【正文】 盒型窗結(jié)構(gòu)較為固定，由以上分析可知需要優(yōu)化的參數(shù)僅為圓波導(dǎo)長度 l 。常規(guī)盒型窗模型參數(shù)全部確定。 具體參數(shù)：矩形波導(dǎo)長寬高為 0 .7 1 1 0 .3 5 5 0 .5m m m m m m?? ； 窗片直徑等于圓波導(dǎo)直徑 為 ； 窗片厚度 ； 圓波導(dǎo)長度 。因而通過改變圓波導(dǎo)直徑 、圓波導(dǎo)長度、窗片直徑這三個量來得到較好的透射特性。所以 非常規(guī)輸出窗的設(shè)計步驟如下所示。 需要指出非常規(guī)輸出窗，并非其上一種模型。 在圖 38 中 mm? 時帶寬較寬，波形也比較平坦，但在中心頻率處出現(xiàn)波谷，是我們不愿看到的。但其諧振特性很不穩(wěn)定，頻率稍加變化就停止。 300 310 320 3300 .00 .51 .0S21（幅度）f (G H z ) d =0 . 2 mm d =0 . 3 mm d =0 . 4 mm d =0 . 5 mm 圖 39 圓波導(dǎo)長度優(yōu)化（ ~ mm mm? ，步長 ） 可以很明顯的發(fā)現(xiàn)，在 mm? 時波形最為平坦，且?guī)捿^寬?？傻贸鲈? mm? 時波形穩(wěn)定，且窗函數(shù)中心頻率最接近波段中心頻率。即為： 具體參數(shù)：矩形波導(dǎo)長寬高為 0 .7 1 1 0 .3 5 5 0 .5m m m m m m?? ； 窗片直徑 ； 窗片厚度 ； 圓波導(dǎo)長度 ； 圓波導(dǎo)直徑 。其 30%f ? ，很好的滿足設(shè)計要求。 第 3 章 盒型輸出窗的模擬計算與分析 29 以上分析僅證明了這種非常規(guī)盒型輸出窗的可行性。窗片的冷卻是輸出窗的重大問題。在窗片與波導(dǎo)焊接處歐姆電阻較大的情況下會產(chǎn)生較大的 傳導(dǎo)損耗。r tg? ? ?? 是介質(zhì)復(fù)介電常數(shù)的虛部、 tg? 是損耗角正切、 wE 為介質(zhì)窗片內(nèi)的總電場、包括行波場和駐波場。氧化硼導(dǎo)熱性能好，但其硬度高，不易加工，且價格昂貴。下面將參考 節(jié)設(shè)計步驟設(shè)計窗片半徑為 3mm 的盒型輸出窗。 原 模型套用 由 節(jié)得到的非常規(guī)盒型輸出窗模型與本模型基本相同，差異點僅為窗片半徑，并且優(yōu)化得到了圓波導(dǎo)的尺寸很好的滿足了設(shè)計要求。 圖 317 套用模型 S21()dB 波形 優(yōu)化過程 由于本模型網(wǎng)格過多，用 CST 采用常用的逐漸改變某一參數(shù)數(shù)值，經(jīng)行優(yōu)化，計算速度將非常緩慢，優(yōu)化過程將更加緩慢。 圖 319 階段 1， S21()dB 波形 因此可以進一步在其基礎(chǔ) 上對圓波導(dǎo)參數(shù)加以微調(diào)，將透射效果較好的波段帶寬變寬，并移動其中心頻率。所以需進一步優(yōu)化。經(jīng)反復(fù)計算與猜想，將圓波導(dǎo)長度定為 mm? ； 圓波導(dǎo) 半徑定位 mm? 。在最優(yōu)結(jié)構(gòu)附近改變圓波導(dǎo)半徑，觀察其波形效果。 圖 328 最終模型透射系數(shù) ( ) 21 S dB?? 電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 38 可以看出在頻段 309 ~ H z G H z附近滿足設(shè)計指標，且 30%f ? ，很好的滿足要求。 并且 設(shè)計結(jié)果很好的滿足了所要求技術(shù)指標。 對應(yīng)改善方法為增加網(wǎng)格數(shù)和在參數(shù)更小數(shù)量級下進行優(yōu)化。 具體對應(yīng)關(guān)系式與猜想正確性需進一步研究得到。 綜上分析得出所在頻段半徑為 3mm 藍寶石窗片非常規(guī)盒型輸出窗的最佳模型。 取圓波導(dǎo)半徑 mm? ，其透射系數(shù)波形如圖 327 所示。 圖 325 階段 4， S21()dB 波形 由上圖 對比圖 3圖 324，可見上圖與 節(jié)與 節(jié)所求最優(yōu)模型波形非常相似。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。 與 節(jié)相同，此結(jié)構(gòu)主要分析參數(shù)也為圓波導(dǎo)直徑 D 與長度 l 。藍寶石（ 23100%Al O 單晶）介質(zhì)損耗很小，機械強度高，可以加工成 厚的高精度氣密薄片 ，密度大，無空隙和晶界玻璃物質(zhì)，顯微結(jié)構(gòu)均勻致密，因此在高功率電平下不易產(chǎn)生熔融擊穿，使用溫度高，可以承受焊接與真空排氣時的高溫。 總的來說，輸出窗的介質(zhì)材料要求苛刻。39。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) 21( )S dB 電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 28 可以很清楚的觀察到在 300 ~ 330GHz GHz 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 mm? ，微調(diào)圓波導(dǎo)半徑，在0 .7 1 ~ 0 .7 9l m m m m? 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。 電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 24 圓波導(dǎo)長度的優(yōu)化 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。 窗片 圓波導(dǎo) 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 22 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 310 ~ H z G H z范圍 內(nèi)，滿足透射系數(shù)要求。所以在 ~ mm之間以步長 為步長，進行優(yōu)化。其設(shè)計方法也較為成熟。 電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4 4 . 5 5x 1 04 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 23 BC? 第一周期 由圖 33 可得取零點時 l 的取值為 0 .2 , 0 .2 3 , 0 .2 8 , 0 .4 7m m m m m m m m，所以將 l 的值初步定位 ~ mm，再用 CST 進行優(yōu)化，確定最終模型 。 窗片尺 寸 工作頻段為 300 ~ 330GHz GHz，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，由 分析得采用窗片厚度 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。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。 盒型輸出窗的設(shè)計步驟 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 ab? ，確定圓波導(dǎo)的直徑 D 。在算出圓波導(dǎo)長度 l 以后，可以核算頻寬。 矩形波導(dǎo)的等效阻抗 12 2121cbZZa????????????? (2216) 圓波導(dǎo)的等效阻抗 0 2021cZ???????????? (2217) 式中： ? 為自由空間的磁導(dǎo)率； ? 為自由空間的介電常數(shù)； ? 為自由空間波長； 0c? 為圓波導(dǎo)截止波長； 1c? 為矩形波導(dǎo)截止波長； ,ab 為矩形波導(dǎo)寬邊和窄邊的尺寸。 把整個真?zhèn)€盒型窗看作一個無耗四端口網(wǎng)絡(luò)。 電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 第 2章 盒型輸出窗 的 理論分析 引言 輸出窗不僅是讓高頻能量盡力無反射、無損耗的通過，而且要保持微波電真空器件內(nèi)部處于高真空狀態(tài)。并應(yīng)用于工程實際。 本文主要討論一種非常規(guī)的盒型輸出窗，改變窗片與變換階段圓波導(dǎo)的尺寸。目前，國外輸出窗的峰值功率可達到 [2]100MW ，平均功率可達上百千瓦。焊料流散不好將使窗片和圓波導(dǎo)連續(xù)不均勻，引起不同頻率波的駐波特性變化不連續(xù)或增加介質(zhì)損耗。輸出窗的窗片也可以為球冠狀、圓錐形或其他形狀，它的結(jié)構(gòu)如何選取主要決定于輸出微波功率、頻率、頻帶寬度和匹配性能。若 12ll? ，即輸出窗為對稱窗 ，這時通常輸出窗兩端采用尺寸相同的矩形波導(dǎo)，這種輸出窗的頻帶較寬，是比較常用的一種輸出窗結(jié)構(gòu)。 盒型 輸出窗 研究現(xiàn)狀 盒型窗與其他形式的微波窗相比，結(jié)構(gòu)簡單，功率容量大，工藝上易于實現(xiàn)，同時具有較寬的帶寬。這種窗的優(yōu)點是承受的功率容量大，頻帶寬，結(jié)構(gòu) 簡單，在工藝上也比較成熟，但結(jié)構(gòu)的跳變過度引起傳輸高頻場的畸變并可能形成某些特定頻率的諧振。 finally, the optimal theoretical model parameters is obtained. And, Using actual radius of 3 mm sapphire window, design the window for 300GHz and simulate the consequence. Key Words: Box Type Window, Output Window Of THz, Irregular Type Window.目錄 III 目錄 第一章 引言 ..................................................................................................................1 課題背景 .............................................................................................................1 盒型輸出窗研究現(xiàn)狀 .........................................................................................2 研究輸出窗的目的和意義 .................................................................................4 課題的內(nèi)容 .........................................................................................................4 第 2 章 盒型輸出窗的理論分析 ..................................................................................6 引言 .....................................................................................................................6 常規(guī)盒型輸出窗等效電路理論分析 .................................................................6 高頻厚窗結(jié)構(gòu)分析 ............................................................................................ 11 盒型輸出窗的設(shè)計步驟 ....................................................................................13 常規(guī)輸出窗基本參數(shù)的計算 ............................................................................13 第 3 章 盒型輸出窗的模擬計算與分析 ....................................................................17 常規(guī)盒型輸出 窗的設(shè)計 ....................................................................................17 CST 模型優(yōu)化 ...........................................................