【正文】 導(dǎo)的長度L可以得到最優(yōu)的設(shè)計模型。如果沒有脈沖失真或反射，則表明高功率測試下故障將被觀察到。以上結(jié)果充分證明這是一種設(shè)計高頻毫米波電真空器件寬頻輸出窗的成功方法。（黑色十字線，黑色實(shí)線）HFSS的仿真結(jié)果表明基于測量窗片厚度而設(shè)計出的最優(yōu)輸出窗效果。兩種輸出窗都是在冷測裝置中將模式轉(zhuǎn)化器、輸入輸出端WR4矩形波導(dǎo)通過WR5/ WR3與WR4的錐形裝換連接到相應(yīng)測試端口。簡單來說，我們給出了在220GHz的寬帶錐形輸出窗的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果。 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 to achieve broadband transmission close to an ideal design. We found it necessary to control the circular waveguide length to ≤ 10 μm tolerance. Another critical parameter was the variance in the as fabricated thickness of the BeO disks。f=315*10^9。且在常規(guī)盒型輸出窗模型下，這種關(guān)系更加明顯。圖326 驗(yàn)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。但在中心頻率附近還是有波谷出現(xiàn)。從而節(jié)約優(yōu)化時間。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。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。 介質(zhì)窗片是輸出窗的重要組成部分。透射系數(shù)如圖31圖314所示。為使效果進(jìn)一步優(yōu)化，分別將在和進(jìn)行步長為的優(yōu)化。我們可以通過改變圓波導(dǎo)長度使其跳變遠(yuǎn)離中心頻率。暫將圓波導(dǎo)長度定位，改變圓波導(dǎo)直徑進(jìn)行CST優(yōu)化。但現(xiàn)實(shí)情況下，尤其對于高頻情況，由于窗片直徑過小，工藝實(shí)際等條件的限制，使其不符合實(shí)際工程的需要。 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22 全圖 由圖22可以看出 的值相對于 顯周期性變化，且零點(diǎn)效果理論上相同，為得到較為準(zhǔn)確的值，所以取第一個周期，如下圖23所示。（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 。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?yàn)閳A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(yuǎn)比窄邊尺寸變化引入的容性電抗小，故突變點(diǎn)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)， 。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。本文采用藍(lán)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。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(jìn)一步發(fā)展。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。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(jìn)一步提高的制約因素。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(jìn)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)。微波電真空器件要能夠可靠運(yùn)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。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。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)。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(jìn)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。3．考慮到工程實(shí)際，所采用的窗片不可能太小。下面給出等效電路中各個參量的計算公式。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 。 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。其設(shè)計方法也較為成熟。觀察此圖可知在頻率范圍范圍內(nèi)，滿足透射系數(shù)要求。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。其結(jié)果如圖3圖38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。為證明此結(jié)構(gòu)確實(shí)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(yàn)證，其結(jié)果如圖312所示。如速調(diào)管的輸出窗，駐波加速管的輸出窗等。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)。氧化鎂、陶瓷抗張強(qiáng)度低；溫度升高，損耗增大太快。但在中心頻率處由于衰減過大，高頻時波形顯得雜亂無章。需要進(jìn)一步優(yōu)化。圖325 階段4，S21 波形由上圖對比圖3圖324。綜上分析得出所在頻段半徑為藍(lán)寶石窗片非常規(guī)盒型輸出窗的最佳模型。作者衷心地向?qū)煴硎靖兄x。C=subs(C0,B1,B0)。當(dāng)導(dǎo)波波長等于兩倍窗片厚度時，這時此諧振匹配的輸出窗允許進(jìn)入的毫米波以低反射通過。氧化鈹窗片的性能如表1所示。輸出端口的帶寬約為10GHz，比輸入端口稍微寬點(diǎn)。相比最初的模型，通過優(yōu)化這種輸出窗擴(kuò)展了15GHz的帶寬，并且在所在頻段內(nèi)將反射系數(shù)改善了15dB。3．總結(jié)本文簡要介紹了在210–235 ，錐形輸出窗的參數(shù)測定。圖3表示從測量出的復(fù)雜的S參數(shù)通過計算得到輸入輸出窗口的部分功率損耗，公式如下:FL=1?Re(S11)2?Im(S11)2?Re(S21)2?Im(S21)2. (1)輸入輸出波導(dǎo)過渡帶的基本損耗大約為30%。矩形波導(dǎo)TE10模到圓波導(dǎo)TE11模之間的錐形過渡帶。一個良好的阻抗匹配寬帶設(shè)備可以通過設(shè)計一種特殊窗口即圓錐形陶瓷微波輸出窗來得到，這種輸出窗由從矩形波導(dǎo)到圓波導(dǎo)的一段過渡和半波諧振匹配窗片構(gòu)成。D=BC%pretty(D)D=subs(D,l,x)。附錄附錄附錄一：常規(guī)輸出窗圓波導(dǎo)長度求解Matlab程序clcclearc=3e8。第4章 結(jié)束語 本文通過在所在頻段展寬帶寬、減小衰減，以基模透射系數(shù)為主要參考量出發(fā)。需要指出以上結(jié)果是經(jīng)反復(fù)猜想比對所得，并非直接計算所得，本節(jié)設(shè)計主要方法為實(shí)驗(yàn)法。為便于觀察取其波特圖如圖321所示。因此由于窗片半徑的變化，完全不能解決問題。藍(lán)寶石（單晶）介質(zhì)損耗很小，機(jī)械強(qiáng)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。介質(zhì)材料在高頻場中，一般有傳導(dǎo)損耗和容性損耗。在高頻率、高功率并要求緊密封裝要求下，常規(guī)的盒型輸出窗已經(jīng)不能滿足工程要求。除此之外，要么波形很不穩(wěn)定，出現(xiàn)跳變明顯；要么帶寬過小，不滿足設(shè)計要求。將圓波導(dǎo)半徑定為，圓波導(dǎo)長度在范圍內(nèi)以步長進(jìn)行優(yōu)化。在圖37中波形很不穩(wěn)定，經(jīng)常發(fā)生跳變，而圖38中波形較為穩(wěn)定。我們可以大膽猜想，如圖35所示圓波導(dǎo)的長度主要影響窗函數(shù)的中心頻率，而圓波導(dǎo)的直徑則主要影響窗函數(shù)的波形。很好的滿足了設(shè)計要求。良導(dǎo)體背景矩形波導(dǎo)窗片圓波導(dǎo) 圖31 盒型輸出窗示意圖其設(shè)計的基本方法為參照1章常規(guī)盒型輸出窗公式，運(yùn)用Matlab編程計算出設(shè)計所需參數(shù)后，運(yùn)用CST三維電磁仿真軟件，進(jìn)行模擬仿真，針對透射系數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，得到最佳模型。常規(guī)模型窗片直徑等于矩形波導(dǎo)對角線長度即 本模型的重點(diǎn)是求圓波導(dǎo)的長度。（2）選擇窗片的材料與厚度。矩形波導(dǎo)的等效阻抗 圓波導(dǎo)的等效阻抗 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