【正文】 窗，改變窗片與變換階段圓波導(dǎo)的尺寸。因此，自主研發(fā)及制造能力的建設(shè)，非常重要。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。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。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。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。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。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。若 ，即輸出窗為對(duì)稱窗，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)。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“對(duì)角窗”。 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。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。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。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。 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 Window Of THz, Irregular Type Window.目錄目錄第一章 引言 1 課題背景 1 盒型輸出窗研究現(xiàn)狀 2 研究輸出窗的目的和意義 4 課題的內(nèi)容 4第2章 盒型輸出窗的理論分析 6 引言 6 常規(guī)盒型輸出窗等效電路理論分析 6 11 13 14第3章 盒型輸出窗的模擬計(jì)算與分析 17 17 CST模型優(yōu)化 18 結(jié)果分析討論 19。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)。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。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。 20 20 22 23 25 26 藍(lán)寶石窗片非常規(guī)盒型輸出窗設(shè)計(jì) 28 28 30 37第4章 結(jié)束語(yǔ) 39參考文獻(xiàn) 40致謝 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1章 引言第一章 引言 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。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。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。輸出窗的雜模也是影響電真空器件正常工作的重要方面。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。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。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)。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。3. 窗片材料的選用。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)。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。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。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。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。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。表31是藍(lán)寶石的主要物理性質(zhì)。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)。3．考慮到工程實(shí)際，所采用的窗片不可能太小。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11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 。2. 圓波導(dǎo)傳輸線。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。下面給出等效電路中各個(gè)參量的計(jì)算公式。 式中： 為窗片厚度； 為角頻率， ； 為光速； 為圓波導(dǎo)波長(zhǎng)。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。 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。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 。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。如果式（2214）不成立，應(yīng)重新選擇圓波導(dǎo)的直徑和窗片的厚度。由于常規(guī)輸出窗結(jié)構(gòu)較為固定，參考 ，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。 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， 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。由厚窗結(jié)構(gòu)傳輸計(jì)算公式（233）、式（234）可求得、 。 圖23 第一周期由圖33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。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。其設(shè)計(jì)方法也較為成熟。 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 。所以在之間以步長(zhǎng)為步長(zhǎng)，進(jìn)行優(yōu)化。常規(guī)盒型窗模型參數(shù)全部確定。觀察此圖可知在頻率范圍范圍內(nèi)，滿足透射系數(shù)要求。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。要求對(duì)常規(guī)輸出窗結(jié)構(gòu)加以改變，以滿足要求。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。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。所以非常規(guī)輸出窗的設(shè)計(jì)步驟如下所示。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。需要指出非常規(guī)輸出窗，并非其上一種模型。其結(jié)果如圖3圖38所示。在圖38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。且在整個(gè)波段衰減較小。但其諧振特性很不穩(wěn)定，頻率稍加變化就停止。 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。圖39 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。其效果如圖3圖311所示?？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。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312所示。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。圖313 最終模型透射系數(shù)S21圖314 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。其，很好的滿足設(shè)計(jì)要求。如速調(diào)管的輸出窗，駐波加速管的輸出窗等。以上分析僅證明了這種非常規(guī)盒型輸出窗的可行性。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。窗片的冷卻是輸出窗的重大問(wèn)題。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，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)。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。由式（331）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?，F(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。氧化鎂、陶瓷抗張強(qiáng)度低；溫度升高，損耗增大太快。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。，此結(jié)構(gòu)主要分析參數(shù)也為圓波導(dǎo)直徑與長(zhǎng)度。 ，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。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。圖317 套用模型S21波形 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。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。圖319 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。需要進(jìn)一步優(yōu)化。所以需進(jìn)一步優(yōu)化。求其波特圖如圖323所示。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。圖325 階段4，S21 波形由上圖對(duì)比圖3圖324。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。取圓波導(dǎo)半徑，其透射系數(shù)波形如圖327所示。圖328 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。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。并且設(shè)計(jì)結(jié)果很好的滿足了所要求技術(shù)指標(biāo)。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。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。作者衷心地向?qū)煴硎靖兄x。 % 自由空間磁導(dǎo)率eps0=。 %中心頻率mur=9。 %矩形波導(dǎo)截止波長(zhǎng)TE11bt=2*pi/lmd0。C=subs(C0,B1,B0)。 5μm and t = 275 177。 we observed a 10GHz shift in the window pass band for a 20μm difference in thickness, as predicted in simulation. While we did not measure the dielectric constant of the BeO to verify the specified value of ε = , we do not expect variation between the windows because they came from the same material stock. These results demonstrate a successful method for fabricating broadband windows for upper mmW vacuum electron devices.翻譯文稿. 翻譯文稿220GHz行波管放大器輸出窗設(shè)計(jì)電氣與電子工程師協(xié)會(huì)研究員Takuj Kimura,Edward L. Wright, Jeffrey P. Calame，副研究員Alan M. Cook，Colin D. Joye摘要本文介紹氧化鈹陶瓷材料220GHz行波管放大器錐型窗的電磁冷腔測(cè)試參數(shù)。索引詞大功率放大器，毫米波設(shè)備，毫米波測(cè)量微波電真空器件要想正常傳輸微波，需要輸出窗作為隔離高真空區(qū)域的電子束與管外大氣環(huán)境的分界面。當(dāng)導(dǎo)波波長(zhǎng)等于兩倍窗片厚度時(shí)，這時(shí)此諧振匹配的輸出窗允許進(jìn)入的毫米波以低反射通過(guò)。有數(shù)據(jù)顯示具有半波諧振匹配輸出窗和錐形輸出窗的毫米波設(shè)備已經(jīng)被應(yīng)用到W頻段（75~110GHz）。必要的制造誤差是通過(guò)在冷測(cè)試中精確調(diào)整錐形窗結(jié)構(gòu)得到的