7結(jié)果。錁熾邐繒薩蝦竇補(bǔ)飆贗。在圖3-8中時(shí)帶寬較寬，波形也比較平坦，但在中心頻率處出現(xiàn)波谷，是我們不愿看到的。時(shí)雖波形平坦，且沒(méi)有較大跳變，但衰減明顯大于，并且其半徑等度窗片半徑，不符合設(shè)計(jì)要求。，雖在波段也有跳變，但繞開(kāi)了中心頻率。我們可以通過(guò)改變圓波導(dǎo)長(zhǎng)度使其跳變遠(yuǎn)離中心頻率。且在整個(gè)波段衰減較小。綜合兩方面考慮，選擇作為圓波導(dǎo)半徑。曠戧輔鑽襉倆瘋謅琿鳳。在這里討論下為何波形在某些頻率會(huì)出現(xiàn)跳變。由于盒型輸出窗結(jié)構(gòu)的限制，使得輸出窗在某些頻率處出現(xiàn)諧振，從而導(dǎo)致在頻率處反射系數(shù)非常大。但其諧振特性很不穩(wěn)定，頻率稍加變化就停止。從而出現(xiàn)有峰值出現(xiàn)的波形。但這種情況是我們說(shuō)不愿看到的，我們可以通過(guò)改變圓波導(dǎo)的直徑與長(zhǎng)度，使其諧振頻率繞開(kāi)要求所在頻段。從而得到較為平坦的波形，滿足設(shè)計(jì)所需。轉(zhuǎn)厙蹺僉詘腳瀕諮閥糞。3.2.2圓波導(dǎo)長(zhǎng)度的優(yōu)化 由以上分析可得，整個(gè)輸出窗參數(shù)，除圓波導(dǎo)長(zhǎng)度未定外，其余參數(shù)全部確定。參照常規(guī)輸出窗圓波導(dǎo)優(yōu)化方法。將圓波導(dǎo)半徑定為，圓波導(dǎo)長(zhǎng)度在范圍內(nèi)以步長(zhǎng)進(jìn)行優(yōu)化。其結(jié)果如圖3-9所示。嬤鯀賊灃謁麩溝賚淶鋸。圖3-9 圓波導(dǎo)長(zhǎng)度優(yōu)化（，步長(zhǎng)）可以很明顯的發(fā)現(xiàn)，在時(shí)波形最為平坦，且?guī)捿^寬。但缺點(diǎn)在于波形中點(diǎn)不在中心頻率處。此時(shí)可以對(duì)進(jìn)行微調(diào)，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。訊鎬謾蟈賀綜樞輒鎖廩。為使效果進(jìn)一步優(yōu)化，分別將在和進(jìn)行步長(zhǎng)為的優(yōu)化。其效果如圖3-10、圖3-11所示。 圖3-10 圓波導(dǎo)長(zhǎng)度優(yōu)化（，步長(zhǎng)） 圖3-11 圓波導(dǎo)長(zhǎng)度優(yōu)化（，步長(zhǎng)） 由上圖可得在區(qū)間內(nèi)隨著 的增加。窗函數(shù)中心頻率逐漸向低頻移動(dòng)。但在時(shí)波型在低頻出波動(dòng)較大，性質(zhì)不穩(wěn)定?？傻贸鲈?時(shí)波形穩(wěn)定，且窗函數(shù)中心頻率最接近波段中心頻率。綜上所述選取作為圓波導(dǎo)長(zhǎng)度。兒躉讀閌軒鯀擬釔標(biāo)藪。3.2.3結(jié)構(gòu)微調(diào)驗(yàn)證 由以上分析可得出非常規(guī)輸出窗基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，得出主要優(yōu)化參數(shù)圓波導(dǎo)半徑，長(zhǎng)度。我們是先優(yōu)化半徑后確定長(zhǎng)度。為證明此結(jié)構(gòu)確實(shí)為最好結(jié)果，現(xiàn)在反過(guò)來(lái)，將長(zhǎng)度定位，微調(diào)圓波導(dǎo)半徑，在 范圍內(nèi)以步長(zhǎng) 最微調(diào)驗(yàn)證，其結(jié)果如圖3-12所示?？壧A詞嗇適籃異銅鑑驃。 圖3-12 圓波導(dǎo)結(jié)構(gòu)微調(diào)（，步長(zhǎng)） 由上圖可以很明顯的看出，在 為最佳情況。除此之外，要么波形很不穩(wěn)定，出現(xiàn)跳變明顯；要么帶寬過(guò)小，不滿足設(shè)計(jì)要求。鮒簡(jiǎn)觸癘鈄餒嬋鏘戶潑。通過(guò)以上反復(fù)驗(yàn)證與優(yōu)化，最終確定這種非常規(guī)輸出窗的最終結(jié)構(gòu)。即為：具體參數(shù)：矩形波導(dǎo)長(zhǎng)寬高為 ； 窗片直徑 ； 窗片厚度 ； 圓波導(dǎo)長(zhǎng)度； 圓波導(dǎo)直徑。3.2.4結(jié)果分析討論 這種窗片直徑不等于圓波導(dǎo)直徑、圓波導(dǎo)直徑不等于矩形波導(dǎo)對(duì)角線長(zhǎng)度的非常規(guī)輸出窗，經(jīng)CST仿真優(yōu)化，確定參數(shù)，得到最好的輸出效果，為說(shuō)明確實(shí)可行。下面來(lái)驗(yàn)證以上確定模型的帶寬是否滿足設(shè)計(jì)要求。透射系數(shù)如圖3-13、圖3-14所示。瞇毆蠐謝銀癩嘮閣蹺贗。圖3-13 最終模型透射系數(shù)S21圖3-14 最終模型透射系數(shù) 可以很清楚的觀察到在 頻段，所確定的結(jié)構(gòu)波形與常規(guī)模型模型非常相似。在中心頻率處透射系數(shù)很平坦。為確定帶寬將圖3-16放大取 部分，得圖3-15。閔屢螢馳鑷雋劍頌崗鳳。圖3-15 最終模型透射系數(shù) 觀察上圖可得在頻段 時(shí)滿足技術(shù)指標(biāo)。其，很好的滿足設(shè)計(jì)要求。綜上所述，這種非常規(guī)輸出窗模型確定，且透射系數(shù)完全滿足所要求技術(shù)指標(biāo)。證明了其確實(shí)可行。3.3半徑 藍(lán)寶石窗片非常規(guī)盒型輸出窗設(shè)計(jì)3.3.1盒型窗的窗片分析輸出窗是在一段波導(dǎo)管中焊接絕緣介質(zhì)片 ，兩端焊接連接波導(dǎo)法蘭或者直接與其他部分焊接在一起而構(gòu)成部件的一部分。如速調(diào)管的輸出窗，駐波加速管的輸出窗等。它的作用是然電磁波無(wú)反射地通過(guò)它傳輸，僅有很小的插入損耗，并把超高真空與充氣狀態(tài)和大氣隔離開(kāi)來(lái)。在高頻率、高功率并要求緊密封裝要求下，常規(guī)的盒型輸出窗已經(jīng)不能滿足工程要求。所以為進(jìn)一步提高盒型輸出窗的工作效率，設(shè)計(jì)出非常規(guī)的盒型窗，以滿足要求并將其應(yīng)用到工程實(shí)際。檁傷葦開(kāi)閾燈傘饉諧糧。以上分析僅證明了這種非常規(guī)盒型輸出窗的可行性。由于3.2中所用窗片半徑為，與實(shí)際工程要求窗片半徑相比還是過(guò)小。本節(jié)我們將具體分析并設(shè)計(jì)半徑為3mm的藍(lán)寶石窗片非常規(guī)盒型輸出窗。 鄭餼腸絆頎鎦鷓鮞嚶錳。介質(zhì)窗片是輸出窗的重要組成部分。介質(zhì)材料的好壞、窗片的大小、焊接工藝等直接影響輸出窗的工作性能和使用壽命。一般情況下窗片是直接焊接在無(wú)氧銅等金屬波導(dǎo)上。它的引入會(huì)帶來(lái)如下問(wèn)題：棄鈾縫遷馀氣鰷鸞覲廩。1、波導(dǎo)的不均勻使電磁波發(fā)生散射，限制了輸出窗的功率容限和帶寬。2、在高頻場(chǎng)的直接照射下，介質(zhì)片會(huì)因高頻損耗而產(chǎn)生大量熱量。窗片的冷卻是輸出窗的重大問(wèn)題。3、由于介質(zhì)材料的抗電強(qiáng)度不高，容易發(fā)生電介質(zhì)擊穿而損壞輸出窗。4、場(chǎng)的不均勻性導(dǎo)致熱效應(yīng)的不均勻。使介質(zhì)窗片上產(chǎn)生溫度梯度。當(dāng)它超過(guò)一定的限度時(shí)，產(chǎn)生的熱應(yīng)力會(huì)使窗片破裂，調(diào)誶續(xù)鷚髏鋮饅喪劉藪。5、電子直接打在窗片上產(chǎn)生的二次電子發(fā)射，有時(shí)甚至形成電子倍增效應(yīng)。造成窗片的溫度局部增高而破損。介質(zhì)材料在高頻場(chǎng)中，一般有傳導(dǎo)損耗和容性損耗。對(duì)于電容率較小的介質(zhì)材料可以忽略介質(zhì)內(nèi)載流子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的傳導(dǎo)損耗。在窗片與波導(dǎo)焊接處歐姆電阻較大的情況下會(huì)產(chǎn)生較大的傳導(dǎo)損耗。但這可以通過(guò)采用合理的焊接工藝來(lái)消除。容性損耗是有介質(zhì)的離子、分子與微波共振產(chǎn)生。輸出窗介質(zhì)窗片中產(chǎn)生的平均容性損耗功率密度為：厲聳紐楊鱔晉頇兗蓽驃。 苧璦籮藶黃邏閂巹東澤。式中為角頻率、是介質(zhì)復(fù)介電常數(shù)的虛部、是損耗角正切、 為介質(zhì)窗片內(nèi)的總電場(chǎng)、包括行波場(chǎng)和駐波場(chǎng)。由式（3-3-1）可以看出，介質(zhì)材料容性損耗的功率直接與介質(zhì)介電常數(shù)的虛部或損耗角正切成正比。輸出窗材料的選取主要賴于以下幾個(gè)方面：1、 有較高的介質(zhì)抗電強(qiáng)度；2、 介電常數(shù) 和損耗角正切盡可能?。?、 熱傳導(dǎo)系數(shù)和機(jī)械強(qiáng)度盡可能高；4、 較小的二次電子發(fā)射系數(shù)；5、 適當(dāng)?shù)呐蛎浵禂?shù)和工藝可靠性；6、 易于金屬化的能力；7、 無(wú)毒性?？偟膩?lái)說(shuō)，輸出窗的介質(zhì)材料要求苛刻。要完全符合輸出窗用介質(zhì)材料的上述要求是十分困難的。現(xiàn)在使用的介質(zhì)材料最常見(jiàn)的有純度為和的陶瓷，其機(jī)械性能好、耐高溫、易加工、氣密性好、損耗小，但導(dǎo)熱性不太好，介電常數(shù)偏大。氧化鈹陶瓷有很好的熱傳導(dǎo)性能和很小的介電常數(shù)、損耗小，但氧化鈹粉末的毒性給加工制作造成了困難。氧化硼導(dǎo)熱性能好，但其硬度高，不易加工，且價(jià)格昂貴。陶瓷介電常數(shù)偏大，無(wú)法匹配。氧化鎂、陶瓷抗張強(qiáng)度低；溫度升高，損耗增大太快。熔凝石英有很小的介質(zhì)損耗、介電常數(shù)小，但介電強(qiáng)度和熱膨脹系數(shù)都很小，并且在高溫下會(huì)變軟。藍(lán)寶石（單晶）介質(zhì)損耗很小，機(jī)械強(qiáng)度高，可以加工成厚的高精度氣密薄片，密度大，無(wú)空隙和晶界玻璃物質(zhì)，顯微結(jié)構(gòu)均勻致密，因此在高功率電平下不易產(chǎn)生熔融擊穿，使用溫度高，可以承受焊接與真空排氣時(shí)的高溫。與陶瓷比較起來(lái)，藍(lán)寶石損耗小，熱傳導(dǎo)性能有所提高，適合高功率微波管的輸出窗片。鴿攝禱鋅儀憚銼嚕緡贊。綜上本設(shè)計(jì)采用藍(lán)寶石作為輸出窗窗片 有上分析可見(jiàn)，由于采用藍(lán)寶石作為窗片，且窗片直徑遠(yuǎn)大于矩形波導(dǎo)，使盒型輸出窗的結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，從而等效電路也發(fā)生變化。但3.2節(jié)通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法證明了此種非常規(guī)盒型輸出窗的可行性。下面將參考3.2節(jié)設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)窗片半徑為的盒型輸出窗。簞嗇癲剴凈趕鉤嬙鱷鳧。3.3.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化由于此結(jié)構(gòu)窗片尺寸加大，采用CST經(jīng)行優(yōu)化仿真速度非常緩慢。只好采用最為稀疏的網(wǎng)格進(jìn)行分析，以提高速度。但由于網(wǎng)格較少，必然會(huì)影響計(jì)算精度，在以后的分析中出現(xiàn)波形的波紋，沒(méi)有以上兩節(jié)所見(jiàn)最優(yōu)結(jié)構(gòu)波形平滑，也在所難免。頑鷙瑪濱廈峴轆庫(kù)糞糧。與3.2節(jié)相同，此結(jié)構(gòu)主要分析參數(shù)也為圓波導(dǎo)直徑與長(zhǎng)度。其他參數(shù)除窗片直徑外加以套用，由此可得：已知參量為:兩端矩形波導(dǎo)長(zhǎng)寬高 ；窗片厚度：；窗片半徑：。未知參量為：圓波導(dǎo)直徑；圓波導(dǎo)長(zhǎng)度。下面開(kāi)始具體分析。3.3.2.1原模型套用 由3.2節(jié)得到的非常規(guī)盒型輸出窗模型與本模型基本相同，差異點(diǎn)僅為窗片半徑，并且優(yōu)化得到了圓波導(dǎo)的尺寸很好的滿足了設(shè)計(jì)要求。所以大膽套用所求得的圓波導(dǎo)尺寸圓波導(dǎo)長(zhǎng)度；圓波導(dǎo)直徑。并用CST建模得到透射系數(shù)S21在要求頻段波形如圖3-16所示。漬閫熾訣團(tuán)諳賡戰(zhàn)餛錳。表3-16 套用模型S21線性波形可以很明顯的看到圖3-16中，在時(shí)波形還較為平滑，衰減也較小。但在中心頻率處由于衰減過(guò)大，高頻時(shí)波形顯得雜亂無(wú)章。因此完全不符合設(shè)計(jì)要求，為說(shuō)明這種情況將S21裝換為如圖3-17所示，波形將更為明顯。鐸輜澠頂嫻塊謂斕痹廩。因此由于窗片半徑的變化，僅僅加以套用3.2節(jié)結(jié)論，完全不能解決問(wèn)題。所以可知隨著窗片尺寸的變化，圓波導(dǎo)尺寸也應(yīng)相應(yīng)加以改變以滿足設(shè)計(jì)要求。搶觀淚婭師謳論櫚陣蘚。圖3-17 套用模型S21波形3.3.2.2優(yōu)化過(guò)程 由于本模型網(wǎng)格過(guò)多，用CST采用常用的逐漸改變某一參數(shù)數(shù)值，經(jīng)行優(yōu)化，計(jì)算速度將非常緩慢，優(yōu)化過(guò)程將更加緩慢。因此本節(jié)采用同時(shí)改變圓波導(dǎo)的長(zhǎng)度與半徑兩個(gè)變量，取出這兩變量的一些組合，觀察其趨勢(shì)。在得到較好效果后再進(jìn)一步優(yōu)化。從而節(jié)約優(yōu)化時(shí)間。賊組櫻種愨單蝕渾潷騾。經(jīng)反復(fù)計(jì)算僅挑出以下具有階段性效果的圖進(jìn)行說(shuō)明。下圖3-18為圓波導(dǎo)長(zhǎng)度；圓波導(dǎo)半徑的透視系數(shù)線性波形。圖3-18 階段1，S21波形由上圖可見(jiàn)雖然波動(dòng)較大，波形波谷分為不同的區(qū)間，且在中心頻率處衰減過(guò)大，但可以發(fā)現(xiàn)其波形在某些波段波形還是比較平滑，且透射效果也比較好。如圖3-19將其S21用波特圖表示效果更佳明顯。圓漣檸賡搗蕷艫燁錘澤。圖3-19 階段1，S21 波形因此可以進(jìn)一步在其基礎(chǔ)上對(duì)圓波導(dǎo)參數(shù)加以微調(diào)，將透射效果較好的波段帶寬變寬，并移動(dòng)其中心頻率。使其滿足設(shè)計(jì)要求。蟄彎擼鯁棖佇緡癟槧贊。下圖3-20為圓波導(dǎo)長(zhǎng)度；圓波導(dǎo)半徑的透視系數(shù)線性波形。圖3-20 階段2，S21波形可見(jiàn)上圖較好段波形雖更佳平滑，但衰減也比較大。需要進(jìn)一步優(yōu)化。同時(shí)可以看出其帶寬有展寬的趨勢(shì)。為便于觀察取其波特圖如圖3-21所示。義淨(jìng)擁捫毆脅紙窺鈑鳧。圖3-21 階段2，S21 波形通過(guò)上圖可以很明顯的看出，如果將在中心頻率處的波谷移除，則設(shè)計(jì)基本可以滿足要求。所以需進(jìn)一步優(yōu)化。綜合以上兩組數(shù)據(jù)再次設(shè)圓波導(dǎo)長(zhǎng)度；圓波導(dǎo)半徑的透視系數(shù)線性波形如圖3-22所示。綏驊懸縉澀鷂禍紳撻糧。圖3-22 階段3，S21 波形可以明顯看出最優(yōu)波段帶寬進(jìn)一步展開(kāi)，衰減也進(jìn)一步變小。但在中心頻率附近還是有波谷出現(xiàn)。求其波特圖如圖3-23所示。饅鎖開(kāi)鑰燜緒玨編軻錙。圖3-23 階段3，S21 波形優(yōu)化進(jìn)步效果非常明顯，可以猜想最優(yōu)效果就在其附近。由3.2節(jié)的猜想圓波導(dǎo)長(zhǎng)度主要影響波形的中心頻率，而圓波導(dǎo)的半徑則主要影響波形，影響其諧振的頻率值。下一步工作主要目的為移除中心頻率附近處波谷，所以可通過(guò)改變圓波導(dǎo)半徑加以實(shí)現(xiàn)。經(jīng)反復(fù)計(jì)算與猜想，將圓波導(dǎo)長(zhǎng)度定為；圓波導(dǎo)半徑定位。得到其透射系數(shù)如圖3-24所示。獄質(zhì)嶇僅痺鮚潰脫幀開(kāi)。圖3-24 階段4，S21 波形很明顯，波形更佳平滑平坦，在中心頻率處衰減也更小。為更明顯說(shuō)明效果取其波特圖如圖3-25所示。圖3-25 階段4，S21 波形由上圖對(duì)比圖3-4、圖3-24，可見(jiàn)上圖與3.1節(jié)與3.2節(jié)所求最優(yōu)模型波形非常相似。由此確定半徑3mm藍(lán)寶石窗片輸出窗最優(yōu)模型。需要指出以上結(jié)果是經(jīng)反復(fù)猜想比對(duì)所得，并非直接計(jì)算所得，本節(jié)設(shè)計(jì)主要方法為實(shí)驗(yàn)法