【正文】 parameter S21 by changing the construction of the window is discussed。本文基于盒型輸出窗模型，采用 matlab、 cst 三維計算軟件進行優(yōu)化模擬，分別分析了 300GHz330GHz 頻段的藍寶石窗片 常規(guī)輸出窗與非常規(guī)輸出窗 。而輸出窗是大功率微波電真空器件的關(guān)鍵部件，對器件和系統(tǒng)的頻段、功率容量、可靠性和壽命具有重要作 用。 關(guān)鍵字 ： 盒型窗 ,太赫茲輸出窗，非常規(guī)輸出窗ABSTRACT II ABSTRACT Microwave vacuum electron devices are the key ponents in radar, munication, broadcasting, accelerators and the other electron systems. The output windows are the key parts in highpower 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 relation of output characteristics with various parameters in the irregular box type sapphire window is simulated。已經(jīng)廣泛應(yīng)用于雷達、通信、電視廣播、粒子加速器、可控熱核聚變裝置、微波遙感、微波加熱、材料處理和制備等領(lǐng)域。 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。波導階梯窗有單向階梯窗、雙向階梯窗、 T 型塞子窗幾種。 大功率輸出窗對于其他微波電真空器件而言，具有相似的作用：允許高頻能量通過同時保證微波電真空器件內(nèi)部的氣密性。圖 11 是一種常規(guī)圓盤形盒型輸出窗模型。 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。 2. 輸出窗窗片的幾何形狀和尺寸。一般選取圓波導的直徑等于矩形波導截面的對角線。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。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。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。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。因此，在國內(nèi)開展輸出窗的研究工作是很有必要的。 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。 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。表 31 是藍寶石的主要物理性質(zhì)。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。 3．考慮到工程實際，所采用的窗片不可能太小。 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?? 。 2. 圓波導傳輸線。 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。 下面給出等效電路中各個參量的計算公式。 0( 1) )( )gcBd c ??? ???（ (2218) 式中： d 為窗片 厚度； ? 為角頻率， 2 f??? ； c 為光速； 0g? 為圓波導波長。 連接處復數(shù)導納的電導部分為 bG d? (2220) 實際上，此種連接的作用相當于阻抗變換，其變換比恰等于特性阻第 2 章 盒型輸出窗的理論分析 11 抗之比。 高頻厚窗結(jié)構(gòu)分析 對于高工作頻率，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 1/2 填充介質(zhì)的波導波長的厚窗結(jié)構(gòu)可以解決這方面的問題。 2 。 （ 2）選擇窗片的材料與厚度。 （ 3）根據(jù)式（ 2218）和式（ 2219）求得介質(zhì)窗片引入的等效電容 cB 以及矩形波導與圓波導連接處引入的電納 1B 。在采用三維電磁仿真軟件對設(shè)計進行核算和再仿真。 矩形波導長度 k ，理論上越長越接近實際，但用 CST 進行結(jié)果仿真時，過長的話計算量過大，影響計算時間。 圓波導尺寸 常規(guī)模型窗片直徑等于矩形波導對角線長度即 22D a b?? (254) 本模型的重點是求圓波導的長度。 Matlab 程序見附錄一，如圖 22 即為所畫求解圖。 第 3 章 盒型輸出窗的模擬計算與分析 17 第 3章 盒型輸出窗的模擬計算與分析 本文討論 300 ~ 330GHz GHz 波段常規(guī)盒型輸出窗與非常規(guī)輸出窗的特性，運用 Matlab、 CST 三維電磁仿真軟件進行優(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。 具體參數(shù)與技術(shù)指標：矩形波導尺寸為 m m m? ； 頻帶為 300 ~ 330GHz GHz； 中心頻率為 315GHz ； 藍寶石相對介電常數(shù)為 9r?? ； 通帶要求： 21 dB?? ， f ： 5%~10% 。 圖 31 盒型輸出窗示意圖 圓波導 窗片 矩形波導 良導體背景 電子科技大學學士學位論文 18 其設(shè)計的基本方法為參照 1 章常規(guī)盒型輸出窗公式，運用 Matlab 編程計算出設(shè)計所需參數(shù)后，運用 CST 三維電磁仿真軟件，進行模擬仿真，針對透射系數(shù)進一步優(yōu)化，得到最佳模型。 先 將 l 由 ~ mm以 為步長變化，用 CST 經(jīng)行優(yōu)化，主要觀測透射系數(shù) 21S ，其結(jié)果如圖 32 所示。 第 3 章 盒型輸出窗的模擬計算與分析 19 圖 33 l 步長優(yōu)化 由上圖 33 可得在 mm? 處在中心頻率 315f GHz? 時透射系數(shù)基本為 1，且峰值位于中心頻率處，為最好情況。如圖 34 所示為上述確定模型的波特圖。很好的滿足了設(shè)計要求。 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)簡單。 其結(jié)構(gòu)如圖 36 所示。 由上得 非常規(guī)輸出窗 已知 參量： 兩端矩形波導長寬高 0 . 7 1 1 0 . 3 5 5 0 . 5a b k m m m m m m? ? ? ? ? ； 窗片厚度： 。我們可以大膽猜想，如圖 35 所示圓波導的長度主要影響窗函數(shù)的中心頻率，而圓波導的直徑則 主要影響窗函數(shù)的波形。 為給定 條件。 即本節(jié)只討論這種模型的可行性，主要仿真優(yōu)化圓波導的長度與直徑。 圓波導 直徑 的優(yōu)化 由以上分析得，窗片尺寸已定。在圖 37 中波形很不穩(wěn)定，經(jīng)常發(fā)生跳變，而圖 38中波形較為穩(wěn)定。 mm? ，雖在 300 ~ 330GHz GHz波段也有跳變，但繞開了中心頻率。 在這里討論下為何波形在某些頻率會出現(xiàn)跳變。但這種情況是我們說不 愿看到的，我們可以通過改變圓波導的直徑與長度，使其諧振頻率繞開要求所在頻段。 將圓波導半徑定為 ，圓波導長度在 ~ mm范圍內(nèi)以步長 進行優(yōu)化。此時可以對 l 進行微調(diào)，以達到設(shè)計要求。窗函數(shù)中心頻率逐漸向低頻移動。 電子科技大學學士學位論文 26 結(jié)構(gòu)微調(diào)驗證 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)圓波導半徑 mm? ，長度 mm? 。除此之外，要么波形很不穩(wěn)定，出現(xiàn)跳變明顯；要么帶寬過小，不滿足設(shè)計要求。下面來 驗證以上確定模型的帶寬是否滿足設(shè)計要求。為確定帶寬將 圖 316 放大取21 dB?? 部分，得圖 315。證明了其確實可行。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。本節(jié)我們將具體分析 并 設(shè)計半徑 為 3mm 的藍寶石窗片非常規(guī)盒型輸出窗。它的引入會帶來如下問題： 波導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。 場的不均勻性導致熱效應(yīng)的不均勻。 介質(zhì)材料在高頻場中，一般有傳導損耗和容性損耗。容性損耗是有介質(zhì)的離子、分子與微波共振產(chǎn)生。39。 輸出窗材料的選取主要賴于以下幾個方面： 有較高的介質(zhì)抗電強度； 介電常數(shù) 39?，F(xiàn)在使用的介質(zhì)材料最常見的有純度為 95% 和 99% 的 23AlO陶瓷，其機械性能好、耐高溫、易加工、氣密性好、損耗小，但導熱性不太好，介電常數(shù)偏大。氧化鎂、 2ZrO 陶瓷抗張 強度低；溫度升高，損耗增大太快。 綜上本設(shè)計采用藍寶石作為輸出窗窗片 有上分析可見，由于采用藍寶石作為窗片，且窗片直徑遠大于矩形波導，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。只好采用最為稀疏的網(wǎng)格進行分析，以提高速度。 未知參量為：圓波導直徑 D ；圓波導長度 l 。 并用 CST 建模得到透射系數(shù) S21 在要求頻段 300 ~ 330GHz GHz波形如圖 316 所示。 電子科技大學學士學位論文 32 因此 由于窗片半徑的變化，僅僅加以套用 節(jié)結(jié)論，完全不能解決問題。在得到較好效果后再進一步優(yōu)化。 圖 318 階段 1， S21 波形 第 3 章 盒型輸出窗的模擬計算與分析 33 由上圖可見雖然波動較大，波形波谷分為不同的區(qū)間，且在中心頻率處衰減過大，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。 下圖 320 為 圓 波導長度 mm? ； 圓波導 半徑 3d mm? 的透視系數(shù)線性波形。為便于觀察取其波特圖如圖 321 所示。 圖 322 階段 3， S21 波形 第 3 章 盒型輸出窗的模擬計算與分析 35 可以明顯看出最優(yōu)波段帶寬進一步展開，衰減也進一步變小。 由 節(jié)的猜想圓波導長度主要影響波形的中心頻率，而圓波導的半徑則主要影響波形，影響其諧振的頻率值。 圖 324 階段 4， S21 波形 電子科技大學學士學位論文 36 很明顯，波形更佳平滑平坦，在中心頻率處衰減也更小。需要指出以上結(jié)果是經(jīng)反復猜想比對所得，并非直接計算所得，本節(jié)設(shè)計主要方法為實驗法。 取圓波導半徑 mm? ，其透射系數(shù)波形如圖 328 所示。 綜上所述，可以確定圓波導參數(shù)半徑取 ，長度取 為最優(yōu)模型?？梢酝ㄟ^增加網(wǎng)格加以進一步優(yōu)化，但增加網(wǎng)格勢必會增加優(yōu)化時間，影響優(yōu)化工作進度。 第 3 章 盒型輸出窗的模擬計算與分析 39 第 4章 結(jié)束語 本文通過在所在頻段 300 ~ 330GHz GHz展寬帶寬、減小衰減，以 基模 透射系數(shù) 21S 為主要參考量出發(fā) 。 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；窗片長度則主要影響波形相位如中心頻率等。這 是 設(shè)計 所 不愿看到的。 電子科技大學學士學位論文 40 參考文獻 [1]王瑞敏 . 一種圓錐形陶瓷微波輸出窗的模擬分析 [D].北京 :中國科學院 ,2020..5~8 [2]朱志斌 .S 波段波導窗的理論研究和設(shè)計 [D].成都 :電子科技大學 ,~11 [3] 電子管設(shè)計手冊編輯委員會 . 大功率速調(diào)管設(shè)計手冊 [M]. 北京 :國防工業(yè)出版社 ,~173 [4 丁耀根 .大功率速調(diào)管的理論與計算模擬 [M].北京：國防工業(yè)出版社 ,~388 [5]彭洋 . 具有截止圓波導的盒型窗的研究 [D].成都 :電子科技大學 , ~12 [6]高隴橋 .