【正文】 同時(shí)可以看出其帶寬有展寬的趨勢(shì)。綜合以上兩組數(shù)據(jù)再次設(shè)圓波導(dǎo)長(zhǎng)度 mm? ； 圓波導(dǎo) 半徑 2d mm? 的透視系數(shù)線性波形如圖 322 所示。 圖 323 階段 3， S21()dB 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。得到其透射系數(shù)如圖 324 所示。由此確定半徑 3mm 藍(lán)寶石窗片輸出窗最優(yōu)模型。由于圓波導(dǎo)長(zhǎng)度主要影響波形相位，便不加討論。 圖 327 驗(yàn)證 2 S21 波形 同樣對(duì)比圖 324，圖 326，可以發(fā)現(xiàn)圖 327 雖不像圖 326 那樣有較大的跳變，但波形也沒(méi)有圖 324 平滑。 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)所見最優(yōu)結(jié)構(gòu)波形平滑，也在所難免。具體參數(shù)如下： 具體參數(shù)：矩形波導(dǎo)長(zhǎng)寬高為 0 .7 1 1 0 .3 5 5 0 .5m m m m m m?? ； 窗片半徑 3mm ； 窗片厚度 ； 圓波導(dǎo)長(zhǎng)度 ； 圓波導(dǎo)半徑 。 總結(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。 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 將波形放大不難發(fā)現(xiàn)波形不夠平滑，出現(xiàn)波紋。 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。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 。且在常規(guī)盒型輸出窗模型下，這種關(guān)系更加明顯。 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。是否經(jīng)濟(jì)并可行，需要就實(shí)際情況加以考量。 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)指標(biāo)，將圖 325 最優(yōu)模型波特圖放大，取其 21 dB?? 部分并計(jì)算其帶寬，其結(jié)果如圖 328 所示。 圖 326 驗(yàn)證 1 S21 波形 第 3 章 盒型輸出窗的模擬計(jì)算與分析 37 對(duì)比圖 324，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。 結(jié)構(gòu)證明 上述優(yōu)化過(guò)程，為經(jīng)多次假設(shè)仿真 所得，為證明其確實(shí)為最優(yōu)模型。為更明顯說(shuō)明效果取其波特圖如圖 325 所示。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)。但在中心頻率附近還是有波谷出現(xiàn)。 圖 321 階段 2， S21()dB 波形 通過(guò)上圖可以很明顯的看出，如果將在 中心頻率 315f GHz? 處的波谷移除，則設(shè)計(jì)基本可以滿足要求。 圖 320 階段 2， S21 波形 電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 34 可見上圖較好段波形雖更佳平滑，但衰減也比較大。如圖 319 將其 S21 用波特圖表示效果更佳明顯。從而節(jié)約優(yōu)化時(shí)間。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。 表 316 套用模型 S21 線性波形 可以很明顯的看到圖 316 中，在 310f GHz? 時(shí)波形還較為平滑，衰減也較小。 下面開始具體分析。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)所見最優(yōu)結(jié)構(gòu)波形平滑，也在所難免。 但 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。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。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。? 和損耗角正切盡可能?。? 電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 30 熱傳導(dǎo)系數(shù)和機(jī)械強(qiáng)度盡可能高； 較小的二次電子發(fā)射系數(shù)； 適當(dāng)?shù)呐蛎浵禂?shù)和工藝可靠性； 易于金屬化的能力； 無(wú)毒性。 39。輸出窗介質(zhì)窗片中產(chǎn)生的平均容性損耗功率密度為： 239。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。使介質(zhì)窗片上產(chǎn)生溫度梯度。 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。 介質(zhì)窗片是輸出窗的重要組成部分。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。 半徑 3mm 藍(lán)寶石窗片非常規(guī)盒型輸出窗設(shè)計(jì) 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 [8] ，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。 圖 315 最終模型透射系數(shù) ( ) 21 S dB?? 觀察上圖可得在頻段 3 0 9 .5 ~ 3 1 8 .5G H z G H z 時(shí)滿足技術(shù)指標(biāo)。透射系數(shù)如圖 31圖 314 所示。 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)。我們是先優(yōu)化半徑后確定長(zhǎng)度。但在 0 .2 6 ~ 0 .2 7l m m m m? 時(shí)波型在低頻出波動(dòng)較大，性質(zhì)不穩(wěn)定。 為使效果進(jìn)一步優(yōu)化，分別將 l 在 ~ mm和 ~ mm進(jìn)行步長(zhǎng)為 的優(yōu)化。其結(jié)果如圖 39 所示。從而得到較為平坦的波形，滿足設(shè)計(jì)所需。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。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。圖 38 結(jié)果明顯優(yōu)于圖 37 結(jié)果。 為精確與便于 CST 仿真起見，用圓波導(dǎo)半徑 d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 ~ mm以步長(zhǎng) 進(jìn)行變化。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)。 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。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。 未知參量 為 ： 窗片直徑 d ；圓波導(dǎo)直徑 D ；圓波導(dǎo)長(zhǎng)度 l 。 第 3 章 盒型輸出窗的模擬計(jì)算與分析 21 圖 36 非常規(guī)盒型輸出窗示意圖 頻帶要求范圍為 300 ~ 330GHz GHz，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。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。 所以求討論，本常規(guī)盒型輸出窗模型，確實(shí)可行。 300 310 320 3303210S21 (dB)f (G H z ) S2 1 圖 34 常規(guī) 盒型窗最終模型 21( )S dB 電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 20 為求出帶寬將上圖放大，只取 21 dB?? 范圍，如圖 35 所示，即為單寬范圍。所以取圓波導(dǎo)長(zhǎng)度為 。 300 310 320 3300 .30 .60 .9S21（幅度）f (G H z ) l =0 . 2 m m l =0 . 3 m m l =0 . 4 m m l =0 . 5 m m 圖 32 l 步長(zhǎng)優(yōu)化 由上圖 32 可見在 mm? 到 mm? 間在中心頻率 315f GHz? 處可能會(huì)出現(xiàn)最好透射系數(shù)。 具體參數(shù)如 節(jié)所求：矩形波導(dǎo)長(zhǎng)寬高為 0 .7 1 1 0 .3 5 5 0 .5m m m m m m?? ； 窗片直徑等于圓波導(dǎo)直徑 D mm?? ； 窗片厚度 mm? ； 圓波導(dǎo)長(zhǎng)度 l 經(jīng)行仿真優(yōu)化。 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。 藍(lán)寶石 [7] 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)。 8 6 4 2 0 2 4 6 8 1 050510l . . . ( 1626655093146365004645134772849474698497496511 / 22300745198530623141535718272648361505980416 s i n ( 2100 ? x )2 c o s ( 2100 ? x )2 1077873365707701 / 1125899906842624 ) s i n ( 2100 ? x ) c o s ( 2100 ? x )BC 圖 22 BC? 全圖 由圖 22 可以看出 BC? 的值相對(duì)于 l 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 23 所示。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 ABCD?????? 中 BC? ,即使盒型窗工作在匹配狀態(tài)，得到最好的透射效第 2 章 盒型輸出窗的理論分析 15 果。兼顧兩方面因素將其定為 。 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： 矩形波導(dǎo)尺寸； 電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 窗片厚度 t ，直徑 d ； 圓波導(dǎo)直徑 D，厚度 l 。 （ 4）將以上參數(shù)帶入式（ 2215），判斷式（ 2214）是否有解，再根據(jù)式（ 2210）求得圓波導(dǎo)的長(zhǎng)度 l 。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。 2X g B g Y B Z Bg? ? ? ? ? ? 。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 [6] ，可以在提高功率容量的同時(shí)，增加其強(qiáng)度。 輸出窗的設(shè)計(jì)一般是有頻帶要求的 。 從式（ 2218）求出 cB 是對(duì)圓波導(dǎo)特性導(dǎo)納歸一化的值。 （ 1） 矩形波導(dǎo)和圓波導(dǎo)的等效阻抗 。一般常用的是兩邊對(duì)稱的盒型窗。 3. 介質(zhì)窗片。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(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 21。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 的盒型窗結(jié)構(gòu)并模擬優(yōu)化。并運(yùn)用 CST 予以仿真。 表 31 藍(lán)寶石的物理性質(zhì) [9][10] 比重 （ 3/kg m ） 導(dǎo)熱系數(shù) ( / )w mk 介電常數(shù)（ 10?? ） 比熱 （ ( / )w kgk 損耗角 10GHz 介電強(qiáng)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(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。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。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。 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。 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，普通盒型輸出窗得到了比較好的應(yīng)用。 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。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。 22D a b?? ,式中 D 是圓波導(dǎo)直徑， a 和 b 分別是矩形波導(dǎo)寬邊和窄邊的尺 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。 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(duì)關(guān)系。它將一個(gè)圓盤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。大功率輸出窗的頻帶特性，功率電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 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。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。盒型窗是將一個(gè)圓盤介質(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。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。 the influence of the