【文章內(nèi)容簡介】 介質(zhì)片進入的容性電納。 0( 1) )( )gcBd c ??? ???（ (2218) 式中： d 為窗片 厚度； ? 為角頻率， 2 f??? ； c 為光速； 0g? 為圓波導波長。 從式（ 2218）求出 cB 是對圓波導特性導納歸一化的值。 （ 3） 矩形波導與圓波導連接時不連續(xù)處所引入的電納。 將矩形波導與圓波導相連的情況等效為兩矩形波導僅在 E 平面內(nèi)截面變化的情況，因為圓波導的直徑選為等于矩形波導的對角線，由于波導由方變圓而造成的寬邊尺寸變化所引入的感性電抗遠比窄邊尺寸變化引入的容性電抗小，故突變點電抗部分是容性的，歸一化電納 B 為 ?22221 3 21 s i n2 ( ) 24 ng nb d b b d d bB I n I nb d d b d b n ? ????? ??? ? ? ???? ? (2219) 式中：2 21 11 2n kdn??????? ???? ； bd??? ； b 為矩形波導窄邊尺寸； d 為圓波導直徑； 1g? 為矩形波導的波導波長； k 為矩形波導傳播常數(shù)， 12/gk ??? 。 連接處復數(shù)導納的電導部分為 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。 輸出窗的設(shè)計一般是有頻帶要求的 。在算出圓波導長度 l 以后，可以核算頻寬。由公式（ 228）可得出反射系數(shù) ? 1/2121PPP??? (2221) 駐波比為 11? ??? ?? (2222) 由此可計算得出不同頻率下窗的駐波比，用以上計算公式求出輸出長的尺寸后，還需加工實驗?zāi)Ｐ?，進行冷測，有實驗方法對計算尺寸進行修正以獲得最佳效果。 高頻厚窗結(jié)構(gòu)分析 對于高工作頻率，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 1/2 填充介質(zhì)的波導波長的厚窗結(jié)構(gòu)可以解決這方面的問題。此外 ，采用厚窗結(jié)構(gòu)，對于某些強度較低，但導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。 在該結(jié)構(gòu)中，可以將窗片看作一段傳輸線，考慮對稱結(jié)構(gòu)，公式（ 222）可變?yōu)? 1 1 11111c o s s in0 c o s s in1 s in c o ss in c o s1/t jg tgA B l j lj t tC D j l ljB g g g????????????? ? ? ? ??? ??? ? ? ?? ? ? ??? ?? 11 / 0c o s s ins in c o s gl j lj l ljB g g?? ???? ?????? ?? (231) 電子科技大學學士學位論文 12 式中： 112/g? ? ?? ，20120212DgD?????????????????? ， 01 2023 .1 4gr D????? ??? ???? 。 傳輸線矩陣其他的個元素分別為 221 1 1 1 11111c o s ( c o s s in ) s in ( s in c o s )1s in c o s s inBgA D t B g g t l t tgl l g tg? ? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ?????????????? (232) 221 1 11c o s 2 s i n c o s c o s s i n s i ngB j g g l g l l t l tg? ? ? ? ? ???? ? ????? (233) 221 1 112122 11111c os 2 c os si n1si n c os 2 c ossi n 2 c os ( ) si nC j l B t gg B tggj l l B g tgggj l t B tgg? ? ?? ? ?? ? ???? ? ??????????? ??????????? ? ? ????? (234) 對于中心頻率，當 12gt ?? 時，式（ 231）變?yōu)? 120 c o s sinsin c o s1/1 / 01 0 c o s sin0 1 sin c o sgA B l j lC D j l ljB g ggl j lj l l jB g g??????????? ? ? ?? ??? ? ? ?? ? ? ??????? ? ? ???? ? ? ??? ? ? ? ?? (235) 由上式求得傳輸矩陣各元素為 22c o s s i n 2 s i n c o sA D l l g B l l? ? ? ?? ? ? ? ? (236) 2 sin c o sB j g l l???? (237) 2 2 2 12 c o s 2 s in 2 ( ) s in c o sC j B l B l B g l lg? ? ? ???? ? ? ? ????? (238) 第 2 章 盒型輸出窗的理論分析 13 類似于薄窗結(jié)構(gòu)，由無反射條件求得圓波導段的長度 l ，即 2a r c ta n (2 gX X ZlY Y Y? ????????? ? ? ??????? (239) 式中： 21 。 2 。 2X g B g Y B Z Bg? ? ? ? ? ? 。 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)選定的矩形波導尺寸 ab? ，確定圓波導的直徑 D 。一般常規(guī)輸出窗選擇圓波導的直徑等于矩形波導對角線的長度，即 22D a b?? (241) 也可 根據(jù)特殊要求經(jīng)行合適的調(diào)節(jié)。 （ 2）選擇窗片的材料與厚度。對于高平均功率和高頻率的輸出窗，為了提高熱容量，采用導熱性能好的材料。從匹配的角度來說，窗片的厚度應(yīng)選擇小一些，考慮窗片的結(jié)構(gòu)強度和封接強度，根據(jù)窗片的直徑，應(yīng)選擇一定厚度的窗片。通常，可選擇 L波段的窗片厚度為 57mm mm ， S波段的窗片厚度為 4mm mm ，C 波段窗片厚度為 mm ，對于 X 波段和更短波長的輸出窗應(yīng)采 用厚窗結(jié)構(gòu)。 （ 3）根據(jù)式（ 2218）和式（ 2219）求得介質(zhì)窗片引入的等效電容 cB 以及矩形波導與圓波導連接處引入的電納 1B 。 （ 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）求得圓波導的長度 l 。如果式（ 2214）不成立，應(yīng)重新選擇圓波導的直徑和窗片的厚度。 （ 5）采用式（ 221） ~式（ 228）求得輸出窗的駐波比 — 頻率特性，并根據(jù)計算結(jié)果對圓波導的長度進行優(yōu)化。在采用三維電磁仿真軟件對設(shè)計進行核算和再仿真。 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 ； 圓波導直徑 D，厚度 l 。 由于常規(guī)輸出窗結(jié)構(gòu)較為固定， 參考 節(jié)計算公式 分析可得，其設(shè)計重點主要為圓波導長度與窗片厚度的確定。 矩形波導尺寸 矩形波導寬邊窄邊長度為給定值，不加討論的定位 m m m? 。 矩形波導長度 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。兼顧兩方面因素將其定為 。 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)的波導波長的厚窗結(jié)構(gòu)可以解決這方面的問題。 取中心頻率 0 315f GHz? ，真空中的波長為 0 0cf?? (251) 窗片中的波長為 01 r?? ?? (252) 所以窗片厚度為 12t ?? (253) 常規(guī)模型窗片直徑等于圓波導直徑。 圓波導尺寸 常規(guī)模型窗片直徑等于矩形波導對角線長度即 22D a b?? (254) 本模型的重點是求圓波導的長度。找到合適的圓波導長度，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。 由厚窗結(jié)構(gòu)傳輸計算公式（ 233）、式（ 234）可求得 B 、 C 。計算其值可用 Matlab 編程，以 l 為自變量， BC? 為因變量畫圖，其橫軸零點即為所要求的l 。 Matlab 程序見附錄一，如圖 22 即為所畫求解圖。 8 6 4 2 0 2 4 6 8 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 22 BC? 全圖 由圖 22 可以看出 BC? 的值相對于 l 顯周期性變 化，且零點效果理論上相同，為得到較為準確的值，所以取第一個周期，如下圖 23 所示。 電子科技大學學士學位論文 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 。 由以上分析的具體參數(shù)：矩形波導長寬高為 0 .7 1 1 0 .3 5 5 0 .5m m m m m m?? ； 窗片直徑等于圓波導直徑 D mm?? ； 窗片厚度 mm? ； 圓波導長度 l 經(jīng)行仿真優(yōu)化。 第 3 章 盒型輸出窗的模擬計算與分析 17 第 3章 盒型輸出窗的模擬計算與分析 本文討論 300 ~ 330GHz GHz 波段常規(guī)盒型輸出窗與非常規(guī)輸出窗的特性，運用 Matlab、 CST 三維電磁仿真軟件進行優(yōu)化，主要分析 S21 參數(shù)，以求得在所給頻段內(nèi)有較寬的帶寬。 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。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。本文采用藍寶石 作為輸出窗 窗片 。 具體參數(shù)與技術(shù)指標：矩形波導尺寸為 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