【正文】 圖324。求其波特圖如圖323所示。需要進一步優(yōu)化。經(jīng)反復(fù)計算僅挑出以下具有階段性效果的圖進行說明。但在中心頻率處由于衰減過大，高頻時波形顯得雜亂無章。，此結(jié)構(gòu)主要分析參數(shù)也為圓波導(dǎo)直徑與長度。氧化鎂、陶瓷抗張強度低；溫度升高，損耗增大太快。由式（331）可以看出，介質(zhì)材料容性損耗的功率直接與介質(zhì)介電常數(shù)的虛部或損耗角正切成正比。當(dāng)它超過一定的限度時，產(chǎn)生的熱應(yīng)力會使窗片破裂，電子直接打在窗片上產(chǎn)生的二次電子發(fā)射，有時甚至形成電子倍增效應(yīng)。介質(zhì)材料的好壞、窗片的大小、焊接工藝等直接影響輸出窗的工作性能和使用壽命。如速調(diào)管的輸出窗，駐波加速管的輸出窗等。圖313 最終模型透射系數(shù)S21圖314 最終模型透射系數(shù) 可以很清楚的觀察到在 頻段，所確定的結(jié)構(gòu)波形與常規(guī)模型模型非常相似。為證明此結(jié)構(gòu)確實為最好結(jié)果，現(xiàn)在反過來，將長度定位，微調(diào)圓波導(dǎo)半徑，在 范圍內(nèi)以步長 最微調(diào)驗證，其結(jié)果如圖312所示。其效果如圖3圖311所示。 由以上分析可得，整個輸出窗參數(shù)，除圓波導(dǎo)長度未定外，其余參數(shù)全部確定。且在整個波段衰減較小。其結(jié)果如圖3圖38所示。得到滿意的窗函數(shù)波形后，再改變圓波導(dǎo)長度，使在要求頻段得到較好的帶寬。本節(jié)為說明此種結(jié)構(gòu)可行，并且使仿真優(yōu)化過程簡單迅速，給定窗片直徑為。要求對常規(guī)輸出窗結(jié)構(gòu)加以改變，以滿足要求。觀察此圖可知在頻率范圍范圍內(nèi)，滿足透射系數(shù)要求。所以在之間以步長為步長，進行優(yōu)化。其設(shè)計方法也較為成熟。 圖23 第一周期由圖33可得取零點時 的取值為，所以將 的值初步定位，再用CST進行優(yōu)化，確定最終模型。 工作頻段為，頻率過高，采用傳統(tǒng)的盒型輸出窗，為了獲得匹配，窗片厚度將變得很薄，影響窗片與盒框的封裝， 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。如果式（2214）不成立，應(yīng)重新選擇圓波導(dǎo)的直徑和窗片的厚度。根據(jù)以上理論，將盒型輸出窗的設(shè)計步驟總結(jié)如下（1）根據(jù)選定的矩形波導(dǎo)尺寸 ，確定圓波導(dǎo)的直徑 。連接處復(fù)數(shù)導(dǎo)納的電導(dǎo)部分為 實際上，此種連接的作用相當(dāng)于阻抗變換，其變換比恰等于特性阻抗之比。下面給出等效電路中各個參量的計算公式。2. 圓波導(dǎo)傳輸線。3．考慮到工程實際，所采用的窗片不可能太小。表31是藍寶石的主要物理性質(zhì)。今年來，國內(nèi)尖端電磁科技的發(fā)展，已隨世界潮流由傳統(tǒng)的厘米波進入微波領(lǐng)域，例如衛(wèi)星通信應(yīng)用、新型國防電子系統(tǒng)、太赫茲研究等。例如，速調(diào)管要就更高的峰值功率和平均功率、更寬的瞬時帶寬、跟高的轉(zhuǎn)換效率、更高的信噪比。通常輸出窗中方波導(dǎo)與圓波導(dǎo)之間的 ，方圓過渡的跳變不連續(xù)將引起并聯(lián)電感或電容的變化，波導(dǎo)蓋板的形狀則直接影響這種電納變化的大小和性質(zhì)。窗片的直徑過小，對傳輸高功率不利，同時矩形波導(dǎo)與圓波導(dǎo)的連接也不易做到寬帶匹配。窗片厚度和圓波導(dǎo)的長度（ ）的選擇則取決于工作頻率范圍和頻段寬度。輸出窗的雜模也是影響電真空器件正常工作的重要方面。微波電真空器件要能夠可靠運行，就需要高真空的內(nèi)部環(huán)境，輸出窗是解決高頻能量輸出和維持器件本身高真空性能之間的相互矛盾而出現(xiàn)的，即在高頻輸出端不但需要將高頻功率傳送出去，同時還要使器件保持良好的氣密性。同時，采用現(xiàn)有半徑為3mm的藍寶石窗片，設(shè)計適合與300GHz的盒型窗結(jié)構(gòu)并模擬優(yōu)化。并對非常規(guī)輸出窗模型的輸出特性與各種結(jié)構(gòu)參量的關(guān)系進行了優(yōu)化模擬，討論了該輸出窗結(jié)構(gòu)變化對其輸出特性的影響，得到理論上的最優(yōu)模型參數(shù)。輸出窗是伴隨著微波電真空器件的出現(xiàn)而誕生的，是大功率微波電真空器件、加速器和其他大功率微波電子系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，對器件和系統(tǒng)的容量、高頻特性、可靠性和壽命具有重要影響。圓柱盒型窗的連續(xù)波功率容限問題是電真空器件峰值功率和平均功率進一步提高的制約因素。通常矩形波導(dǎo)的尺寸是根據(jù) 單模工作的頻率范圍采用標(biāo)準波導(dǎo)，而圓波導(dǎo)段直徑 則依據(jù)輸出微波功率和高頻場強強度大小及 單模工作的頻率范圍選則確定，通常情況下圓波導(dǎo)直徑 與矩形波導(dǎo)的對角線近似相等，俗稱“對角窗”。由于窗片焊接在圓波導(dǎo)中，如果窗片的直徑過大，則圓波導(dǎo)的直徑也相應(yīng)變大，高次摸不容易截止。4. 輸出窗中矩形波導(dǎo)與圓波導(dǎo)的連接處的波導(dǎo)蓋板的形狀將影響輸出窗的帶寬。但是隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，各個領(lǐng)域?qū)ξ⒉娬婵掌骷男阅芴岢隽烁叩囊螅龃暗念l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一步發(fā)展。因此，自主研發(fā)及制造能力的建設(shè)，非常重要。本文采用藍寶石窗片，嘗試改變輸出窗圓波導(dǎo)的尺寸、窗片的直徑來改善輸出窗的性能，希望在頻段 范圍內(nèi)得到較寬的帶寬。運用CST三維計算軟件予以優(yōu)化，得到滿足所要求帶寬與衰減的模型。整個傳輸線可以分為以下幾部分：1. 矩形波導(dǎo)與圓波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換部分。由上式可以看出，在要求的頻率點上，存在完全匹配的條件為 當(dāng)輸入和輸出波導(dǎo)的幾何尺寸確定后，應(yīng)選擇適合的圓波導(dǎo)直徑、窗片材料（介電常數(shù)）和厚度，使方程式（2215）的條件滿足。將矩形波導(dǎo)與圓波導(dǎo)相連的情況等效為兩矩形波導(dǎo)僅在 平面內(nèi)截面變化的情況，因為圓波導(dǎo)的直徑選為等于矩形波導(dǎo)的對角線，由于波導(dǎo)由方變圓而造成的寬邊尺寸變化所引入的感性電抗遠比窄邊尺寸變化引入的容性電抗小，故突變點電抗部分是容性的，歸一化電納 為 式中： ； ； 為矩形波導(dǎo)窄邊尺寸； 為圓波導(dǎo)直徑； 為矩形波導(dǎo)的波導(dǎo)波長； 為矩形波導(dǎo)傳播常數(shù)， 。傳輸線矩陣其他的個元素分別為 對于中心頻率，當(dāng) 時，式（231）變?yōu)? 由上式求得傳輸矩陣各元素為 類似于薄窗結(jié)構(gòu)，由無反射條件求得圓波導(dǎo)段的長度 ，即 式中： 。（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 。兼顧兩方面因素將其定為。 圖22 全圖 由圖22可以看出 的值相對于 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)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。 圖32 步長優(yōu)化由上圖32可見在到間在中心頻率處可能會出現(xiàn)最好透射系數(shù)。 圖34常規(guī)盒型窗最終模型 為求出帶寬將上圖放大，只取范圍，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；圓波導(dǎo)直徑；圓波導(dǎo)長度。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，分別將在和進行步長為的優(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。 藍寶石窗片非常規(guī)盒型輸出窗設(shè)計輸出窗是在一段波導(dǎo)管中焊接絕緣介質(zhì)片 ，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： 式中為角頻率、是介質(zhì)復(fù)介電常數(shù)的虛部、是損耗角正切、 為介質(zhì)窗片內(nèi)的總電場、包括行波場和駐波場。陶瓷介電常數(shù)偏大，無法匹配。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。他對工作一絲不茍的精神，對同學(xué)坦誠親切的態(tài)度，感染和鼓勵著我，使我在學(xué)習(xí)的道路上不斷前進。f=315*10^9。C0=2*B1*(cos(bt*l).^2)+2*B1*(sin(bt*l).^2)+2*(B1.^2*g1/g)*sin(bt*l)*cos(bt*l)。 they are thus trapped in the vicinity of the window and evanesce into the waveguide on either side. Ghost mode resonances associated with perturbations such as offset or tilt misalignment of the window disk, nonuniformity of the window edge metallization/braze, or nonuniformity of the dielectric material can also be excited by waveguide propagating modes. Three ghost modes observed near 200–210 GHz and one near 230 GHz are TE41?, TE12?, TM11?, and TE51?like modes, respectively, and were intentionally moved outside our operating band in thedesign.An extended interaction klystron was used to test windows at W, 100% duty at 218 GHz for several minutes. No pulse distortion or reflection that would indicate breakdown was observed during the highpower testing.Fig. 3. Measured fractional power loss of (a) input window and (b) output window. The baseline 30%loss is due to the input/output waveguide transitions.Fig. 4. S11 measurements of output window during tuning procedure, between lapping operations.B. Window TuningThe window response was tuned by lapping the copper cylinder piece on each end face to adjust the circular waveguide length L, which was initially fabricated oversized to allow tuning. This was done prior to taking the final coldtest data shown in Fig. 2. Fig. 4 shows the S11 of the output window during the tuning procedure, measured between lapping operations. Each lapping removed ～10–30 μm of copper from one end of the cylinder, and lapping was alternated between the two ends to maintain symmetry. For this particular window, the tuning procedure widened the pass band by 15 GHz and improved reflection by 15 dB over the band in parison to the initially fabricated piece. The final L values for the two windows were in the range of 730–870 μm.III. CONCLUSIONThis brief has presented measurements of broadband pillbox vacuum windows that transmit mmW in the range of 210–235 GHz. Our coldtest data and simulations demonstrate systematic tuning of each window after fabrication t