300GHZ輸出窗設(shè)計(jì)本科設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、 . 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57 / 6

2、2ABSTRACTMicrowave 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

3、 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 outputcharacteristics with various parameters in the irregular box type sapphire window is simulat

4、ed;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.Key Words: Box Type Window, Output

5、Window Of THz, Irregular Type Window.目錄第一章引言11.1 課題背景11.2 盒型輸出窗研究現(xiàn)狀21.3 研究輸出窗的目的和意義41.4 課題的容4第2章盒型輸出窗的理論分析62.1 引言62.2 常規(guī)盒型輸出窗等效電路理論分析62.3高頻厚窗結(jié)構(gòu)分析112.4盒型輸出窗的設(shè)計(jì)步驟132.5常規(guī)輸出窗基本參數(shù)的計(jì)算14第3章盒型輸出窗的模擬計(jì)算與分析173.1常規(guī)盒型輸出窗的設(shè)計(jì)173.1.1 CST模型優(yōu)化183.1.2 結(jié)果分析討論193.2非常規(guī)盒型輸出窗設(shè)計(jì)的模型分析。203.2.1非常規(guī)輸出窗理論分析203.2.1圓波導(dǎo)直徑的優(yōu)化223.2.2圓

6、波導(dǎo)長(zhǎng)度的優(yōu)化233.2.3結(jié)構(gòu)微調(diào)驗(yàn)證253.2.4結(jié)果分析討論263.3半徑藍(lán)寶石窗片非常規(guī)盒型輸出窗設(shè)計(jì)283.3.1盒型窗的窗片分析283.3.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化303.3.3結(jié)果分析討論37第4章結(jié)束語(yǔ)39參考文獻(xiàn)40致41附錄42附錄一：常規(guī)輸出窗圓波導(dǎo)長(zhǎng)度求解Matlab程序42外文資料原文43翻譯文稿50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

7、電真空器件具有高峰值功率，高平均功率以與較低成本等特點(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。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。微波電真空器件要能夠可靠運(yùn)行，就需要高真空的部環(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。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、瓷階梯窗和同軸窗。盒型窗是將一個(gè)圓盤介質(zhì)片密封在截面一樣的圓波導(dǎo)中，兩端

8、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。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。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

9、證微波電真空器件部的氣密性。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。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)圓盤形盒型輸出窗模型。它將一個(gè)圓盤形窗片密封在截面一樣的一段圓波導(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)度大小與單模工作的頻率圍選則確定，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

10、“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圍和頻段寬度。 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：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)稱窗，這時(shí)通常輸出窗兩端采用尺寸一樣的矩形波導(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)稱窗，這時(shí)輸出窗兩端的矩形波導(dǎo)尺寸也可能不一樣，一般情況下寬邊尺寸一樣，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

11、作頻率附近可以得到好的透射系數(shù)。2. 輸出窗窗片的幾何形狀和尺寸。輸出窗可以選擇為圓盤狀，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。3. 窗片材料的選用。窗片材料的介電常數(shù)和損耗系

12、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。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。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

13、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。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。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)該類微波輸出窗進(jìn)行進(jìn)一步研究和改進(jìn)，以

14、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。1.3 研究輸出窗的目的和意義國(guó)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)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)開(kāi)展輸出窗的研究工作是很有必要的。高功率微波研究在科技、工業(yè)與國(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)與制造能力的建設(shè)，非常重要。今年來(lái)，國(guó)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

15、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。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。1.4 課題的容藍(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，希望在頻段圍得到較寬的帶寬。表3-1是藍(lán)寶石的主要物理性質(zhì)。表3-1 藍(lán)寶石的物理性質(zhì)

16、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398040軸9.2753.50.000248000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。主要容包括以下3個(gè)方面：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。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。3

17、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。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與真空密閉和機(jī)械性能。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)稱的盒型窗進(jìn)行分析，即，并且。通

18、常從等效電路的角度分析這種常規(guī)盒型輸出窗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。 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)中間封接一片圓盤型窗片而構(gòu)成。整個(gè)傳輸線可以分為以下幾部分：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式中：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

19、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)稱的盒型窗。對(duì)于對(duì)稱型常規(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，即由公式（2-2-

20、9）可知，功率全部傳輸?shù)臈l件為，由公式（2-2-6）、（2-2-7），得式中：式（2-2-10）的解為由公式（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。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)的等效阻抗圓波導(dǎo)的等效阻抗式中：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。

21、 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

22、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)駐波比為由此可計(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。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)熱性能好的瓷材料，可以在提高功率容量的同時(shí)，增加其強(qiáng)度。在該結(jié)構(gòu)中，可以將窗片看作一段傳輸線，考慮對(duì)稱結(jié)構(gòu)，公式（2-2-2）可變?yōu)槭街校?，。傳輸線矩陣

23、其他的個(gè)元素分別為對(duì)于中心頻率，當(dāng)時(shí)，式（2-3-1）變?yōu)橛缮鲜角蟮脗鬏斁仃嚫髟貫轭愃朴诒〈敖Y(jié)構(gòu)，由無(wú)反射條件求得圓波導(dǎo)段的長(zhǎng)度，即式中：。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

24、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)。（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與矩形波導(dǎo)與圓波導(dǎo)連接處引入的電納。（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。（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。2.5常規(guī)輸出窗基本參數(shù)的計(jì)算常規(guī)對(duì)稱盒型輸出窗的參數(shù)有：1、矩形波導(dǎo)尺寸； 2、

25、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。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。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。取中心頻率，真空中的波長(zhǎng)為窗片中的波長(zhǎng)為所以窗片厚度為常規(guī)模型窗

26、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。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即為所畫求解圖。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)效果理論上一樣，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。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

27、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)，以求得在所給頻段有較寬的帶寬。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。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

28、的設(shè)計(jì)常規(guī)輸出窗由于具有對(duì)稱結(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。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。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

29、，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。 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。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。 圖3-4常規(guī)盒型窗最終模型為求出帶寬將上圖放大，只取圍，如圖3-5所示，即為單寬圍。觀察此圖可知在頻率圍圍，滿足透射系數(shù)要求

30、。帶寬為約為，為。很好的滿足了設(shè)計(jì)要求。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。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

31、示意圖 頻帶要求圍為，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。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

32、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。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)。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。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

33、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。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。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

34、擇作為圓波導(dǎo)半徑。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。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)度在圍以步長(zhǎng)進(jìn)行優(yōu)化。其結(jié)果如圖3-9所示。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)

35、，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。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。可得出在時(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。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，

36、現(xiàn)在反過(guò)來(lái)，將長(zhǎng)度定位，微調(diào)圓波導(dǎo)半徑，在圍以步長(zhǎng)最微調(diào)驗(yàn)證，其結(jié)果如圖3-12所示。 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。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

37、數(shù)如圖3-13、圖3-14所示。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。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，

38、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。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。 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

39、銅等金屬波導(dǎo)上。它的引入會(huì)帶來(lái)如下問(wèn)題：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，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)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

40、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：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??；3、 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。總的來(lái)說(shuō)，輸

41、出窗的介質(zhì)材料要求苛刻。要完全符合輸出窗用介質(zhì)材料的上述要十分困難的?，F(xiàn)在使用的介質(zhì)材料最常見(jiàn)的有純度為和的瓷，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。瓷介電常數(shù)偏大，無(wú)法匹配。氧化鎂、瓷抗強(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)

42、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。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。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

43、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。與3.2節(jié)一樣，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一樣，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。表3-16 套用模型S21線性波形可以很明顯的看到圖3-1

44、6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。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。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

45、優(yōu)化時(shí)間。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。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。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

46、。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。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。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。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，

47、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。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。3.3.2.3結(jié)構(gòu)證明 上述優(yōu)化過(guò)程，為經(jīng)多次假設(shè)仿

48、真所得，為證明其確實(shí)為最優(yōu)模型。在最優(yōu)結(jié)構(gòu)附近改變圓波導(dǎo)半徑，觀察其波形效果。由于圓波導(dǎo)長(zhǎng)度主要影響波形相位，便不加討論。取圓波導(dǎo)半徑，其透射系數(shù)波形如圖3-28所示。圖3-26 驗(yàn)證1 S21波形對(duì)比圖3-24，清楚發(fā)現(xiàn)在中心頻率附近波形跳變加劇，波形效果很不穩(wěn)定，其通帶特性不如原模型。取圓波導(dǎo)半徑，其透射系數(shù)波形如圖3-27所示。圖3-27 驗(yàn)證2 S21波形同樣對(duì)比圖3-24，圖3-26，可以發(fā)現(xiàn)圖3-27雖不像圖3-26那樣有較大的跳變，但波形也沒(méi)有圖3-24平滑。綜上所述，可以確定圓波導(dǎo)參數(shù)半徑取，長(zhǎng)度取為最優(yōu)模型。3.3.3結(jié)果分析討論 為說(shuō)明此種最優(yōu)模型確實(shí)可行，并滿足設(shè)計(jì)技術(shù)指

49、標(biāo)，將圖3-25最優(yōu)模型波特圖放大，取其部分并計(jì)算其帶寬，其結(jié)果如圖3-28所示。圖3-28 最終模型透射系數(shù)可以看出在頻段附近滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，且，很好的滿足要求。需指出正如前文所述，由于網(wǎng)格較少，必然會(huì)影響計(jì)算精度，在CST優(yōu)化仿真中出現(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?？梢酝ㄟ^(guò)增加網(wǎng)格加以進(jìn)一步優(yōu)化，但增加網(wǎng)格勢(shì)必會(huì)增加優(yōu)化時(shí)間，影響優(yōu)化工作進(jìn)度。是否經(jīng)濟(jì)并可行，需要就實(shí)際情況加以考量。綜上分析得出所在頻段半徑為藍(lán)寶石窗片非常規(guī)盒型輸出窗的最佳模型。具體參數(shù)如下：具體參數(shù)：矩形波導(dǎo)長(zhǎng)寬高為； 窗片半徑； 窗片厚度； 圓波導(dǎo)長(zhǎng)度；圓波導(dǎo)半徑。第4章 結(jié)束語(yǔ) 本文通過(guò)在所

50、在頻段展寬帶寬、減小衰減，以基模透射系數(shù)為主要參考量出發(fā)。利用盒型輸出窗的模型，主要通過(guò)CST軟件的仿真與優(yōu)化，分別設(shè)計(jì)了常規(guī)型、窗片直徑略大于矩形波導(dǎo)對(duì)角線、窗片直徑遠(yuǎn)大于矩形波導(dǎo)對(duì)角線三種盒型輸出窗。并且設(shè)計(jì)結(jié)果很好的滿足了所要求技術(shù)指標(biāo)?？偨Y(jié)了這種非常規(guī)盒型輸出長(zhǎng)的設(shè)計(jì)步驟，并且在優(yōu)化仿真中發(fā)現(xiàn)，窗片兩端圓波導(dǎo)尺寸與透射系數(shù)波形存在某種聯(lián)系。具體猜想為窗片半徑主要影響波形如畸變、波峰、波谷、諧振頻率等；窗片長(zhǎng)度則主要影響波形相位如中心頻率等。且在常規(guī)盒型輸出窗模型下，這種關(guān)系更加明顯。具體對(duì)應(yīng)關(guān)系式與猜想正確性需進(jìn)一步研究得到。最后在第三種模型情況下，透射系數(shù)波形雖總體上滿足設(shè)計(jì)要求，但

51、將波形放大不難發(fā)現(xiàn)波形不夠平滑，出現(xiàn)波紋。這是設(shè)計(jì)所不愿看到的。造成原因可能是網(wǎng)格太稀疏，出現(xiàn)計(jì)算誤差，也可能是模型參數(shù)不夠精確。對(duì)應(yīng)改善方法為增加網(wǎng)格數(shù)和在參數(shù)更小數(shù)量級(jí)下進(jìn)行優(yōu)化。由于作者水平所限，文中難免存在不少的錯(cuò)誤和缺點(diǎn)，還望各位老師和專家不吝賜教，予以指正。參考文獻(xiàn)1王瑞敏. 一種圓錐形瓷微波輸出窗的模擬分析D.:中國(guó)科學(xué)院,2005.582朱志斌.S波段波導(dǎo)窗的理論研究和設(shè)計(jì)D.:電子科技大學(xué),2005.10113 電子管設(shè)計(jì)手冊(cè)編輯委員會(huì). 大功率速調(diào)管設(shè)計(jì)手冊(cè)M.:國(guó)防工業(yè),1979.1671734丁耀根.大功率速調(diào)管的理論與計(jì)算模擬M.：國(guó)防工業(yè),2008.3753885洋

52、. 具有截止圓波導(dǎo)的盒型窗的研究D.:電子科技大學(xué), 2007.6126高隴橋.金剛石膜在真空電子器件輸出窗中的應(yīng)用R.：真空電子技術(shù)研究所,20067錢麗君,等. 一種寬頻帶毫米圓波導(dǎo)輸出窗的研究R.：中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十二研究所,20088徐勇.高功率回旋管輸出窗的研究D.,電子科技大學(xué),2006.11159允中.藍(lán)寶石在mm波管輸出窗的應(yīng)用J, 機(jī)電部12所第十四屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集,1991,219.10 施紹明.回旋管用藍(lán)寶石窗J,電子學(xué)通訊，1982,16(7):112114致本論文是在導(dǎo)師開(kāi)春研究員的悉心指導(dǎo)與關(guān)切下完成的，每一部分工作都離不開(kāi)導(dǎo)師的幫助。他對(duì)工作一絲不茍的精神，

53、對(duì)同學(xué)坦誠(chéng)親切的態(tài)度，感染和鼓勵(lì)著我，使我在學(xué)習(xí)的道路上不斷前進(jìn)。作者衷心地向?qū)煴硎靖?。另外還要感亞韋同學(xué)，在本論文撰寫期間，一起討論一起請(qǐng)教老師，并給予作者無(wú)私的幫助與寶貴的意見(jiàn)，在此特別表示感。附錄附錄一：常規(guī)輸出窗圓波導(dǎo)長(zhǎng)度求解Matlab程序clcclearc=3e8; % 自由空間光速mu0=4*pi*1e-7; % 自由空間磁導(dǎo)率eps0=8.85e-12; % 自由空間介電常數(shù)a=0.711*10-3;b=0.355*10-3;f=315*109; %中心頻率mur=9;lmd0=c/f; %波長(zhǎng)d=sqrt(a2+b2) %圓波導(dǎo)直徑lmd1=2*a; %矩形波導(dǎo)截止波長(zhǎng)；l

54、md2=3.413*d/2; %矩形波導(dǎo)截止波長(zhǎng)TE11bt=2*pi/lmd0;g=a*sqrt(1-(lmd0/lmd1)2)/(b*sqrt(1-(lmd0/lmd2)2);t=lmd0/sqrt(mur)/2syms l B1 xB0=-2*g*sin(bt*l)*cos(bt*l);C0=-2*B1*(cos(bt*l).2)+2*B1*(sin(bt*l).2)+2*(B1.2*g-1/g)*sin(bt*l)*cos(bt*l);C=subs(C0,B1,B0);B=B0;D=B-C%pretty(D)D=subs(D,l,x);figure(2),ezplot(D)figure(1),ezplot(D,0,0.0005)外文資料原文Broadband 220-GHz Vacuum Window for aTraveling-Wave Tube AmplifierAlan M. Cook, Member, IEEE, Colin