【正文】 則確定，通常情況下圓波導直徑 D 與矩形波導的對角線近似相等，俗稱“對角窗”。窗片厚度和圓波導的長度（ 12LL和 ）的選擇則取決于工作頻率范 圍和頻段寬度。 圖 11 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，無論是工程設(shè)計、工藝技術(shù)和窗片材料的制備都相當成熟，對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 1l 和 2l 的大小和相對關(guān)系。若 12ll? ，即輸出窗為對稱窗 ，這時通常輸出窗兩端采用尺寸相同的矩形波導，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 12ll? ，即輸出窗為非對稱窗，這時輸出窗兩端的矩形波導尺寸也可能不相同，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工作頻率附近可以得到好的透射系t 1l 2l 1k 2k 22ab? 11ab? D 圓波導 矩形波導 ? 第 1 章 引言 3 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中，如果窗片的直徑過大，則圓波導的直徑也相應(yīng)變大，高次摸不容易截止。窗片的直徑過小，對傳輸高功率不利，同時矩形波導與圓波導的連接也不易做到寬帶匹配。一般選取圓波導的直徑等于矩形波導截面的對角線。 22D a b?? ,式中 D 是圓波導直徑， a 和 b 分別是矩形波導寬邊和窄邊的尺 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，同時對金屬窗片封接強度和應(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. 輸出窗中矩形波導與圓波導的連接處的波導蓋板的形狀將影響輸出窗的帶寬。通常輸出窗中方波導與圓波導之間的 90?? ，方圓過渡的跳變不 連續(xù)將引起并聯(lián)電感或電容的變化，波導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在該連續(xù)處的畸變，也有將矩形波導與圓波導之間的夾角設(shè)計成大于 90 ，以減少垂直窗片表面的電場分量的大小，降低輸出窗隨壞幾率。 5. 輸出窗焊接工藝過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，相對來說，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，同時能延長其工作壽命。 目前，普通盒型輸出窗得到了比較好的應(yīng)用。但是隨著科學技術(shù)的高速發(fā)展，各個領(lǐng)域?qū)ξ⒉娬婵掌骷男阅芴岢隽烁叩囊螅?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、更寬的瞬時帶寬、跟高的轉(zhuǎn)換效率、更高的信噪比。為此，人們對該類微波輸出窗進行進一步研究和改進，以提高它各方面的性能，電子科技大學學士學位論文 4 如研制更新的窗片材料，設(shè)計跟合理的窗結(jié)構(gòu)，以提高它的高 頻特性、機械性能和氣密性能，降低它的介質(zhì)損耗等。 研究輸出窗的目的和意義 國內(nèi)外的輸出窗發(fā)展趨勢有兩種：一是高峰值功率波導窗；另一種是高平均功率波導窗。目前，國外輸出窗的峰值功率可達到 [2]100MW ，平均功率可達上百千瓦。而國內(nèi)的輸出窗的峰值功率可達 10MW ，其平均功率一般在十幾千瓦。因此，在國內(nèi)開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)及國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，國內(nèi)尖端電磁科技的發(fā)展，已隨世界潮流由傳統(tǒng)的厘米波進入微波領(lǐng)域，例如衛(wèi)星通信應(yīng)用、新型國防電子系統(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制的主要課題。微波管的微波輸出系統(tǒng)稱作微波窗，同時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的尺寸。使其既滿足工程指標又實際可行，從而具有一定科研價值。 課題的內(nèi)容 藍寶石 [5] 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。選用藍寶石作為窗片，對展帶寬和降低損耗具有積極的作用。本文采用藍寶石窗片，嘗試改變輸出窗圓波導的尺寸、窗片的直徑來改善輸出窗的性能，希望在頻段300 330GHz GHz? 范圍內(nèi)得到較寬的帶寬。 。表 31 是藍寶石的主要物理性質(zhì)。 表 31 藍寶石的物理性質(zhì) [9][10] 比重 （ 3/kg m ） 導熱系數(shù) ( / )w mk 介電常數(shù)（ 10?? ） 比熱 （ ( / )w kgk 損耗角 10GHz 介電強度( / )KVm 電阻率 ( / )ohm m 3980 120C 40 34GHz ||c 軸 48000 500C 1110 第 1 章 引言 5 本文采用 Matlab、 CST 三維計算軟件來計算分析盒型輸出窗，希望以此來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)用于工程實際。主要內(nèi)容包括以下 3 個方面： 1．由于要求頻帶為 300GHz330GHz，頻率過高，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，運用 Matlab 計算軟件編程 ，計算出常規(guī)盒型輸出窗模型參量指標。并運用 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尺寸。運用 CST三維計算軟件予以優(yōu)化，得到滿足所要求帶寬與衰減的模型。 3．考慮到工程實際，所采用的窗片不可能太小。所以采用現(xiàn)有半徑為 3mm 的藍寶石窗片，設(shè)計適合 于 300GHz 傳輸 的盒型窗結(jié)構(gòu)并模擬優(yōu)化。 電子科技大學學士學位論文 6 第 2章 盒型輸出窗 的 理論分析 引言 輸出窗不僅是讓高頻能量盡力無反射、無損耗的通過，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械性能。 過去對盒型窗的研究中，主要針對的都是常規(guī)標準波導，如圖 11 所示，對于兩端連接不同矩形波導的盒型窗，因為頻帶不易做寬，通常只用在某些特殊的窄帶 器 件 中 ， 本 文 只 對 兩 端 對 稱 的 盒 型 窗 進 行 分 析 ， 即1 2 1 2 1 2 1 2a a b b k k l l? ? ? ?、 、 、 ，并且 90?? 。通常從等效電路的角度分析這種常規(guī)盒型輸出窗 常規(guī)盒型輸出窗等效電路理論分析 由于在矩形波導和圓波導中都是單模工作，波導邊界的 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 21。 圖 21 盒型輸出窗等效電路圖 [3] 2I 1I 3B 2B 1B 2l 1l 0Z 0Z 1Z 2Z 1V 2V ? ? ? ? 第 2 章 盒型輸出窗的理論分析 7 如圖 11 所示常規(guī)盒型輸出窗是在 10TE 單模工作的矩形波導中插入一段 11TE 單模傳輸圓波導，再在圓波導中間封接一片圓盤型窗片而構(gòu) 成。整個傳輸線可以分為以下幾部分： 1. 矩形波導與圓波導的轉(zhuǎn)換部分。 2. 圓波導傳輸線。 3. 介質(zhì)窗片。 把整個真?zhèn)€盒型窗看作一個無耗四端口網(wǎng)絡(luò)。其輸入和輸出的關(guān)系可用傳輸矩陣 [4] 表示為 12VVABIICD? ? ? ????? ? ? ?????? ? ? ? (221) 1 111 1 10 10c o s s i n1s i n c o s1/ cg l j lABjBj l lCD j B g g???? ?????? ??? ???????? ?? ???? 2222 2 21 / 0c o s s i ns i n c o sgl j lj l l j B g g?? ???? ?????? ?? (222) 式中： 210 11211111 ( )21 ( )caZ agZb??????? (223) 220 22222111 ( )21 ( )caZ agZb??????? () 其中： 12,gg 為圓波 導的特性阻抗和兩端矩形波導的特性阻抗之比； 0Z 為圓波導的特性阻抗； 1Z 和 2Z 為輸入和輸出的矩形波導的特性阻抗； 11,ab 和 22,ab 分別為輸入和輸出矩形波導的寬邊和窄邊的尺寸； 12,BB為兩端矩形波導與圓波導轉(zhuǎn)換 處所引入的不連續(xù)電納的歸一化值； 電子科技大學學士學位論文 8 cB 為介質(zhì)中所引起的容性電納的歸一化值； 12,ll 為以窗片厚度的中心為界兩邊的圓波導段的長度； ? 為圓波導中波的傳播傳播常數(shù)（ 02/g? ? ?? ）； 11c? 圓波導 11TE 摸 的截止波長。 對于兩邊連接不同矩陣的矩形波導的盒型窗，因為頻帶不易做寬，所以除了在特殊要求場合外，很少應(yīng)用。一般常用的是兩邊對稱的盒型窗。 對于對稱型常規(guī)盒型窗， 12g g g?? ， 12B B B?? ，由公式 (222)求得傳輸矩陣的參數(shù) , , ,ABC D 分別為 22c o s ( 1 ) s in ( 2 ) s in c o sccA D l g B B l g B B l l? ? ? ?? ? ? ? ? ? (225) 2( 2 sin c o s sin )cB j l l B g l? ? ??? (226) ? ?2 2 222 c o s 2 si n12 ( ) si n c o scccBB l B B B g lgCjB g B B l lg????????? ? ? ???????????? (227) 對于互易無耗雙口網(wǎng)絡(luò)， AD? ，入射功率 1P 與輸出功率 2P 之比為 2 2 2121 1 11 ( ) ( ) 1 ( )4 4 4PL A D B C B CP? ? ? ? ? ? ? ? ? (228) 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 2 1 / 22 1 2 ( )L L L? ? ? ? ? (229) 由公式（ 229）可知，功率全部傳輸?shù)臈l件為 BC? ，由公式（ 226）、（ 227），得 2t a n 2 t a n 0Y l X l Z??? ? ? (2210) 式中： 21cX g B g B Bg? ? ? ? (2211) 2 2ccY B g B B g B? ? ? (2212) 第 2 章 盒型輸出窗的理論分析 9 2 cBZBg?? (2213) 式（ 2210）的解為 2ta n X X ZlY Y Y? ??? ? ????? (2214) 由公式（ 2214）可求得獲得匹配要求的圓波導長度 l 。由上式可以看出，在要求的頻率點上，存在完全匹配的條件為 2XZYY??????? (2215) 當輸入和輸出波導的幾何尺寸確定后，應(yīng)選擇適合的圓波導直徑、窗片材料（介電常數(shù)）和厚度，使方程式（ 2215）的條件滿足。 下面給出等效電路中各個參量的計算公式。 （ 1） 矩形波導和圓波導的等效阻抗 。 矩形波導的等效阻抗 12 2121cbZZa????????????? (2216) 圓波導的等效阻抗 0 2021cZ???????????? (2217) 式中： ? 為自由空間的磁導率； ? 為自由空間的介電常數(shù)； ? 為自由空間波長； 0c? 為圓波導截止波長； 1c? 為矩形波導截止波長； ,ab 為矩形波導寬邊和窄邊的尺寸。 電子科技大學學士學位論文 10 （ 2）