【正文】 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 。 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 ~ 330G H z G H z 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。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。 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 ~ 330G H z G H z； 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 ： 5%~10% 。其設計方法也較為成熟。 圖 31 盒型輸出窗示意圖 圓波導 窗片 矩形波導 良導體背景 電子科技大學學士學位論文 18 其設計的基本方法為參照 1 章常規(guī)盒型輸出窗公式，運用 Matlab 編程計算出設計所需參數(shù)后，運用 CST 三維電磁仿真軟件，進行模擬仿真，針對透射系數(shù)進一步優(yōu)化，得到最佳模型。 CST 模型優(yōu)化 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)僅為圓波導長度 l 。 先 將 l 由 ~ mm以 為步長變化，用 CST 經(jīng)行優(yōu)化，主要觀測透射系數(shù) 21S ，其結(jié)果如圖 32 所示。所以在 ~ mm之間以步長 為步長，進行優(yōu)化。 第 3 章 盒型輸出窗的模擬計算與分析 19 圖 33 l 步長優(yōu)化 由上圖 33 可得在 mm? 處在中心頻率 315f GHz? 時透射系數(shù)基本為 1，且峰值位于中心頻率處，為最好情況。常規(guī)盒型窗模型參數(shù)全部確定。如圖 34 所示為上述確定模型的波特圖。觀察此圖可知在頻率范圍 310 ~ H z G H z范圍 內(nèi)，滿足透射系數(shù)要求。很好的滿足了設計要求。 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 為 ； 窗片厚度 ； 圓波導長度 。 非常規(guī)輸出窗理論分析 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)簡單。要求對常規(guī)輸出窗結(jié)構(gòu)加以改變，以滿足要求。 其結(jié)構(gòu)如圖 36 所示。因而通過改變圓波導直徑 、圓波導長度、窗片直徑這三個量來得到較好的透射特性。 由上得 非常規(guī)輸出窗 已知 參量： 兩端矩形波導長寬高 0 . 7 1 1 0 . 3 5 5 0 . 5a b k m m m m m m? ? ? ? ? ； 窗片厚度： 。 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 。我們可以大膽猜想，如圖 35 所示圓波導的長度主要影響窗函數(shù)的中心頻率，而圓波導的直徑則 主要影響窗函數(shù)的波形。所以 非常規(guī)輸出窗的設計步驟如下所示。 為給定 條件。 窗片 圓波導 矩形波導 良導體背景 電子科技大學學士學位論文 22 得到 滿意的窗函數(shù)波形后， 再改變 圓波導 長度 ，使在要求頻段得到 較好 的帶寬。 即本節(jié)只討論這種模型的可行性，主要仿真優(yōu)化圓波導的長度與直徑。 需要指出非常規(guī)輸出窗，并非其上一種模型。 圓波導 直徑 的優(yōu)化 由以上分析得，窗片尺寸已定。其結(jié)果如圖 3圖 38 所示。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。 在圖 38 中 mm? 時帶寬較寬，波形也比較平坦，但在中心頻率處出現(xiàn)波谷，是我們不愿看到的。 mm? ，雖在 300 ~ 330G H z G H z波段也有跳變，但繞開了中心頻率。且在整個波段衰減較小。 在這里討論下為何波形在某些頻率會出現(xiàn)跳變。但其諧振特性很不穩(wěn)定，頻率稍加變化就停止。但這種情況是我們說不 愿看到的，我們可以通過改變圓波導的直徑與長度，使其諧振頻率繞開要求所在頻段。 電子科技大學學士學位論文 24 圓波導長度的優(yōu)化 由以上分析可得，整個輸出窗參數(shù)，除圓波導長度未定外，其余參數(shù)全部確定。 將圓波導半徑定為 ，圓波導長度在 ~ mm范圍內(nèi)以步長 進行優(yōu)化。 300 310 320 3300 .00 .51 .0S21（幅度）f (G H z ) d =0 . 2 mm d =0 . 3 mm d =0 . 4 mm d =0 . 5 mm 圖 39 圓波導長度優(yōu)化（ ~ m m m m? ，步長 ） 可以很明顯的發(fā)現(xiàn)，在 mm? 時波形最為平坦，且?guī)捿^寬。此時可以對 l 進行微調(diào)，以達到設計要求。其效果如圖 3圖 311 所示。窗函數(shù)中心頻率逐漸向低頻移動?？傻贸鲈? mm? 時波形穩(wěn)定，且窗函數(shù)中心頻率最接近波段中心頻率。 電子科技大學學士學位論文 26 結(jié)構(gòu)微調(diào)驗證 由以上分析可得出非常規(guī)輸出窗基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，得出主要優(yōu)化參數(shù)圓波導半徑 mm? ，長度 mm? 。為證明此結(jié)構(gòu)確實為最好結(jié)果，現(xiàn)在反過來，將長度定位 mm? ，微調(diào)圓波導半徑，在0 .7 1 ~ 0 .7 9l m m m m? 范圍內(nèi)以步長 最微調(diào)驗證，其結(jié)果如圖 312 所示。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，不滿足設計要求。即為： 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 ； 窗片厚度 ； 圓波導長度 ； 圓波導直徑 。下面來 驗證以上確定模型的帶寬是否滿足設計要求。 圖 313 最終模型透射系數(shù) S21 圖 314 最終模型透射系數(shù) 21( )S dB 電子科技大學學士學位論文 28 可以很清楚的觀察到在 300 ~ 330G H z G H z 頻段，所確定的結(jié)構(gòu)波形與常規(guī)模型模型非常相似。為確定帶寬將 圖 316 放大取21 dB?? 部分，得圖 315。其 30%f ? ，很好的滿足設計要求。證明了其確實可行。如速調(diào)管的輸出窗，駐波加速管的輸出窗等。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。 第 3 章 盒型輸出窗的模擬計算與分析 29 以上分析僅證明了這種非常規(guī)盒型輸出窗的可行性。本節(jié)我們將具體分析 并 設計半徑 為 3mm 的藍寶石窗片非常規(guī)盒型輸出窗。介質(zhì)材料的好壞、窗片的大小、焊接工藝等直接影響輸出窗的工作性能和使用壽命。它的引入會帶來如下問題： 波導的不均勻使電磁波發(fā)生散射，限制了輸出窗的功率容限和帶寬。窗片的冷卻是輸出窗的重大問題。 場的不均勻性導致熱效應的不均勻。當它超過一定的限度時，產(chǎn)生的熱應力會使窗片破裂， 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。 介質(zhì)材料在高頻場中，一般有傳導損耗和容性損耗。在窗片與波導焊接處歐姆電阻較大的情況下會產(chǎn)生較大的 傳導損耗。容性損耗是有介質(zhì)的離子、分子與微波共振產(chǎn)生。39。39。r tg? ? ?? 是介質(zhì)復介電常數(shù)的虛部、 tg? 是損耗角正切、 wE 為介質(zhì)窗片內(nèi)的總電場、包括行波場和駐波場。 輸出窗材料的選取主要賴于以下幾個方面： 有較高的介質(zhì)抗電強度； 介電常數(shù) 39。 總的來說，輸出窗的介質(zhì)材料要求苛刻?，F(xiàn)在使用的介質(zhì)材料最常見的有純度為 95% 和 99% 的 23AlO陶瓷，其機械性能好、耐高溫、易加工、氣密性好、損耗小，但導熱性不太好，介電常數(shù)偏大。氧化硼導熱性能好，但其硬度高，不易加工，且價格昂貴。氧化鎂、 2ZrO 陶瓷抗張 強度低；溫度升高，損耗增大太快。藍寶石（ 23100%Al O 單晶）介質(zhì)損耗很小，機械強度高，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。 綜上本設計采用藍寶石作為輸出窗窗片 有上分析可見，由于采用藍寶石作為窗片，且窗片直徑遠大于矩形波導，使盒型輸出窗的結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，從而等效電路也發(fā)生變化。下面將參考 節(jié)設計步驟設計窗片半徑為 3mm 的盒型輸出窗。只好采用最為稀疏的網(wǎng)格進行分析，以提高速度。 與 節(jié)相同，此結(jié)構(gòu)主要分析參數(shù)也為圓波導直徑 D 與長度 l 。 未知參量為：圓波導直徑 D ；圓波導長度 l 。 原 模型套用 由 節(jié)得到的非常規(guī)盒型輸出窗模型與本模型基本相同，差異點僅為窗片半徑，并且優(yōu)化得到了圓波導的尺寸很好的滿足了設計要求。 并用 CST 建模得到透射系數(shù) S21 在要求頻段 300 ~ 330G H z G H z波形如圖 316 所示。但在中心頻率處由于衰減過大，高頻時波形顯得雜亂無章。 電子科技大學學士學位論文 32 因此 由于窗片半徑的變化，僅僅加以套用 節(jié)結(jié)論，完全不能解決問題。 圖 317 套用模型 S21()dB 波形 優(yōu)化過程 由于本模型網(wǎng)格過多，用 CST 采用常用的逐漸改變某一參數(shù)數(shù)值，經(jīng)行優(yōu)化，計算速度將非常緩慢，優(yōu)化過程將更加緩慢。在得到較好效果后再進一步優(yōu)化。 經(jīng)反復計算僅 挑出 以下具有 階段性效果 的圖進行 說 明。 圖 318 階段 1， S21 波形 第 3 章 盒型輸出窗的模擬計算與分析 33 由上圖可見雖然波動較大，波形波谷分為不同的區(qū)間，且在中心頻率處衰減過大，但可以發(fā)現(xiàn)其波形在某些波段波形還是比較平滑，且透射效果也比較好。 圖 319 階段 1， S21()dB 波形 因此可以進一步在其基礎 上對圓波導參數(shù)加以微調(diào)，將透射效果較好的波段帶寬變寬，并移動其中心頻率。 下圖 320 為 圓 波導長度 mm? ； 圓波導 半徑 3d mm? 的透視系數(shù)線性波形。需要進一步優(yōu)化。為便于觀察取其波特圖如圖 321 所示。所以需進一步優(yōu)化。 圖 322 階段 3， S21 波形 第 3 章 盒型輸出窗的模擬計算與分析 35 可以明顯看出最優(yōu)波段帶寬進一步展開，衰減也進一步變小。求其波特圖如圖 323 所示。 由 節(jié)的猜想圓波導長度主要影響波形的中心頻率，而圓波導的半徑則主要影響波形，影響其諧振的頻率值。經(jīng)反復計算與猜想，將圓波導長度定為 mm? ； 圓波導 半徑定位 mm? 。 圖 324 階段 4， S21 波形 電子科技大學學士學位論文 36 很明顯，波形更佳平滑平坦，在中心頻率處衰減也更小。 圖 325 階段 4， S21()dB 波形 由上圖 對比圖 3圖 324，可見上圖與 節(jié)與 節(jié)所求最優(yōu)模型波形非常相似。需要指出以上結(jié)果是經(jīng)反復猜想比對所得，并非直接計算所得，本節(jié)設計主要方法為實驗法。在最優(yōu)結(jié)構(gòu)附近改變圓波導半徑，觀察其波形效果。 取圓波導半徑 mm? ，其透射系數(shù)波形如圖 328 所示。 取圓波導半徑 mm? ，其透射系數(shù)波形如圖 327 所示。 綜上所述，可以確定圓波導參數(shù)半徑取 ，長度取 為最優(yōu)模型。 圖 328 最終模型透射系數(shù) ( ) 21 S dB?? 電子科技大學學士學位論文 38 可以看出在頻段 309 ~ H z G H z附近滿足設計指標，且 30%f ? ，很好的滿足要求?？梢酝ㄟ^增加網(wǎng)格加以進一步優(yōu)化，但增加網(wǎng)格勢必會增加優(yōu)化時間，影響優(yōu)化工作進度。 綜上分析得出所在頻段半徑為 3mm 藍寶石窗片非常規(guī)盒型輸出窗的最佳模型。 第 3 章 盒型輸出窗的模擬計算與分析 39 第 4章 結(jié)束語 本文通過在所在頻段 300 ~ 330G H z G H z展寬帶寬、減小衰減，以 基模 透射系數(shù) 21S 為主要參考量出發(fā) 。 并且 設計結(jié)果很好的滿足了所要求技術(shù)指標。 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；窗片長度則主要影響波形相位如中心頻率等。 具體對應關系式與猜想正確性需進一步研究得到。這 是 設計 所 不愿看到的。 對應改善方法為增加網(wǎng)格數(shù)和在參數(shù)更小數(shù)量級下進行優(yōu)化。 電子科技大學學士學位論文 40 參考文獻 [1]王瑞敏 . 一種圓錐形陶瓷微波輸出窗的模擬分析 [D].北京 :中國科學院 ,2020..5~8 [2]朱志斌 .S 波段波導窗的理論研究和設計 [D].成都 :電子科技大學 ,~11 [3] 電子管設計手冊編輯委員會 . 大功率速調(diào)管設計手冊 [M]. 北京 :國防工業(yè)出版社 ,~173 [4 丁耀根 .大功率速調(diào)管的理論與計算模