【正文】 半徑 2d mm? 的透視系數(shù)線性波形。同時可以看出其帶寬有展寬的趨勢。 圖 323 階段 3， S21()dB 波形 優(yōu)化進步效果非常明顯，可以猜想最優(yōu)效果就在其附近。由此確定半徑 3mm 藍寶石窗片輸出窗最優(yōu)模型。 圖 327 驗證 2 S21 波形 同樣對比圖 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。具體參數(shù)如下： 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?? ； 窗片半徑 3mm ； 窗片厚度 ； 圓波導(dǎo)長度 ； 圓波導(dǎo)半徑 。 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。造成原因可能是網(wǎng)格太稀疏，出現(xiàn)計算誤差，也可能是模型參數(shù)不夠精確 。 利用盒型輸出窗的模型，主要通 過 CST 軟件的仿真與優(yōu)化，分別設(shè)計了常規(guī)型、窗片直徑略大于矩形波導(dǎo)對角線、窗片直徑遠大于矩形波導(dǎo)對角線 三種盒型輸出窗。 結(jié)果分析討論 為說明此種最優(yōu)模型確實可行，并滿足設(shè)計技術(shù)指標，將圖 325 最優(yōu)模型波特圖放大，取其 21 dB?? 部分并計算其帶寬，其結(jié)果如圖 328 所示。 結(jié)構(gòu)證明 上述優(yōu)化過程，為經(jīng)多次假設(shè)仿真 所得，為證明其確實為最優(yōu)模型。下一步工作主要目的為移除中心頻率附近處波谷，所以可通過改變圓波導(dǎo)半徑加以實現(xiàn)。 圖 321 階段 2， S21()dB 波形 通過上圖可以很明顯的看出，如果將在 中心頻率 315f GHz? 處的波谷移除，則設(shè)計基本可以滿足要求。如圖 319 將其 S21 用波特圖表示效果更佳明顯。所以可知隨著窗片尺寸的變化，圓波導(dǎo)尺寸也應(yīng)相應(yīng)加以改變以滿足設(shè)計要求。 下面開始具體分析。 但 節(jié)通過實驗的方法證明了此種非常規(guī)盒型輸出窗的可行性。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。 39。對于電容率較小的介質(zhì)材料可以忽略介質(zhì)內(nèi)載流子運動產(chǎn)生的傳導(dǎo)損耗。 在高頻場的直接 照射下，介質(zhì)片會因高頻損耗而產(chǎn)生大量熱量。所以為進一步提高盒型輸出窗的工作效率，設(shè)計出非常規(guī)的盒型窗，以滿足要求 并將其應(yīng) 用到工程實際。 圖 315 最終模型透射系數(shù) ( ) 21 S dB?? 觀察上圖可得在頻段 3 0 9 .5 ~ 3 1 8 .5G H z G H z 時滿足技術(shù)指標。 通過以上反復(fù)驗證與優(yōu)化 ，最終確定這種非常規(guī)輸出窗的最終結(jié)構(gòu)。但在 0 .2 6 ~ 0 .2 7l m m m m? 時波型在低頻出波動較大，性質(zhì)不穩(wěn)定。其結(jié)果如圖 39 所示。由于盒型輸出窗結(jié)構(gòu)的限制，使得輸出窗在某些頻率處出現(xiàn)諧振，從而導(dǎo)致在頻率處反射系數(shù)非常大。圖 38 結(jié)果明顯優(yōu)于圖 37 結(jié)果。從而由此指導(dǎo)實際工程這種非常規(guī)輸出窗的設(shè)計。優(yōu)化過程可以先確定窗函數(shù)波形，后調(diào)節(jié)中心頻率，使優(yōu)化過程盡量簡潔。 第 3 章 盒型輸出窗的模擬計算與分析 21 圖 36 非常規(guī)盒型輸出窗示意圖 頻帶要求范圍為 300 ~ 330GHz GHz，由于頻率過高，仍然采用后窗結(jié)構(gòu)，窗片厚度保持不變。 所以求討論，本常規(guī)盒型輸出窗模型，確實可行。所以取圓波導(dǎo)長度為 。 具體參數(shù)如 節(jié)所求：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 D mm?? ； 窗片厚度 mm? ； 圓波導(dǎo)長度 l 經(jīng)行仿真優(yōu)化。 藍寶石 [7] 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。找到合適的圓波導(dǎo)長度，使得盒型窗等效電路傳輸矩陣 ABCD?????? 中 BC? ,即使盒型窗工作在匹配狀態(tài)，得到最好的透射效第 2 章 盒型輸出窗的理論分析 15 果。 常規(guī)輸出窗基本參數(shù)的計算 常規(guī)對稱盒型輸出窗的參數(shù)有： 矩形波導(dǎo)尺寸； 電子科技大學學士學位論文 14 窗片厚度 t ，直徑 d ； 圓波導(dǎo)直徑 D，厚度 l 。對于高平均功率和高頻率的輸出窗，為了提高熱容量，采用導(dǎo)熱性能好的材料。此外 ，采用厚窗結(jié)構(gòu)，對于某些強度較低，但導(dǎo)熱性能好的陶瓷材料 [6] ，可以在提高功率容量的同時，增加其強度。 從式（ 2218）求出 cB 是對圓波導(dǎo)特性導(dǎo)納歸一化的值。一般常用的是兩邊對稱的盒型窗。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。并運用 CST 予以仿真。選用藍寶石作為窗片，對展帶寬和降低損耗具有積極的作用。 高功率微波研究在科技、工業(yè)及國防各反面均有重要地位，而高功率微波源在高功率微波系統(tǒng)中，屬于 最關(guān)鍵的組件。 目前，普通盒型輸出窗得到了比較好的應(yīng)用。在微波波段常用的輸出窗窗片材料有氧化鋁、氧化鈹、氮化硼等。輸出窗可以選擇為圓盤狀，即普通盒型輸出窗，也可以是其他形狀，這時窗片的直徑是決定輸 出窗性能的重要因素之一。它將一個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。同軸輸出窗適用于工作波長長的管子，其頻帶寬、工藝簡單，但承受的功率容量不如盒型窗大。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，再進入 21 世紀的今天，仍然是一種不可替代的微波功率源。本文基于盒型輸出窗模型，采用 matlab、 cst 三維計算軟件進行優(yōu)化模擬，分別分析了 300GHz330GHz 頻段的藍寶石窗片 常規(guī)輸出窗與非常規(guī)輸出窗 。 關(guān)鍵字 ： 盒型窗 ,太赫茲輸出窗，非常規(guī)輸出窗ABSTRACT II ABSTRACT Microwave 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。 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。 大功率輸出窗對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保證微波電真空器件內(nèi)部的氣密性。 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、工藝技術(shù)和窗片材料的制備都相當成熟，對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。一般選取圓波導(dǎo)的直徑等于矩形波導(dǎo)截面的對角線。有的輸出窗為減弱電場在該連續(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)計成大于 90 ，以減少垂直窗片表面的電場分量的大小，降低輸出窗隨壞幾率。為此，人們對該類微波輸出窗進行進一步研究和改進，以提高它各方面的性能，電子科技大學學士學位論文 4 如研制更新的窗片材料，設(shè)計跟合理的窗結(jié)構(gòu)，以提高它的高 頻特性、機械性能和氣密性能，降低它的介質(zhì)損耗等。 微波源是微波系統(tǒng)的核心，也是研究新型輻射機制的主要課題。表 31 是藍寶石的主要物理性質(zhì)。 3．考慮到工程實際，所采用的窗片不可能太小。 2. 圓波導(dǎo)傳輸線。 下面給出等效電路中各個參量的計算公式。 連接處復(fù)數(shù)導(dǎo)納的電導(dǎo)部分為 bG d? (2220) 實際上，此種連接的作用相當于阻抗變換，其變換比恰等于特性阻第 2 章 盒型輸出窗的理論分析 11 抗之比。 2 。 （ 3）根據(jù)式（ 2218）和式（ 2219）求得介質(zhì)窗片引入的等效電容 cB 以及矩形波導(dǎo)與圓波導(dǎo)連接處引入的電納 1B 。 矩形波導(dǎo)長度 k ，理論上越長越接近實際，但用 CST 進行結(jié)果仿真時，過長的話計算量過大，影響計算時間。 Matlab 程序見附錄一，如圖 22 即為所畫求解圖。 具體參數(shù)與技術(shù)指標：矩形波導(dǎo)尺寸為 m m m? ； 頻帶為 300 ~ 330GHz GHz； 中心頻率為 315GHz ； 藍寶石相對介電常數(shù)為 9r?? ； 通帶要求： 21 dB?? ， f ： 5%~10% 。 先 將 l 由 ~ mm以 為步長變化，用 CST 經(jīng)行優(yōu)化，主要觀測透射系數(shù) 21S ，其結(jié)果如圖 32 所示。如圖 34 所示為上述確定模型的波特圖。 非常規(guī)輸出窗理論分析 由以上分析可得常規(guī)輸出窗具有很好的透射特性，且結(jié)構(gòu)簡單。 由上得 非常規(guī)輸出窗 已知 參量： 兩端矩形波導(dǎo)長寬高 0 . 7 1 1 0 . 3 5 5 0 . 5a b k m m m m m m? ? ? ? ? ； 窗片厚度： 。 為給定 條件。 圓波導(dǎo) 直徑 的優(yōu)化 由以上分析得，窗片尺寸已定。 mm? ，雖在 300 ~ 330GHz GHz波段也有跳變，但繞開了中心頻率。但這種情況是我們說不 愿看到的，我們可以通過改變圓波導(dǎo)的直徑與長度，使其諧振頻率繞開要求所在頻段。此時可以對 l 進行微調(diào)，以達到設(shè)計要求。 電子科技大學學士學位論文 26 結(jié)構(gòu)微調(diào)驗證 由以上分析可得出非常規(guī)輸出窗基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，得出主要優(yōu)化參數(shù)圓波導(dǎo)半徑 mm? ，長度 mm? 。下面來 驗證以上確定模型的帶寬是否滿足設(shè)計要求。證明了其確實可行。本節(jié)我們將具體分析 并 設(shè)計半徑 為 3mm 的藍寶石窗片非常規(guī)盒型輸出窗。 場的不均勻性導(dǎo)致熱效應(yīng)的不均勻。容性損耗是有介質(zhì)的離子、分子與微波共振產(chǎn)生。 輸出窗材料的選取主要賴于以下幾個方面： 有較高的介質(zhì)抗電強度； 介電常數(shù) 39。氧化鎂、 2ZrO 陶瓷抗張 強度低；溫度升高，損耗增大太快。只好采用最為稀疏的網(wǎng)格進行分析，以提高速度。 并用 CST 建模得到透射系數(shù) S21 在要求頻段 300 ~ 330GHz GHz波形如圖 316 所示。在得到較好效果后再進一步優(yōu)化。 下圖 320 為 圓 波導(dǎo)長度 mm? ； 圓波導(dǎo) 半徑 3d mm? 的透視系數(shù)線性波形。 圖 322 階段 3， S21 波形 第 3 章 盒型輸出窗的模擬計算與分析 35 可以明顯看出最優(yōu)波段帶寬進一步展開，衰減也進一步變小。 圖 324 階段 4， S21 波形 電子科技大學學士學位論文 36 很明顯，波形更佳平滑平坦，在中心頻率處衰減也更小。 取圓波導(dǎo)半徑 mm? ，其透射系數(shù)波形如圖 328 所示?？梢酝ㄟ^增加網(wǎng)格加以進一步優(yōu)化，但增加網(wǎng)格勢必會增加優(yōu)化時間，影響優(yōu)化工作進度。 具體猜想為窗片半徑主要影響波形如畸變、波峰、波谷、諧振頻率等；窗片長度則主要影響波形相位如中心頻率等。 電子科技大學學士學位論文 40 參考文獻 [1]王瑞敏 . 一種圓錐形陶瓷微波輸出窗的模擬分析 [D].北京 :中國科學院 ,2020..5~8 [2]朱志斌 .S 波段波導(dǎo)窗的理論研究和設(shè)計 [D].成都 :電子科技大學 ,~11 [3] 電子管設(shè)計手冊編輯委員會 . 大功率速調(diào)管設(shè)計手冊 [M]. 北京 :國防工業(yè)出版社 ,~173 [4 丁耀根 .大功率速調(diào)管的理論與計算模擬 [M].北京：國防工業(yè)出版社 ,~388 [5]彭洋 . 具有截止圓波導(dǎo)的盒型窗的研究 [D].成都 :電子科技大學 , ~12 [6]高隴橋 .