【正文】 和 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 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(jì)算軟件進(jìn)行優(yōu)化模擬，分別分析了300GHz330GHz頻段的藍(lán)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(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。關(guān)鍵字：盒型窗,太赫茲輸出窗，非常規(guī)輸出窗57AbstractABSTRACTMicrowave 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(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。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(dǎo)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(duì)于其他微波電真空器件而言，具有相似的作用：允許高頻能量通過同時(shí)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。 圓波導(dǎo)矩形波導(dǎo) 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(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。2. 輸出窗窗片的幾何形狀和尺寸。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。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(shí)對(duì)金屬窗片封接強(qiáng)度和應(yīng)力平衡必須充分考慮。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。輸出窗的冷卻狀況較好，相對(duì)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(shí)能延長(zhǎng)其工作壽命。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。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(jī)制的主要課題。 課題的內(nèi)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)。表31 藍(lán)寶石的物理性質(zhì) 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 3980 40 48000 本文采用Matlab、CST三維計(jì)算軟件來計(jì)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。并運(yùn)用CST予以仿真。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。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。3. 介質(zhì)窗片。一般常用的是兩邊對(duì)稱的盒型窗。（1） 矩形波導(dǎo)和圓波導(dǎo)的等效阻抗。 從式（2218）求出 是對(duì)圓波導(dǎo)特性導(dǎo)納歸一化的值。輸出窗的設(shè)計(jì)一般是有頻帶要求的。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 ，可以在提高功率容量的同時(shí)，增加其強(qiáng)度。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)。通常，可選擇L波段的窗片厚度為 ，S波段的窗片厚度為 ，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)。（5）采用式（221）~式（228）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。 矩形波導(dǎo)寬邊窄邊長(zhǎng)度為給定值，不加討論的定位。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)模型窗片直徑等于圓波導(dǎo)直徑。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 。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。本文采用藍(lán)寶石作為輸出窗窗片。其基本示意如圖31所示。參考以上結(jié)果進(jìn)行仿真優(yōu)化。計(jì)算結(jié)果如圖33所示。 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。帶寬為約為，為。 圖35 常規(guī)盒型輸出窗帶寬示意圖（ ）。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。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)化過程更加復(fù)雜。參考常規(guī)輸出窗的設(shè)計(jì)過程與分析結(jié)果。具體優(yōu)化步驟為：將窗片直徑設(shè)為經(jīng)行仿真設(shè)計(jì)。對(duì)得到模型經(jīng)行微調(diào)，確定最終模型。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。 圖37圓波導(dǎo)半徑優(yōu)化（ ）圖38 圓波導(dǎo)半徑優(yōu)化（ ）由圖3圖38 可見。時(shí)雖波形平坦，且沒有較大跳變，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。綜合兩方面考慮，選擇作為圓波導(dǎo)半徑。從而出現(xiàn)有峰值出現(xiàn)的波形。參照常規(guī)輸出窗圓波導(dǎo)優(yōu)化方法。但缺點(diǎn)在于波形中點(diǎn)不在中心頻率處。 圖310 圓波導(dǎo)長(zhǎng)度優(yōu)化（，步長(zhǎng)） 圖311 圓波導(dǎo)長(zhǎng)度優(yōu)化（，步長(zhǎng)） 由上圖可得在區(qū)間內(nèi)隨著 的增加。綜上所述選取作為圓波導(dǎo)長(zhǎng)度。 圖312 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。 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，為說明確實(shí)可行。在中心頻率處透射系數(shù)很平坦。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)。它的作用是然電磁波無反射地通過它傳輸，僅有很小的插入損耗，并把超高真空與充氣狀態(tài)和大氣隔離開來。與實(shí)際工程要求窗片半徑相比還是過小。一般情況下窗片是直接焊接在無氧銅等金屬波導(dǎo)上。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。造成窗片的溫度局部增高而破損。但這可以通過采用合理的焊接工藝來消除。輸出窗材料的選取主要賴于以下幾個(gè)方面： 有較高的介質(zhì)抗電強(qiáng)度； 介電常數(shù) 和損耗角正切盡可能??； 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； 無毒性。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。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。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。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：。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。因此完全不符合設(shè)計(jì)要求，為說明這種情況將S21裝換為如圖317所示，波形將更為明顯。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)。下圖318為圓波導(dǎo)長(zhǎng)度；圓波導(dǎo)半徑的透視系數(shù)線性波形。使其滿足設(shè)計(jì)要求。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；圓波導(dǎo)半徑的透視系數(shù)線性波形如圖322所示。圖323 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。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 ； 窗片半徑 ； 窗片厚度 ； 圓波導(dǎo)長(zhǎng)度； 圓波導(dǎo)半徑?？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。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。另外還要感謝李亞韋同學(xué)，在本論文撰寫期間，一起討論一起請(qǐng)教老師，并給予作者無私的幫助與寶貴的意見，在此特別表示感謝。 % 自由空間介電常數(shù)a=*10^3。lmd0=c/f。g=a*sqrt(1(lmd0/lmd1)^2)/(b*sqrt(1(lmd0/lmd2)^2))。B=B0。 5μm, respectively. The pass band of the output window is ～10 GHz higher than that of the input window and somewhat wider. This window was chosen for the output in order to mitigate feedback oscillation from a highfrequency tail in the predicted gain curve of the amplifier .Fig. 2. S11 and S21 magnitude measurements for (a) input and (b) output windows. (Black crosses。通過傳輸和反射測(cè)試顯示在中心頻率處最少25GHz帶寬內(nèi)回波損耗優(yōu)于20dB。阻抗匹配條件使得輸出窗只能傳輸一定頻段的電磁波，在頻段外電磁波的大部分能量將被反射。這種結(jié)構(gòu)的響應(yīng)帶寬是窄帶的，因此不適應(yīng)要求傳輸帶寬 10%的寬頻放大器。隨著頻率的增加，達(dá)到寬帶阻抗匹配必要的所需制造誤差變得越來越困難。這種輸出窗是為行波管放大器在頻帶 范圍內(nèi)輸出功率超過50W而設(shè)計(jì)的。錐形模型轉(zhuǎn)換裝置將矩形波導(dǎo)的TE10模轉(zhuǎn)換為圓波導(dǎo)的TE11模。圖1 （a）錐形輸出窗的幾何模型。（c）放在硬幣旁的窗片組件照片用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量輸出窗復(fù)雜的反射系數(shù)（S11）和透射系數(shù)（S21）。陶瓷窗片本身的插入損耗被確定為＜，這個(gè)結(jié)果低于我們所設(shè)置的噪聲閥值。在輸入輸出端口窗片的厚度分別為t = 292 177。將此輸出窗作為輸出端是為了減小在放大器預(yù)設(shè)增益線高頻尾端的反饋震蕩。在200~210GHz附近像TE41?, TE12?, TM11?,這種模式的三個(gè)鬼模和在230GHz附近的像TE51?這種模式的一個(gè)鬼模，在這種設(shè)計(jì)中是我們分別特意將其移出工作頻段的。其中最起碼有30%的損耗是由于輸入/輸出波導(dǎo)過渡帶引起的。這樣做是為了將最后的冷腔測(cè)試數(shù)值表示在圖2中。最終確定兩個(gè)窗的L值都在730–870 。另一個(gè)關(guān)鍵的參量為氧化鈹窗片的厚度，通過仿真可以預(yù)測(cè)到窗片厚度每改變20μm，整個(gè)窗的帶寬就相應(yīng)改變1