【正文】 ..18 結(jié)果分析討論 ..............................................................................................19 非常規(guī)盒型輸出窗設(shè)計的模型分析。已經(jīng)廣泛應(yīng)用于雷達、通信、電視廣播、粒子加速器、可控?zé)岷司圩冄b置、微波遙感、微波加熱、材料處理和制備等領(lǐng)域。 輸出窗是伴隨著微波電真空器件的出現(xiàn)而誕生的，是大功率微 波電真空器件、加速器和其他大功率微波電子系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，對器件和系統(tǒng)的容量、高頻特性、可靠性和壽命具有重要影響。 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。這種窗的優(yōu)點是承受的功率容量大，頻帶寬，結(jié)構(gòu) 簡單，在工藝上也比較成熟，但結(jié)構(gòu)的跳變過度引起傳輸高頻場的畸變并可能形成某些特定頻率的諧振。波導(dǎo)階梯窗有單向階梯窗、雙向階梯窗、 T 型塞子窗幾種。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一步提高的制約因素。 大功率輸出窗對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保證微波電真空器件內(nèi)部的氣密性。 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)簡單，功率容量大，工藝上易于實現(xiàn)，同時具有較寬的帶寬。圖 11 是一種常規(guī)圓盤形盒型輸出窗模型。通常矩形波導(dǎo)的尺寸 是根據(jù) 10TE 單模工作的頻率范圍采用標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，而圓波導(dǎo)段直徑 D 則依據(jù)輸出微波功率和高頻場強強度大小及 11TE 單模工作的頻率范圍選則確定，通常情況下圓波導(dǎo)直徑 D 與矩形波導(dǎo)的對角線近似相等，俗稱“對角窗”。 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、工藝技術(shù)和窗片材料的制備都相當(dāng)成熟，對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。若 12ll? ，即輸出窗為對稱窗 ，這時通常輸出窗兩端采用尺寸相同的矩形波導(dǎo)，這種輸出窗的頻帶較寬，是比較常用的一種輸出窗結(jié)構(gòu)。 2. 輸出窗窗片的幾何形狀和尺寸。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。一般選取圓波導(dǎo)的直徑等于矩形波導(dǎo)截面的對角線。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。窗片材料的介電常數(shù)和損耗系數(shù)既影響輸出窗的頻帶特性和透射系數(shù)，又影響輸出窗的熱耗散特性和散熱能力，同時對金屬窗片封接強度和應(yīng)力平衡必須充分考慮。 4. 輸出窗中矩形波導(dǎo)與圓波導(dǎo)的連接處的波導(dǎo)蓋板的形狀將影響輸出窗的帶寬。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)計成大于 90 ，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。焊料流散不好將使窗片和圓波導(dǎo)連續(xù)不均勻，引起不同頻率波的駐波特性變化不連續(xù)或增加介質(zhì)損耗。輸出窗 的冷卻狀況較好，相對來說，窗片的熱量積累就少，輸出窗就能容許更高的峰值功率和平均功率，同時能延長其工作壽命。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?出窗的頻帶特性，功率水平、工作壽命制約著高功率微波電真空器件的進一步發(fā)展。為此，人們對該類微波輸出窗進行進一步研究和改進，以提高它各方面的性能，電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 如研制更新的窗片材料，設(shè)計跟合理的窗結(jié)構(gòu)，以提高它的高 頻特性、機械性能和氣密性能，降低它的介質(zhì)損耗等。目前，國外輸出窗的峰值功率可達到 [2]100MW ，平均功率可達上百千瓦。因此，在國內(nèi)開展輸出窗的研究工作是很有必要的。因此，自主研發(fā)及制造能力的建設(shè)，非常重要。 微波源是微波系統(tǒng)的核心，也是研究新型輻射機制的主要課題。 本文主要討論一種非常規(guī)的盒型輸出窗，改變窗片與變換階段圓波導(dǎo)的尺寸。 課題的內(nèi)容 藍寶石 [5] 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。本文采用藍寶石窗片，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300 330GHz GHz? 范圍內(nèi)得到較寬的帶寬。表 31 是藍寶石的主要物理性質(zhì)。并應(yīng)用于工程實際。根據(jù)盒型窗等效電路，運用 Matlab 計算軟件編程 ，計算出常規(guī)盒型輸出窗模型參量指標(biāo)。 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。 3．考慮到工程實際，所采用的窗片不可能太小。 電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 第 2章 盒型輸出窗 的 理論分析 引言 輸出窗不僅是讓高頻能量盡力無反射、無損耗的通過，而且要保持微波電真空器件內(nèi)部處于高真空狀態(tài)。 過去對盒型窗的研究中，主要針對的都是常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，如圖 11 所示，對于兩端連接不同矩形波導(dǎo)的盒型窗，因為頻帶不易做寬，通常只用在某些特殊的窄帶 器 件 中 ， 本 文 只 對 兩 端 對 稱 的 盒 型 窗 進 行 分 析 ， 即1 2 1 2 1 2 1 2a a b b k k l l? ? ? ?、 、 、 ，并且 90?? 。 圖 21 盒型輸出窗等效電路圖 [3] 2I 1I 3B 2B 1B 2l 1l 0Z 0Z 1Z 2Z 1V 2V ? ? ? ? 第 2 章 盒型輸出窗的理論分析 7 如圖 11 所示常規(guī)盒型輸出窗是在 10TE 單模工作的矩形波導(dǎo)中插入一段 11TE 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. 圓波導(dǎo)傳輸線。 把整個真?zhèn)€盒型窗看作一個無耗四端口網(wǎng)絡(luò)。 對于兩邊連接不同矩陣的矩形波導(dǎo)的盒型窗，因為頻帶不易做寬，所以除了在特殊要求場合外，很少應(yīng)用。 對于對稱型常規(guī)盒型窗， 12g g g?? ， 12B B B?? ，由公式 (222)求得傳輸矩陣的參數(shù) , , ,ABC D 分別為 22c o s ( 1 ) s i n ( 2 ) s i n c o sccA D l g B B l g B B l l? ? ? ?? ? ? ? ? ? (225) 2( 2 s i n c o s s i n )cB j l l B g l? ? ??? (226) ? ?2 2 222 c o s 2 si n12 ( ) si n c o scccBB l B B B g lgCjB g B B l lg????????? ? ? ???????????? (227) 對于互易無耗雙口網(wǎng)絡(luò)， AD? ，入射功率 1P 與輸出功率 2P 之比為 2 2 2121 1 11 ( ) ( ) 1 ( )4 4 4PL A D B C B CP? ? ? ? ? ? ? ? ? (228) 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 2 1 / 22 1 2( )L L L? ? ? ? ? (229) 由公式（ 229）可知，功率全部傳輸?shù)臈l件為 BC? ，由公式（ 226）、（ 227），得 2t a n 2 t a n 0Y l X l Z??? ? ? (2210) 式中： 21cX g B g B Bg? ? ? ? (2211) 2 2ccY B g B B g B? ? ? (2212) 第 2 章 盒型輸出窗的理論分析 9 2 cBZBg?? (2213) 式（ 2210）的解為 2ta n X X ZlY Y Y? ??? ? ????? (2214) 由公式（ 2214）可求得獲得匹配要求的圓波導(dǎo)長度 l 。 下面給出等效電路中各個參量的計算公式。 矩形波導(dǎo)的等效阻抗 12 2121cbZZa????????????? (2216) 圓波導(dǎo)的等效阻抗 0 2021cZ???????????? (2217) 式中： ? 為自由空間的磁導(dǎo)率； ? 為自由空間的介電常數(shù)； ? 為自由空間波長； 0c? 為圓波導(dǎo)截止波長； 1c? 為矩形波導(dǎo)截止波長； ,ab 為矩形波導(dǎo)寬邊和窄邊的尺寸。 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(dǎo)波長。 （ 3） 矩形波導(dǎo)與圓波導(dǎo)連接時不連續(xù)處所引入的電納。 連接處復(fù)數(shù)導(dǎo)納的電導(dǎo)部分為 bG d? (2220) 實際上，此種連接的作用相當(dāng)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。在算出圓波導(dǎo)長度 l 以后，可以核算頻寬。 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(dǎo)波長的厚窗結(jié)構(gòu)可以解決這方面的問題。 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 os sin0 c os sin1 sin c ossin c os1/t jg tgA B l j lj t tC D j l ljB g g g????????????? ? ? ? ??? ??? ? ? ?? ? ? ??? ?? 11 / 0c o s s i ns i n c o s gl j lj l lj B g g?? ???? ?????? ?? (231) 電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 式中： 112/g? ? ?? ，20120213 .1 423 .1 4rDgD?????????????????? ， 01 2023. 14gr D????? ??? ???? 。 2 。 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(dǎo)尺寸 ab? ，確定圓波導(dǎo)的直徑 D 。 （ 2）選擇窗片的材料與厚度。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。 （ 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(dǎo)與圓波導(dǎo)連接處引入的電納 1B 。如果式（ 2214）不成立，應(yīng)重新選擇圓波導(dǎo)的直徑和窗片的厚度。在采用三維電磁仿真軟件對設(shè)計進行核算和再仿真。 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(dǎo)長度與窗片厚度的確定。 矩形波導(dǎo)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。 窗片尺 寸 工作頻段為 300 ~ 330G H z G H z，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(dǎo)波長的厚窗結(jié)構(gòu)可以解決這方面的問題。 圓波導(dǎo)尺寸 常規(guī)模型窗片直徑等于矩形波導(dǎo)對角線長度即 22D a b?? (254) 本模型的重點是求圓波導(dǎo)的長度。 由厚窗結(jié)構(gòu)傳輸計算公式（ 233）、式（ 234）可求得 B 、 C 。 Matlab 程序見附錄一，如圖 22 即為所畫求解圖。 電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)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