【正文】 (1)The baseline fractional loss of the input/output waveguide transitions is approximately 30%. Peaks in the fractional loss are characteristic of resonant “ghost” modes that exist inside the window and have transverse structure similar to a circular waveguide mode but are below the cutoff frequency of the corresponding mode in empty waveguide。t=lmd0/sqrt(mur)/2syms l B1 xB0=2*g*sin(bt*l)*cos(bt*l)。b=*10^3。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)[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(xué)院,2005..5~8[2][D].成都:電子科技大學(xué),~11[3] 電子管設(shè)計(jì)手冊(cè)編輯委員會(huì). 大功率速調(diào)管設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:國防工業(yè)出版社,~173[[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(xué), ~12[6][R].北京：北京真空電子技術(shù)研究所,2006[7]錢麗君,等. 一種寬頻帶毫米圓波導(dǎo)輸出窗的研究[R].北京：中國電子科技集團(tuán)公司第十二研究所,2008[8][D].成都,電子科技大學(xué),~15[9][J], 機(jī)電部12所第十四屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集,1991,219.[10 ][J],電子學(xué)通訊，1982,16(7):112~114參考文獻(xiàn)致謝本論文是在導(dǎo)師張開春研究員的悉心指導(dǎo)與關(guān)切下完成的，每一部分工作都離不開導(dǎo)師的幫助。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?？梢酝ㄟ^增加網(wǎng)格加以進(jìn)一步優(yōu)化，但增加網(wǎng)格勢必會(huì)增加優(yōu)化時(shí)間，影響優(yōu)化工作進(jìn)度。取圓波導(dǎo)半徑，其透射系數(shù)波形如圖328所示。圖324 階段4，S21 波形很明顯，波形更佳平滑平坦，在中心頻率處衰減也更小。圖322 階段3，S21 波形可以明顯看出最優(yōu)波段帶寬進(jìn)一步展開，衰減也進(jìn)一步變小。下圖320為圓波導(dǎo)長度；圓波導(dǎo)半徑的透視系數(shù)線性波形。在得到較好效果后再進(jìn)一步優(yōu)化。并用CST建模得到透射系數(shù)S21在要求頻段波形如圖316所示。只好采用最為稀疏的網(wǎng)格進(jìn)行分析，以提高速度。氧化硼導(dǎo)熱性能好，但其硬度高，不易加工，且價(jià)格昂貴。容性損耗是有介質(zhì)的離子、分子與微波共振產(chǎn)生。場的不均勻性導(dǎo)致熱效應(yīng)的不均勻。本節(jié)我們將具體分析并設(shè)計(jì)半徑為3mm的藍(lán)寶石窗片非常規(guī)盒型輸出窗。證明了其確實(shí)可行。下面來驗(yàn)證以上確定模型的帶寬是否滿足設(shè)計(jì)要求。 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，長度。此時(shí)可以對(duì)進(jìn)行微調(diào)，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。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。雖在波段也有跳變，但繞開了中心頻率。由以上分析得，窗片尺寸已定。為給定條件。由上得非常規(guī)輸出窗已知參量：兩端矩形波導(dǎo)長寬高 ；窗片厚度：。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。如圖34所示為上述確定模型的波特圖。先將 由 以 為步長變化，用CST經(jīng)行優(yōu)化，主要觀測透射系數(shù) ，其結(jié)果如圖32所示。具體參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)：矩形波導(dǎo)尺寸為 ； 頻帶為； 中心頻率為 ； 藍(lán)寶石相對(duì)介電常數(shù)為 ； 通帶要求： ， ： 。Matlab程序見附錄一，如圖22即為所畫求解圖。矩形波導(dǎo)長度，理論上越長越接近實(shí)際，但用CST進(jìn)行結(jié)果仿真時(shí)，過長的話計(jì)算量過大，影響計(jì)算時(shí)間。（3）根據(jù)式（2218）和式（2219）求得介質(zhì)窗片引入的等效電容 以及矩形波導(dǎo)與圓波導(dǎo)連接處引入的電納 。在該結(jié)構(gòu)中，可以將窗片看作一段傳輸線，考慮對(duì)稱結(jié)構(gòu)，公式（222）可變?yōu)? 式中： ， ， 。（3） 矩形波導(dǎo)與圓波導(dǎo)連接時(shí)不連續(xù)處所引入的電納。對(duì)于對(duì)稱型常規(guī)盒型窗， ， ，由公式(222)求得傳輸矩陣的參數(shù) 分別為 對(duì)于互易無耗雙口網(wǎng)絡(luò)， ，入射功率 與輸出功率 之比為 根據(jù)駐波比與反射系數(shù) ，反射系數(shù)與L的關(guān)系，可求得駐波比與L的關(guān)系，即 由公式（229）可知，功率全部傳輸?shù)臈l件為 ，由公式（226）、（227），得 式中： 式（2210）的解為 由公式（2214）可求得獲得匹配要求的圓波導(dǎo)長度 。 圖21 盒型輸出窗等效電路圖 如圖11所示常規(guī)盒型輸出窗是在 單模工作的矩形波導(dǎo)中插入一段 單模傳輸圓波導(dǎo)，再在圓波導(dǎo)中間封接一片圓盤型窗片而構(gòu)成。2．討論一種非常規(guī)的盒型輸出窗模型，即窗片尺寸不等于圓波導(dǎo)尺寸。選用藍(lán)寶石作為窗片，對(duì)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(shí)窗片的直徑是決定輸出窗性能的重要因素之一。它將一個(gè)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(diǎn)，再進(jìn)入21世紀(jì)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(jì)算軟件進(jìn)行優(yōu)化模擬，分別分析了300GHz330GHz頻段的藍(lán)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57AbstractABSTRACTMicrowave 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(duì)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(shí)保證微波電真空器件內(nèi)部的氣密性。 圓波導(dǎo)矩形波導(dǎo) 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(jì)、工藝技術(shù)和窗片材料的制備都相當(dāng)成熟，對(duì)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(duì)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(jì)成大于 ，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(duì)該類微波輸出窗進(jìn)行進(jìn)一步研究和改進(jìn)，以提高它各方面的性能，如研制更新的窗片材料，設(shè)計(jì)跟合理的窗結(jié)構(gòu)，以提高它的高頻特性、機(jī)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(jī)制的主要課題。表31 藍(lán)寶石的物理性質(zhì) 比重（） 導(dǎo)熱系數(shù) 介電常數(shù)（ ）比熱（ 損耗角10 介電強(qiáng)度 電阻率 3980 40 48000 本文采用Matlab、CST三維計(jì)算軟件來計(jì)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(lán)寶石窗片，設(shè)計(jì)適合于300GHz傳輸?shù)暮行痛敖Y(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。一般常規(guī)輸出窗選擇圓波導(dǎo)的直徑等于矩形波導(dǎo)對(duì)角線的長度，即 也可根據(jù)特殊要求經(jīng)行合適的調(diào)節(jié)。（5）采用式（221）~式（228）求得輸出窗的駐波比—頻率特性，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)圓波導(dǎo)的長度進(jìn)行優(yōu)化。取中心頻率，真空中的波長為 窗片中的波長為 所以窗片厚度為 常規(guī)模型窗片直徑等于圓波導(dǎo)直徑。由以上分析的具體參數(shù)：矩形波導(dǎo)長寬高為 ； 窗片直徑等于圓波導(dǎo)直徑 ； 窗片厚度 ； 圓波導(dǎo)長度 經(jīng)行仿真優(yōu)化。其基本示意如圖31所示。計(jì)算結(jié)果如圖33所示。帶寬為約為，為。本文討論的非常規(guī)輸出窗為窗片直徑不等于圓波導(dǎo)直徑的情況。參考常規(guī)輸出窗的設(shè)計(jì)過程與分析結(jié)果。對(duì)得到模型經(jīng)行微調(diào)，確定最終模型。 圖37圓波導(dǎo)半徑優(yōu)化（ ）圖38 圓波導(dǎo)半徑優(yōu)化（ ）由圖3圖38 可見。綜合兩方面考慮，選擇作為圓波導(dǎo)半徑。參照常規(guī)輸出窗圓波導(dǎo)優(yōu)化方法。 圖310 圓波導(dǎo)長度優(yōu)化（，步長） 圖311 圓波導(dǎo)長度優(yōu)化（，步長） 由上圖可得在區(qū)間內(nèi)隨著 的增加。 圖312 圓波導(dǎo)結(jié)構(gòu)微調(diào)（，步長） 由上圖可以很明顯的看出，在 為最佳情況。在中心頻率處透射系數(shù)很平坦。它的作用是然電磁波無反射地通過它傳輸，僅有很小的插入損耗，并把超高真空與充氣狀態(tài)和大氣隔離開來。一般情況下窗片是直接焊接在無氧銅等金屬波導(dǎo)上。造成窗片的溫度局部增高而破損。輸出窗材料的選取主要賴于以下幾個(gè)方面： 有較高的介質(zhì)抗電強(qiáng)度； 介電常數(shù) 和損耗角正切盡可能??； 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。其他參數(shù)除窗片直徑外加以套用，由此可得：已知參量為:兩端矩形波導(dǎo)長寬高 ；窗片厚度：；窗片半徑：。因此完全不符合設(shè)計(jì)要求，為說明這種情況將S21裝換為如圖317所示，波形將更為明顯。下圖318為圓波導(dǎo)長度；圓波導(dǎo)半徑的透視系數(shù)線性波形。同時(shí)可以看出其帶寬有展寬的趨勢。圖323 階段3，S21 波形優(yōu)化進(jìn)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(lán)寶石窗片輸出窗最優(yōu)模型。圖327 驗(yàn)證2 S21波形同樣對(duì)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 ； 窗片半徑 ； 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(jì)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。另外還要感謝李亞韋同學(xué)，在本論文撰寫期間，一起討論一起請(qǐng)教老師，并給予作者無私的幫助與寶貴的意見，在此特別表示感謝。lmd0=c/f。B=B0。通過傳輸和反射測試顯示在中心頻率處最少25GHz帶寬內(nèi)回波損耗優(yōu)于20dB。這種結(jié)構(gòu)的響應(yīng)帶寬是窄帶的，因此不適應(yīng)要求傳輸帶寬 10%的寬頻放大器。這種輸出窗是為行波管放大器在頻帶 范圍內(nèi)輸出功率超過50W而設(shè)計(jì)的。圖1 （a）錐形輸出窗的幾何模型。陶瓷窗片本身的插入損耗被確定為＜，這個(gè)結(jié)果低于我們所設(shè)置的噪聲閥值。將此輸出窗作為輸出端是為了減小在放大器預(yù)設(shè)增益線高頻尾端的反饋震蕩。其中最起碼有30%的損耗是由于輸入/輸出波導(dǎo)過渡帶引起的。最終確定兩個(gè)窗的L值都在730–