【正文】 這 是 設(shè)計(jì) 所 不愿看到的。 第 3 章 盒型輸出窗的模擬計(jì)算與分析 39 第 4章 結(jié)束語(yǔ) 本文通過(guò)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(zhǎng)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(duì)所得，并非直接計(jì)算所得，本節(jié)設(shè)計(jì)主要方法為實(shí)驗(yàn)法。 由 節(jié)的猜想圓波導(dǎo)長(zhǎng)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(jì)算與分析 33 由上圖可見(jiàn)雖然波動(dòng)較大，波形波谷分為不同的區(qū)間，且在中心頻率處衰減過(guò)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(wèn)題。 未知參量為：圓波導(dǎo)直徑 D ；圓波導(dǎo)長(zhǎng)度 l 。 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?，F(xiàn)在使用的介質(zhì)材料最常見(jiàn)的有純度為 95% 和 99% 的 23AlO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。39。 介質(zhì)材料在高頻場(chǎng)中，一般有傳導(dǎo)損耗和容性損耗。它的引入會(huì)帶來(lái)如下問(wèn)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(mǎn)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(guò)小，不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。窗函數(shù)中心頻率逐漸向低頻移動(dòng)。 將圓波導(dǎo)半徑定為 ，圓波導(dǎo)長(zhǎng)度在 ~ mm范圍內(nèi)以步長(zhǎng) 進(jìn)行優(yōu)化。 在這里討論下為何波形在某些頻率會(huì)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(zhǎng)度與直徑。我們可以大膽猜想，如圖 35 所示圓波導(dǎo)的長(zhǎng)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(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求。 第 3 章 盒型輸出窗的模擬計(jì)算與分析 19 圖 33 l 步長(zhǎng)優(yōu)化 由上圖 33 可得在 mm? 處在中心頻率 315f GHz? 時(shí)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(jì)的基本方法為參照 1 章常規(guī)盒型輸出窗公式，運(yùn)用 Matlab 編程計(jì)算出設(shè)計(jì)所需參數(shù)后，運(yùn)用 CST 三維電磁仿真軟件，進(jìn)行模擬仿真，針對(duì)透射系數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，得到最佳模型。 第 3 章 盒型輸出窗的模擬計(jì)算與分析 17 第 3章 盒型輸出窗的模擬計(jì)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(yùn)用 Matlab、 CST 三維電磁仿真軟件進(jìn)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(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度即 22D a b?? (254) 本模型的重點(diǎn)是求圓波導(dǎo)的長(zhǎng)度。在采用三維電磁仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)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(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 1/2 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。 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(zhǎng)。 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。 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(chēng) 的 盒 型 窗 進(jìn) 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(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)。 課題的內(nèi)容 藍(lán)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(diǎn)。因此，在國(guó)內(nèi)開(kāi)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(duì)來(lái)說(shuō)，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。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。 2. 輸出窗窗片的幾何形狀和尺寸。圖 11 是一種常規(guī)圓盤(pán)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(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。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。 the influence of the parameter S21 by changing the construction of the window is discussed。盒型窗是將一個(gè)圓盤(pán)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。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。 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。 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(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。 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。微波管的微波輸出系統(tǒng)稱(chēng)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。 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。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。 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(jì)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(zhǎng)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(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。 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(chēng)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。 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(jiàn)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)。 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(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。 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 。 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。 為精確與便于 CST 仿真起見(jiàn)，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。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。從而得到較為平坦的波形，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)所需。 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。我們是先優(yōu)化半徑后確定長(zhǎng)度。透射系數(shù)如圖 31圖 314 所示。 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。 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小； 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。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。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(jiàn)最優(yōu)結(jié)構(gòu)波形平滑，也在所難免。 表 316 套用模型 S21 線(xiàn)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。從而節(jié)約優(yōu)化時(shí)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(jiàn)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(shuō)明效果取其波特圖如圖 325 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。是否經(jīng)濟(jì)并可行，需要就實(shí)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(cuò)誤和缺點(diǎn)，還望各位老師和專(zhuān)家不吝賜教 ，予以指正。 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。 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(jiàn)最優(yōu)結(jié)構(gòu)波形平滑，也在所難免。由于圓波導(dǎo)長(zhǎng)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(zhǎng)度 mm? ； 圓波導(dǎo) 半徑 2d mm?