【正文】 最終確定兩個(gè)窗的L值都在730–870 。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(xiàn)高頻尾端的反饋震蕩。圖1 （a）錐形輸出窗的幾何模型。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。B=B0。另外還要感謝李亞韋同學(xué)，在本論文撰寫(xiě)期間，一起討論一起請(qǐng)教老師，并給予作者無(wú)私的幫助與寶貴的意見(jiàn)，在此特別表示感謝。具體參數(shù)如下：具體參數(shù)：矩形波導(dǎo)長(zhǎng)寬高為 ； 窗片半徑 ； 窗片厚度 ； 圓波導(dǎo)長(zhǎng)度； 圓波導(dǎo)半徑。由此確定半徑3mm藍(lán)寶石窗片輸出窗最優(yōu)模型。同時(shí)可以看出其帶寬有展寬的趨勢(shì)。因此完全不符合設(shè)計(jì)要求，為說(shuō)明這種情況將S21裝換為如圖317所示，波形將更為明顯。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。造成窗片的溫度局部增高而破損。它的作用是然電磁波無(wú)反射地通過(guò)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(kāi)來(lái)。 圖312 圓波導(dǎo)結(jié)構(gòu)微調(diào)（，步長(zhǎng)） 由上圖可以很明顯的看出，在 為最佳情況。參照常規(guī)輸出窗圓波導(dǎo)優(yōu)化方法。 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(jiàn)。參考常規(guī)輸出窗的設(shè)計(jì)過(guò)程與分析結(jié)果。帶寬為約為，為。其基本示意如圖31所示。取中心頻率，真空中的波長(zhǎng)為 窗片中的波長(zhǎng)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。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(xiàn)的長(zhǎng)度，即 也可根據(jù)特殊要求經(jīng)行合適的調(diào)節(jié)。（1） 矩形波導(dǎo)和圓波導(dǎo)的等效阻抗。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。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。有的輸出窗為減弱電場(chǎng)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(chǎng)分量的大小，降低輸出窗隨壞幾率。 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(wú)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。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。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。同軸輸出窗適用于工作波長(zhǎng)長(zhǎng)的管子，其頻帶寬、工藝簡(jiǎn)單，但承受的功率容量不如盒型窗大。輸出窗可以選擇為圓盤(pán)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。目前，普通盒型輸出窗得到了比較好的應(yīng)用。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。 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(pán)型窗片而構(gòu)成。（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。（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 。Matlab程序見(jiàn)附錄一，如圖22即為所畫(huà)求解圖。先將 由 以 為步長(zhǎng)變化，用CST經(jīng)行優(yōu)化，主要觀(guān)測(cè)透射系數(shù) ，其結(jié)果如圖32所示。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(jiǎn)單。為給定條件。雖在波段也有跳變，但繞開(kāi)了中心頻率。此時(shí)可以對(duì)進(jìn)行微調(diào)，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。下面來(lái)驗(yàn)證以上確定模型的帶寬是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。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。容性損耗是有介質(zhì)的離子、分子與微波共振產(chǎn)生。只好采用最為稀疏的網(wǎng)格進(jìn)行分析，以提高速度。在得到較好效果后再進(jìn)一步優(yōu)化。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(kāi)，衰減也進(jìn)一步變小。取圓波導(dǎo)半徑，其透射系數(shù)波形如圖328所示。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(zhǎng)度則主要影響波形相位如中心頻率等。b=*10^3。 solid black line) HFSS simulation results show optimized window designs based on the measured window thicknesses.Fig. 3 shows the fractional power loss of the input and output windows, calculated from the measured plex Sparameter data asFL=1?Re(S11)2?Im(S11)2?Re(S21)2?Im(S21)2. (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。加膜窗片是替代錐形輸出窗的更高端潛在毫米波設(shè)備，但它的制備可能帶來(lái)其他制作工藝方面的挑戰(zhàn)。在140~325GHz頻段的測(cè)量是用兩個(gè)毫米波鏡片完成的，一個(gè)在WR5波段（140~220GHz）一個(gè)在WR3波段（220~325GHz）。圖2 (a)輸入窗S21與S22（b）輸出窗S21與S22。但是我們還是不希望同一規(guī)格的窗片介質(zhì)材料會(huì)有所不同。圖4 在優(yōu)化過(guò)程中測(cè)量出的輸出窗參數(shù)S21通過(guò)在兩個(gè)端面研磨銅管以調(diào)節(jié)圓波導(dǎo)長(zhǎng)度L來(lái)優(yōu)化窗的響應(yīng)，為允許優(yōu)化最初焊接較大尺寸的L。用下面B部分所描述的優(yōu)化過(guò)程，輸出窗可以做到最優(yōu)化的諧振特性，在20GHz帶寬內(nèi)得到 20dB的反射效果。輸入和輸出端口是標(biāo)準(zhǔn)WR4波導(dǎo)（ ）。索引詞大功率放大器，毫米波設(shè)備，毫米波測(cè)量微波電真空器件要想正常傳輸微波，需要輸出窗作為隔離高真空區(qū)域的電子束與管外大氣環(huán)境的分界面。 %矩形波導(dǎo)截止波長(zhǎng)TE11bt=2*pi/lmd0。對(duì)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(jí)下進(jìn)行優(yōu)化。圖328 最終模型透射系數(shù)可以看出在頻段附近滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)，且，很好的滿(mǎn)足要求。經(jīng)反復(fù)計(jì)算與猜想，將圓波導(dǎo)長(zhǎng)度定為；圓波導(dǎo)半徑定位。圖319 階段1，S21 波形因此可以進(jìn)一步在其基礎(chǔ)上對(duì)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(dòng)其中心頻率。 ，差異點(diǎn)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(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求?，F(xiàn)在使用的介質(zhì)材料最常見(jiàn)的有純度為和的陶瓷，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。窗片的冷卻是輸出窗的重大問(wèn)題。其，很好的滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。可得出在 時(shí)波形穩(wěn)定，且窗函數(shù)中心頻率最接近波段中心頻率。但其諧振特性很不穩(wěn)定，頻率稍加變化就停止。需要指出非常規(guī)輸出窗，并非其上一種模型。因而通過(guò)改變圓波導(dǎo)直徑、圓波導(dǎo)長(zhǎng)度、窗片直徑這三個(gè)量來(lái)得到較好的透射特性。常規(guī)盒型窗模型參數(shù)全部確定。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。由于常規(guī)輸出窗結(jié)構(gòu)較為固定，參考 ，其設(shè)計(jì)重點(diǎn)主要為圓波導(dǎo)長(zhǎng)度與窗片厚度的確定。 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 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。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。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)。而國(guó)內(nèi)的輸出窗的峰值功率可達(dá)，其平均功率一般在十幾千瓦。3. 窗片材料的選用。此外在結(jié)構(gòu)上便于加水套通水冷卻，故近年來(lái)已成為高功率微波器件的常用輸出窗形式。 20 20 22 23 25 26 藍(lán)寶石窗片非常規(guī)盒型輸出窗設(shè)計(jì) 28 28 30 37第4章 結(jié)束語(yǔ) 39參考文獻(xiàn) 40致謝 41附錄 42附錄一：常規(guī)輸出窗圓波導(dǎo)長(zhǎng)度求解Matlab程序 42外文資料原文 43翻譯文稿 50第1章 引言第一章 引言 課題背景微波電真空器件是利用電子注與微波電磁場(chǎng)相互作用而進(jìn)行微波產(chǎn)生和放大的真空電子器件，是各種微波電子系統(tǒng)的心臟，在當(dāng)今信息時(shí)代占有極其重要的地位。 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 11 13 14第3章 盒型輸出窗的模擬計(jì)算與分析 17 17 CST模型優(yōu)化 18 結(jié)果分析討論 19。 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(jiǎn)單，功率容量大，工藝上易于實(shí)現(xiàn)，同時(shí)具有較寬的帶寬。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。目前，國(guó)外輸出窗的峰值功率可達(dá)到 ，平均功率可達(dá)上百千瓦。主要內(nèi)容包括以下3個(gè)方面：1．由于要求頻帶為300GHz330GHz，頻率過(guò)高，所以采用盒型輸出窗厚窗結(jié)構(gòu)。其輸入和輸出的關(guān)系可用傳輸矩陣 表示為 式中： 其中： 為圓波導(dǎo)的特性阻抗和兩端矩形波導(dǎo)的特性阻抗之比； 為圓波導(dǎo)的特性阻抗； 和 為輸入和輸出的矩形波導(dǎo)的特性阻抗； 和 分別為輸入和輸出矩形波導(dǎo)的寬邊和窄邊的尺寸；為兩端矩形波導(dǎo)與圓波導(dǎo)轉(zhuǎn)換處所引入的不連續(xù)電納的歸一化值； 為介質(zhì)中所引起的容性電納的歸一化值； 為以窗片厚度的中心為界兩邊的圓波導(dǎo)段的長(zhǎng)度； 為圓波導(dǎo)中波的傳播傳播常數(shù)（ ）； 圓波導(dǎo) 摸的截止波長(zhǎng)。由公式（228）可得出反射系數(shù) 駐波比為 由此可計(jì)算得出不同頻率下窗的駐波比，用以上計(jì)算公式求出輸出長(zhǎng)的尺寸后，還需加工實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，進(jìn)行冷測(cè)，有實(shí)驗(yàn)方法對(duì)計(jì)算尺寸進(jìn)行修正以獲得最佳效果。 常規(guī)對(duì)稱(chēng)盒型輸出窗的參數(shù)有：矩形波導(dǎo)尺寸； 窗片厚度 ，直徑； 圓波導(dǎo)直徑D，厚度。藍(lán)寶石 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)。所以取圓波導(dǎo)長(zhǎng)度為。良導(dǎo)體背景矩形波導(dǎo)圓波導(dǎo)窗片 圖36非常規(guī)盒型輸出窗示意圖 頻帶要求范圍為，由于頻率過(guò)高，仍然采用后窗結(jié)構(gòu)，窗片厚度保持不變。從而由此指導(dǎo)實(shí)際工程這種非常規(guī)輸出窗的設(shè)計(jì)。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。但在時(shí)波型在低頻出波動(dòng)較大，性質(zhì)不穩(wěn)定。圖315 最終模型透射系數(shù) 觀(guān)察上圖可得在頻段 時(shí)滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)。在高頻場(chǎng)的直接照射下，介質(zhì)片會(huì)因高頻損耗而產(chǎn)生大量熱量。要完全符合輸出窗用介質(zhì)材料的上述要求是十分困難的。下面開(kāi)始具體分析。如圖319將其S21用波特圖表示效果更佳明顯。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(guò)改變圓波導(dǎo)半徑加以實(shí)現(xiàn)。 為說(shuō)明此種最優(yōu)模型確實(shí)可行，并滿(mǎn)足設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)，將圖325最優(yōu)模型波特圖放大，取其部分并計(jì)算其帶寬，其結(jié)果如圖328所示。造成原因可能是網(wǎng)格太稀疏，出現(xiàn)計(jì)算誤差，也可能是模型參數(shù)不夠精確。 %矩形波導(dǎo)截止波長(zhǎng)；lmd2=*d/2。在218GHz出現(xiàn)100%功率傳輸。 圖1顯示這種窗的裝置示意圖。通過(guò)包括三位電磁仿真結(jié)果（基于HFSS）的對(duì)比，在給定窗片厚度t的情況下通過(guò)調(diào)節(jié)圓波