【正文】 這 是 設(shè)計 所 不愿看到的。 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) 。 綜上所述，可以確定圓波導(dǎo)參數(shù)半徑取 ，長度取 為最優(yōu)模型。需要指出以上結(jié)果是經(jīng)反復(fù)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。 由 節(jié)的猜想圓波導(dǎo)長度主要影響波形的中心頻率，而圓波導(dǎo)的半徑則主要影響波形，影響其諧振的頻率值。為便于觀察取其波特圖如圖 321 所示。 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。 電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)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。 未知參量為：圓波導(dǎo)直徑 D ；圓波導(dǎo)長度 l 。 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(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?，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(dǎo)熱性不太好，介電常數(shù)偏大。39。 介質(zhì)材料在高頻場中，一般有傳導(dǎo)損耗和容性損耗。它的引入會帶來如下問題： 波導(dǎo)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。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。為確定帶寬將 圖 316 放大取21 dB?? 部分，得圖 315。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。窗函數(shù)中心頻率逐漸向低頻移動。 將圓波導(dǎo)半徑定為 ，圓波導(dǎo)長度在 ~ mm范圍內(nèi)以步長 進行優(yōu)化。 在這里討論下為何波形在某些頻率會出現(xiàn)跳變。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。 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(dǎo)的長度與直徑。我們可以大膽猜想，如圖 35 所示圓波導(dǎo)的長度主要影響窗函數(shù)的中心頻率，而圓波導(dǎo)的直徑則 主要影響窗函數(shù)的波形。 其結(jié)構(gòu)如圖 36 所示。很好的滿足了設(shè)計要求。 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。 圖 31 盒型輸出窗示意圖 圓波導(dǎo) 窗片 矩形波導(dǎo) 良導(dǎo)體背景 電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)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。 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。 圓波導(dǎo)尺寸 常規(guī)模型窗片直徑等于矩形波導(dǎo)對角線長度即 22D a b?? (254) 本模型的重點是求圓波導(dǎo)的長度。在采用三維電磁仿真軟件對設(shè)計進行核算和再仿真。 （ 2）選擇窗片的材料與厚度。 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(dǎo)波長的厚窗結(jié)構(gòu)可以解決這方面的問題。 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(dǎo)波長。 對于兩邊連接不同矩陣的矩形波導(dǎo)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。 過去對盒型窗的研究中，主要針對的都是常規(guī)標準波導(dǎo)，如圖 11 所示，對于兩端連接不同矩形波導(dǎo)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?? 。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。 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。因此，在國內(nèi)開展輸出窗的研究工作是很有必要的。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。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。 2. 輸出窗窗片的幾何形狀和尺寸。圖 11 是一種常規(guī)圓盤形盒型輸出窗模型。波導(dǎo)階梯窗有單向階梯窗、雙向階梯窗、 T 型塞子窗幾種。已經(jīng)廣泛應(yīng)用于雷達、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。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。 the influence of the parameter S21 by changing the construction of the window is discussed。盒型窗是將一個圓盤介質(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。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一步發(fā)展。 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。 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。 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。 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(dǎo)窗；另一種是高平均功率波導(dǎo)窗。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。 表 31 藍寶石的物理性質(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。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。 3. 介質(zhì)窗片。 （ 1） 矩形波導(dǎo)和圓波導(dǎo)的等效阻抗 。 輸出窗的設(shè)計一般是有頻帶要求的 。 2X g B g Y B Z Bg? ? ? ? ? ? 。 （ 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)的長度 l 。兼顧兩方面因素將其定為 。 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? 的值相對于 l 顯周期性變 化，且零點效果理論上相同，為得到較為準確的值，所以取第一個周期，如下圖 23 所示。 常規(guī) 盒型輸出窗的設(shè)計 常規(guī)輸出窗由于具有對稱結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，帶寬較寬等優(yōu)點，得到了廣泛的應(yīng)用。 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? 處可能會出現(xiàn)最好透射系數(shù)。 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。但現(xiàn)實情況下，尤其對于高頻情況， 由于 窗片直徑過小，工藝實際等條件的限制， 使其 不符合實際工程的 需要。 未知參量 為 ： 窗片直徑 d ；圓波導(dǎo)直徑 D ；圓波導(dǎo)長度 l 。 暫將圓波導(dǎo)長度定位 ， 改變 圓波導(dǎo) 直徑進行 CST優(yōu)化。 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 對應(yīng)常規(guī)輸出窗設(shè)計，也可先將圓波導(dǎo) 半徑 從 ~ mm以步長 進行變化。我們可以通過改變圓波導(dǎo)長度使其跳變遠離中心頻率。從而得到較為平坦的波形，滿足設(shè)計所需。 為使效果進一步優(yōu)化，分別將 l 在 ~ mm和 ~ mm進行步長為 的優(yōu)化。我們是先優(yōu)化半徑后確定長度。透射系數(shù)如圖 31圖 314 所示。 半徑 3mm 藍寶石窗片非常規(guī)盒型輸出窗設(shè)計 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。 介質(zhì)窗片是輸出窗的重要組成部分。使介質(zhì)窗片上產(chǎn)生溫度梯度。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。? 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)和機械強度盡可能高； 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。熔凝石英有很小的介質(zhì)損耗、介電常數(shù)小，但介電強度和熱膨脹系數(shù)都很小，并且在高溫下會變軟。但由于 網(wǎng)格較少，必然會影響計算精度，在以后的分析中出現(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。 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? 時波形還較為平滑，衰減也較小。從而節(jié)約優(yōu)化時間。 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。但在中心頻率附近還是有波谷出現(xiàn)。為更明顯說明效果取其波特圖如圖 325 所示。 圖 326 驗證 1 S21 波形 第 3 章 盒型輸出窗的模擬計算與分析 37 對比圖 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。是否經(jīng)濟并可行，需要就實際情況加以考量。且在常規(guī)盒型輸出窗模型下，這種關(guān)系更加明顯。 由于作者水平所限，文中難免存在不少的錯誤和缺點，還望各位老師和專家不吝賜教 ，予以指正。 總結(jié)了這種非常規(guī)盒型輸出長的設(shè)計步驟，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。 需指出正如前文所述，由于網(wǎng)格較少，必然會影響計算精度，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。由于圓波導(dǎo)長度主要影響波形相位，便不加討論。得到其透射系數(shù)如圖 324 所示。綜合以上兩組數(shù)據(jù)再次設(shè)圓波導(dǎo)長度 mm? ； 圓波導(dǎo) 半徑 2d mm?