【導(dǎo)讀】而在各類毫米波真空器件中大多采用以波導(dǎo)為接口的輸出窗結(jié)構(gòu)。在窗內(nèi)要求有最小的反射或損。根據(jù)這要求設(shè)計(jì)滿足條件的輸出窗，不斷改變其參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行。微波仿真軟件CST為德國(guó)CST公司開(kāi)發(fā)的。高級(jí)無(wú)源濾波器件及天線仿真軟件包，能仿真多種微波真空器件，給出S等參量。

　　

【正文】 ，帶寬大于 ？ GHz。 常規(guī)盒型輸出窗的設(shè)計(jì) 本畢業(yè)設(shè)計(jì)所建模型為輸入波頻率在 320GHz 左右的盒形窗設(shè)計(jì)，利用微波仿真軟件 CST 進(jìn)行仿真，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理和分析，最終找到盒形窗的理想模型。 我所做的是理想模型的設(shè)計(jì)與模擬過(guò)程，目的是設(shè)計(jì)出一個(gè)理想模型使之在要求的頻率范圍內(nèi)，盒形窗的各個(gè)參數(shù)都符合理論上的要求 。 盒形窗是 大功率速調(diào)管中使用最普遍的輸出窗，是由輸入和輸出矩形波導(dǎo)段、矩形 圓波導(dǎo)過(guò)渡段、圓波導(dǎo)段和介質(zhì)窗片等組成，主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)和工藝簡(jiǎn)單、工作頻帶寬、功率容量大。 其設(shè)計(jì)方法也較為成熟。其基本示意如圖 31 所示。 第 2 章 盒型輸出窗的理論分析 11 圖 31 盒型輸出窗示意圖 其設(shè)計(jì)的基本方法為參照 1 章常規(guī)盒型輸出窗公式，運(yùn)用 CST 三維電磁仿真軟件，進(jìn)行模擬仿真，針對(duì)透射系數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，得到最佳模型。 基本參數(shù)的確定 常規(guī)對(duì)稱盒型輸出窗的參數(shù)有： 矩形波導(dǎo)尺寸； 窗片厚度 t，直徑 d ； 圓波導(dǎo)直徑 D，厚度 l 。 由于常規(guī)輸出窗結(jié)構(gòu)較為固定，由 1 章分析可得，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。 矩形波導(dǎo)的尺寸 矩形波導(dǎo)寬邊窄邊長(zhǎng)度為給定值，采用標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo) 。 矩形波導(dǎo)長(zhǎng)度 k，理論上越長(zhǎng)越接近實(shí)際，但結(jié)果沒(méi)有太大的影響（相對(duì)與圓波導(dǎo)和窗片的尺寸），而如果太長(zhǎng)則導(dǎo)致計(jì)算量過(guò)大，影響計(jì)算時(shí)間。結(jié)合 學(xué)長(zhǎng) 300GHz 輸出窗的設(shè)計(jì)這一 課程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，兼顧兩方面因素將其定為 mm。 窗片尺寸 工作頻段為 290GHz350GHz，頻率過(guò)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(dǎo)波長(zhǎng)的厚窗結(jié)構(gòu)可以解決這方面的問(wèn)題。 根據(jù)以上數(shù)據(jù)，下面我在老師的幫助下開(kāi)始運(yùn)用 CST 軟件進(jìn)行仿真過(guò)程。首先為了方便起見(jiàn)，先進(jìn)行在 窗片外徑 10mm，厚度 左右，兩端無(wú)空氣盒子直接接 3mm 標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)。這里我采用控制變量法將窗片厚度設(shè)為變化量，其他數(shù)量保持不變，步長(zhǎng)為 ，先后仿真 12 次 。分析這些圖形發(fā)現(xiàn)，根據(jù)前期仿真經(jīng)驗(yàn)得出窗片外徑對(duì)結(jié)果影響不大，窗片厚度在 附近 S21 即它的傳輸系數(shù)較好。 下面就是 窗片外徑 10mm，厚度從 ，兩端無(wú)空氣盒子直接接 3mm 標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)的示意圖及其仿真出來(lái)的結(jié)果。我們知道頻率范圍不宜過(guò)寬，可能影響 S 參數(shù)的精度，容易起波紋；亦不能過(guò)窄，導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。 第 2 章 盒型輸出窗的理論分析 12 圖 32 無(wú)盒的 3mm 標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)程序 圖 33 無(wú)盒 3mm 標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)示意圖 1． 窗片厚度 第 2 章 盒型輸出窗的理論分析 13 第 2 章 盒型輸出窗的理論分析 14 第 2 章 盒型輸出窗的理論分析 15 第 2 章 盒型輸出窗的理論分析 16 現(xiàn)在再將有盒子的輸出窗調(diào)試出來(lái) 窗片設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如下圖 ： 圖 34 有 盒 3mm 標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)示意圖 先來(lái)說(shuō)一下我的仿真思路： 在給定窗片（厚度 、外徑 ）和 3mm 標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)后，利用控制變量法改變空氣盒子的直徑（即窗片內(nèi)徑）和厚度，查看 S21 即可。 第 2 章 盒型輸出窗的理論分析 17 一 . 空氣盒子直徑 1. 空氣盒子厚 0mm 2. 空氣盒子厚 3. 空氣盒子厚 4. 空氣盒子厚 第 2 章 盒型輸出窗的理論分析 18 二 . 空氣盒子直徑 1. 空氣盒子厚 0mm 2. 空氣盒子厚 3. 空氣盒子厚 第 2 章 盒型輸出窗的理論分析 19 4. 空氣盒子厚 5. 空氣盒子厚 6. 空氣盒子厚 第 2 章 盒型輸出窗的理論分析 20 三 . 空氣盒子直徑 1. 空氣盒子厚 0mm 2. 空氣盒子厚 3. 空氣盒子厚 第 2 章 盒型輸出窗的理論分析 21 由于常規(guī)盒型窗結(jié)構(gòu)較 為固定，由以上分析可知需要優(yōu)化的參數(shù) 為圓波導(dǎo)長(zhǎng)度。參考以上結(jié)果進(jìn)行仿真優(yōu)化。在現(xiàn)實(shí)情況下，尤其對(duì)于高頻情況，由于窗片直徑過(guò)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。要求對(duì)常規(guī)輸出窗結(jié)構(gòu)加以改變，以滿足要求。下面討論的非常規(guī)輸出窗即傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)情況。 頻帶要求范圍為 290GHz350GHz，由于頻率過(guò)高，仍然采用厚窗結(jié)構(gòu)，窗片厚度 保持不變。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。由于窗片直徑不等于圓波導(dǎo)直徑，圓波導(dǎo)直徑也不等于矩形波導(dǎo)對(duì)角線， 優(yōu)化過(guò)程比較 復(fù)雜。 由上得非常規(guī)輸出窗已知參量： 兩端矩形波導(dǎo)長(zhǎng)寬高 ； 窗片厚度： λ1/2 的整數(shù)倍。 未知參量為：窗片直徑 ；圓波導(dǎo)直徑 ；圓波導(dǎo)長(zhǎng)度 。 本節(jié)為說(shuō)明此種結(jié)構(gòu)可行，并且使仿真優(yōu)化過(guò)程簡(jiǎn)單迅速，給定窗片直徑為。參考常規(guī)輸出窗的設(shè)計(jì)過(guò)程與分析結(jié)果。我們可以大膽猜想，圓波導(dǎo)的長(zhǎng)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。優(yōu)化過(guò)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(guò)程盡量簡(jiǎn)潔。所以非常規(guī)輸出窗的設(shè)計(jì)步驟如下所示。 具體優(yōu)化步驟為： 將窗片直徑設(shè)為 ，此 為給定條件。 得到滿意的窗函數(shù)波形后，再改變圓波導(dǎo)長(zhǎng)度，使在要求頻段得到較好的帶寬。 對(duì)得到模型經(jīng)行微調(diào)，確定最終模型。 第 2 章 盒型輸出窗的理論分析 22 即本節(jié)只討論這種模型的可行性，主要仿真優(yōu)化圓波導(dǎo)的長(zhǎng)度與直徑。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)。 需要指出非常規(guī)輸出窗，并非其上一種模型。并且窗片直徑也并非固定，但在改變窗片直徑時(shí)，為得到較好的帶寬，圓波導(dǎo)的直徑和長(zhǎng)度也要隨之加以改變。 由以上分析的具體參數(shù)：矩形波導(dǎo)長(zhǎng)寬高為 ； 窗片直徑 d=； 窗片厚度 t 按照 λ1/2 的整數(shù)倍來(lái)調(diào)整 ； 圓波導(dǎo)長(zhǎng)度 l 和半徑經(jīng)行仿真優(yōu)化。 CST 模型優(yōu)化 首先我們將窗片厚度直接定為λ 1/2，用 CST 進(jìn) 行優(yōu)化，主要觀測(cè)透射系數(shù)S21，我們將看到圓波導(dǎo)長(zhǎng)度的微小變化給結(jié)果帶來(lái)的巨大影響。 其仿真結(jié)果如下圖所示： 圖 35 l 為 仿真結(jié)果 圖 36 l 為 mm 仿真結(jié)果 第 2 章 盒型輸出窗的理論分析 23 圖 37 l 為 仿真結(jié)果 圖 38 l 為 仿真結(jié)果 圖 39 l 為 仿真結(jié)果