300GHZ输出窗设计本科毕业设计1

摘要摘要微波电真空器件是雷达、通信、广播、加速器等一些电子系统的心脏部件。而输出窗是大功率微波电真空器件的关键部件，对器件和系统的频段、功率容量、可靠性和寿命具有重要作用。本文基于盒型输出窗模型，采用matlab、cst三维计算软件进行优化模拟，分别分析了300GHz-330GHz频段的蓝宝石窗片常规输出窗与非常规输出窗。并对非常规输出窗模型的输出特性与各种结构参量的关系进行了优化模拟，讨论了该输出窗结构变化对其输出特性的影响，得到理论上的最优模型参数。同时，采用现有半径为3mm的蓝宝石窗片，设计适合与300GHz的盒型窗结构并模拟优化。关键字：盒型窗,太赫兹输出窗，非常规输出窗57AbstractABSTRACTMicrowave vacuum electron devices are the key components in radar, communication, broadcasting, accelerators and the other electron systems. The output windows are the key parts in high-power microwave electron, power level, reliability and lifetime of the devices. In this paper, based on a box type window model and Matlab, CST software, the conventional box type sapphire window and the irregular box type sapphire window are analyzed at the frequency band of 300GHz-330GHz.The relation of output characteristics with various parameters in the irregular box type sapphire window is simulated; the influence of the parameter S21 by changing the construction of the window is discussed; finally, the optimal theoretical model parameters is obtained. And, Using actual radius of 3 mm sapphire window, design the window for 300GHz and simulate the consequence.Key Words: Box Type Window, Output Window Of THz, Irregular Type Window.目录目录第一章引言11.1 课题背景11.2 盒型输出窗研究现状21.3 研究输出窗的目的和意义41.4 课题的内容4第2章盒型输出窗的理论分析62.1 引言62.2 常规盒型输出窗等效电路理论分析62.3高频厚窗结构分析112.4盒型输出窗的设计步骤132.5常规输出窗基本参数的计算14第3章盒型输出窗的模拟计算与分析173.1常规盒型输出窗的设计173.1.1 CST模型优化18 3.1.2 结果分析讨论193.2非常规盒型输出窗设计的模型分析。203.2.1非常规输出窗理论分析203.2.1圆波导直径的优化223.2.2圆波导长度的优化233.2.3结构微调验证253.2.4结果分析讨论263.3半径 蓝宝石窗片非常规盒型输出窗设计283.3.1盒型窗的窗片分析283.3.2结构优化303.3.3结果分析讨论37第4章结束语39参考文献40致谢41附录42附录一：常规输出窗圆波导长度求解Matlab程序42外文资料原文43翻译文稿50第1章 引言第一章 引言1.1 课题背景微波电真空器件是利用电子注与微波电磁场相互作用而进行微波产生和放大的真空电子器件，是各种微波电子系统的心脏，在当今信息时代占有极其重要的地位。已经广泛应用于雷达、通信、电视广播、粒子加速器、可控热核聚变装置、微波遥感、微波加热、材料处理和制备等领域。由于微波电真空器件具有高峰值功率，高平均功率以及较低成本等特点，再进入21世纪的今天，仍然是一种不可替代的微波功率源。输出窗是伴随着微波电真空器件的出现而诞生的，是大功率微波电真空器件、加速器和其他大功率微波电子系统的关键部件，对器件和系统的容量、高频特性、可靠性和寿命具有重要影响。微波电真空器件要能够可靠运行，就需要高真空的内部环境，输出窗是解决高频能量输出和维持器件本身高真空性能之间的相互矛盾而出现的，即在高频输出端不但需要将高频功率传送出去，同时还要使器件保持良好的气密性。高频输出窗的形式是多种多样的，目前普通使用的是盒型窗、陶瓷阶梯窗和同轴窗。盒型窗是将一个圆盘介质片密封在截面相同的圆波导中，两端通过转换和矩形波导相连。这种窗的优点是承受的功率容量大，频带宽，结构简单，在工艺上也比较成熟，但结构的跳变过度引起传输高频场的畸变并可能形成某些特定频率的谐振。陶瓷阶梯窗利用逐渐变换而获得阻抗匹配，这种窗使用于工作波长短的速调管，在20%频带内驻波比可小于。波导阶梯窗有单向阶梯窗、双向阶梯窗、T型塞子窗几种。同轴输出窗适用于工作波长长的管子，其频带宽、工艺简单，但承受的功率容量不如盒型窗大。圆柱盒型窗的连续波功率容限问题是电真空器件峰值功率和平均功率进一步提高的制约因素。输出窗的杂模也是影响电真空器件正常工作的重要方面。大功率输出窗对于其他微波电真空器件而言，具有相似的作用：允许高频能量通过同时保证微波电真空器件内部的气密性。大功率输出窗的频带特性，功率水平、工作寿命制约着高功率微波电真空器件的进一步发展。1.2 盒型输出窗研究现状盒型窗与其他形式的微波窗相比，结构简单，功率容量大，工艺上易于实现，同时具有较宽的带宽。此外在结构上便于加水套通水冷却，故近年来已成为高功率微波器件的常用输出窗形式。图1-1是一种常规圆盘形盒型输出窗模型。它将一个圆盘形窗片密封在截面相同的一段圆波导中，通过圆波导与矩形波导相连。通常矩形波导的尺寸是根据 单模工作的频率范围采用标准波导，而圆波导段直径 则依据输出微波功率和高频场强强度大小及 单模工作的频率范围选则确定，通常情况下圆波导直径 与矩形波导的对角线近似相等，俗称“对角窗”。窗片厚度和圆波导的长度（ ）的选择则取决于工作频率范围和频段宽度。 圆波导矩形波导 图 1-1 常规盒型输出窗这种盒型输出窗被微波真空器件广泛采用，无论是工程设计、工艺技术和窗片材料的制备都相当成熟，对微波真空器件向高功率和高频率发展产生了重要作用。影响这种盒型输出窗性能的主要因素包括：1. 输出窗窗片的位置，即 和 的大小和相对关系。若 ，即输出窗为对称窗，这时通常输出窗两端采用尺寸相同的矩形波导，这种输出窗的频带较宽，是比较常用的一种输出窗结构。若 ，即输出窗为非对称窗，这时输出窗两端的矩形波导尺寸也可能不相同，一般情况下宽边尺寸相同，窄边尺寸不同，输出窗的频带较窄，选择合适的窗片位置对工作频率附近可以得到好的透射系数。2. 输出窗窗片的几何形状和尺寸。输出窗可以选择为圆盘状，即普通盒型输出窗，也可以是其他形状，这时窗片的直径是决定输出窗性能的重要因素之一。由于窗片焊接在圆波导中，如果窗片的直径过大，则圆波导的直径也相应变大，高次摸不容易截止。窗片的直径过小，对传输高功率不利，同时矩形波导与圆波导的连接也不易做到宽带匹配。一般选取圆波导的直径等于矩形波导截面的对角线。 ,式中 是圆波导直径， 和 分别是矩形波导宽边和窄边的尺寸。输出窗的窗片也可以为球冠状、圆锥形或其他形状，它的结构如何选取主要决定于输出微波功率、频率、频带宽度和匹配性能。3. 窗片材料的选用。窗片材料的介电常数和损耗系数既影响输出窗的频带特性和透射系数，又影响输出窗的热耗散特性和散热能力，同时对金属窗片封接强度和应力平衡必须充分考虑。在微波波段常用的输出窗窗片材料有氧化铝、氧化铍、氮化硼等。4. 输出窗中矩形波导与圆波导的连接处的波导盖板的形状将影响输出窗的带宽。通常输出窗中方波导与圆波导之间的 ，方圆过渡的跳变不连续将引起并联电感或电容的变化，波导盖板的形状则直接影响这种电纳变化的大小和性质。有的输出窗为减弱电场在该连续处的畸变，也有将矩形波导与圆波导之间的夹角设计成大于 ，以减少垂直窗片表面的电场分量的大小，降低输出窗随坏几率。5. 输出窗焊接工艺过程中焊料流散的均匀与否同样影响输出窗的驻波和热耗性能。焊料流散不好将使窗片和圆波导连续不均匀，引起不同频率波的驻波特性变化不连续或增加介质损耗。6. 输出窗的散热和外加冷却状况也是影响输出窗功率容限和寿命的重要因素。输出窗的冷却状况较好，相对来说，窗片的热量积累就少，输出窗就能容许更高的峰值功率和平均功率，同时能延长其工作寿命。目前，普通盒型输出窗得到了比较好的应用。但是随着科学技术的高速发展，各个领域对微波电真空器件的性能提出了更高的要求，出窗的频带特性，功率水平、工作寿命制约着高功率微波电真空器件的进一步发展。例如，速调管要就更高的峰值功率和平均功率、更宽的瞬时带宽、跟高的转换效率、更高的信噪比。为此，人们对该类微波输出窗进行进一步研究和改进，以提高它各方面的性能，如研制更新的窗片材料，设计跟合理的窗结构，以提高它的高频特性、机械性能和气密性能，降低它的介质损耗等。1.3 研究输出窗的目的和意义国内外的输出窗发展趋势有两种：一是高峰值功率波导窗；另一种是高平均功率波导窗。目前，国外输出窗的峰值功率可达到 ，平均功率可达上百千瓦。而国内的输出窗的峰值功率可达，其平均功率一般在十几千瓦。因此，在国内开展输出窗的研究工作是很有必要的。高功率微波研究在科技、工业及国防各反面均有重要地位，而高功率微波源在高功率微波系统中，属于最关键的组件。因此，自主研发及制造能力的建设，非常重要。今年来，国内尖端电磁科技的发展，已随世界潮流由传统的厘米波进入微波领域，例如卫星通信应用、新型国防电子系统、太赫兹研究等。微波源是微波系统的核心，也是研究新型辐射机制的主要课题。微波管的微波输出系统称作微波窗，同时兼顾微波管的真空封接，是微波管中极为重要的部分。本文主要讨论一种非常规的盒型输出窗，改变窗片与变换阶段圆波导的尺寸。使其既满足工程指标又实际可行，从而具有一定科研价值。1.4 课题的内容蓝宝石 是一种高密度的介质材料，在毫米波段且具有低损耗特点。选用蓝宝石作为窗片，对展带宽和降低损耗具有积极的作用。本文采用蓝宝石窗片，尝试改变输出窗圆波导的尺寸、窗片的直径来改善输出窗的性能，希望在频段 范围内得到较宽的带宽。表3-1是蓝宝石的主要物理性质。表3-1 蓝宝石的物理性质 比重（） 导热系数 介电常数（ ）比热（ 损耗角10 介电强度 电阻率 3980 40轴9.2 753.50.000248000 本文采用Matlab、CST三维计算软件来计算分析盒型输出窗，希望以此来改善高频输出窗的匹配特性，以求得到大的带宽和很好的透射特性。并应用于工程实际。主要内容包括以下3个方面：1由于要求频带为300GHz-330GHz，频率过高，所以采用盒型输出窗厚窗结构。根据盒型窗等效电路，运用Matlab计算软件编程，计算出常规盒型输出窗模型参量指标。并运用CST予以仿真。2讨论一种非常规的盒型输出窗模型，即窗片尺寸不等于圆波导尺寸。运用CST三维计算软件予以优化，得到满足所要求带宽与衰减的模型。3考虑到工程实际，所采用的窗片不可能太小。所以采用现有半径为3mm的蓝宝石窗片，设计适合于300GHz传输的盒型窗结构并模拟优化。第2章 盒型输出窗的理论分析第2章 盒型输出窗的理论分析2.1 引言输出窗不仅是让高频能量尽力无反射、无损耗的通过，而且要保持微波电真空器件内部处于高真空状态。在输出窗自身结构中，各尺寸参数起着重要的作用，直接影响输出窗的工作频率、频带、透射系数，而窗片则影响着微波输出功率承受能力以及真空密闭和机械性能。过去对盒型窗的研究中，主要针对的都是常规标准波导，如图1-1所示，对于两端连接不同矩形波导的盒型窗，因为频带不易做宽，通常只用在某些特殊的窄带器件中，本文只对两端对称的盒型窗进行分析，即 ，并且 。通常从等效电路的角度分析这种常规盒型输出窗2.2 常规盒型输出窗等效电路理论分析由于在矩形波导和圆波导中都是单模工作，波导边界的跳跃改变和材料性能的变化可以等效为电路中电容的电纳，其等效电路表示为图2-1。 图2-1 盒型输出窗等效电路图 如图1-1所示常规盒型输出窗是在 单模工作的矩形波导中插入一段 单模传输圆波导，再在圆波导中间封接一片圆盘型窗片而构成。整个传输线可以分为以下几部分：1. 矩形波导与圆波导的转换部分。2. 圆波导传输线。3. 介质窗片。把整个真个盒型窗看作一个无耗四端口网络。其输入和输出的关系可用传输矩阵 表示为 式中： 其中： 为圆波导的特性阻抗和两端矩形波导的特性阻抗之比； 为圆波导的特性阻抗； 和 为输入和输出的矩形波导的特性阻抗； 和 分别为输入和输出矩形波导的宽边和窄边的尺寸；为两端矩形波导与圆波导转换处所引入的不连续电纳的归一化值； 为介质中所引起的容性电纳的归一化值； 为以窗片厚度的中心为界两边的圆波导段的长度； 为圆波导中波的传播传播常数（ ）； 圆波导 摸的截止波长。对于两边连接不同矩阵的矩形波导的盒型窗，因为频带不易做宽，所以除了在特殊要求场合外，很少应用。一般常用的是两边对称的盒型窗。对于对称型常规盒型窗， ， ，由公式(2-2-2)求得传输矩阵的参数 分别为 对于互易无耗双口网络， ，入射功率 与输出功率 之比为 根据驻波比与反射系数 ，反射系数与L的关系，可求得驻波比与L的关系，即 由公式（2-2-9）可知，功率全部传输的条件为 ，由公式（2-2-6）、（2-2-7），得 式中： 式（2-2-10）的解为 由公式（2-2-14）可求得获得匹配要求的圆波导长度 。由上式可以看出，在要求的频率点上，存在完全匹配的条件为 当输入和输出波导的几何尺寸确定后，应选择适合的圆波导直径、窗片材料（介电常数）和厚度，使方程式（2-2-15）的条件满足。下面给出等效电路中各个参量的计算公式。（1） 矩形波导和圆波导的等效阻抗。矩形波导的等效阻抗 圆波导的等效阻抗 式中： 为自由空间的磁导率； 为自由空间的介电常数； 为自由空间波长； 为圆波导截止波长； 为矩形波导截止波长； 为矩形波导宽边和窄边的尺寸。（2） 介质片进入的容性电纳。 式中： 为窗片厚度； 为角频率， ； 为光速； 为圆波导波长。 从式（2-2-18）求出 是对圆波导特性导纳归一化的值。（3） 矩形波导与圆波导连接时不连续处所引入的电纳。将矩形波导与圆波导相连的情况等效为两矩形波导仅在 平面内截面变化的情况，因为圆波导的直径选为等于矩形波导的对角线，由于波导由方变圆而造成的宽边尺寸变化所引入的感性电抗远比窄边尺寸变化引入的容性电抗小，故突变点电抗部分是容性的，归一化电纳 为 式中： ； ； 为矩形波导窄边尺寸； 为圆波导直径； 为矩形波导的波导波长； 为矩形波导传播常数， 。连接处复数导纳的电导部分为 实际上，此种连接的作用相当于阻抗变换，其变换比恰等于特性阻抗之比。输出窗的设计一般是有频带要求的。在算出圆波导长度 以后，可以核算频宽。由公式（2-2-8）可得出反射系数 驻波比为 由此可计算得出不同频率下窗的驻波比，用以上计算公式求出输出长的尺寸后，还需加工实验模型，进行冷测，有实验方法对计算尺寸进行修正以获得最佳效果。2.3高频厚窗结构分析 对于高工作频率，采用传统的盒型输出窗，为了获得匹配，窗片厚度将变的很薄，影响窗片与盒框的封接，采用窗片厚度为 填充介质的波导波长的厚窗结构可以解决这方面的问题。此外，采用厚窗结构，对于某些强度较低，但导热性能好的陶瓷材料 ，可以在提高功率容量的同时，增加其强度。在该结构中，可以将窗片看作一段传输线，考虑对称结构，公式（2-2-2）可变为 式中： ， ， 。传输线矩阵其他的个元素分别为 对于中心频率，当 时，式（2-3-1）变为 由上式求得传输矩阵各元素为 类似于薄窗结构，由无反射条件求得圆波导段的长度 ，即 式中： 。2.4盒型输出窗的设计步骤根据以上理论，将盒型输出窗的设计步骤总结如下（1）根据选定的矩形波导尺寸 ，确定圆波导的直径 。一般常规输出窗选择圆波导的直径等于矩形波导对角线的长度，即 也可根据特殊要求经行合适的调节。（2）选择窗片的材料与厚度。对于高平均功率和高频率的输出窗，为了提高热容量，采用导热性能好的材料。从匹配的角度来说，窗片的厚度应选择小一些，考虑窗片的结构强度和封接强度，根据窗片的直径，应选择一定厚度的窗片。通常，可选择L波段的窗片厚度为 ，S波段的窗片厚度为 ，C波段窗片厚度为 ，对于X波段和更短波长的输出窗应采用厚窗结构。（3）根据式（2-2-18）和式（2-2-19）求得介质窗片引入的等效电容 以及矩形波导与圆波导连接处引入的电纳 。（4）将以上参数带入式（2-2-15），判断式（2-2-14）是否有解，再根据式（2-2-10）求得圆波导的长度 。如果式（2-2-14）不成立，应重新选择圆波导的直径和窗片的厚度。（5）采用式（2-2-1）式（2-2-8）求得输出窗的驻波比频率特性，并根据计算结果对圆波导的长度进行优化。在采用三维电磁仿真软件对设计进行核算和再仿真。2.5常规输出窗基本参数的计算 常规对称盒型输出窗的参数有：1、矩形波导尺寸； 2、窗片厚度 ，直径； 3、圆波导直径D，厚度。由于常规输出窗结构较为固定，参考 2.4节计算公式分析可得，其设计重点主要为圆波导长度与窗片厚度的确定。3.1.1.1矩形波导尺寸 矩形波导宽边窄边长度为给定值，不加讨论的定位。矩形波导长度，理论上越长越接近实际，但用CST进行结果仿真时，过长的话计算量过大，影响计算时间。兼顾两方面因素将其定为。 3.1.1.2窗片尺寸工作频段为，频率过高，采用传统的盒型输出窗，为了获得匹配，窗片厚度将变得很薄，影响窗片与盒框的封装，由2.3分析得采用窗片厚度 填充介质的波导波长的厚窗结构可以解决这方面的问题。取中心频率，真空中的波长为 窗片中的波长为 所以窗片厚度为 常规模型窗片直径等于圆波导直径。3.1.1.3圆波导尺寸常规模型窗片直径等于矩形波导对角线长度即 本模型的重点是求圆波导的长度。找到合适的圆波导长度，使得盒型窗等效电路传输矩阵 中 ,即使盒型窗工作在匹配状态，得到最好的透射效果。由厚窗结构传输计算公式（2-3-3）、式（2-3-4）可求得、 。计算其值可用Matlab编程，以 为自变量， 为因变量画图，其横轴零点即为所要求的 。Matlab程序见附录一，如图2-2即为所画求解图。 图2-2 全图 由图2-2可以看出 的值相对于 显周期性变化，且零点效果理论上相同，为得到较为准确的值，所以取第一个周期，如下图2-3所示。 图2-3 第一周期由图3-3可得取零点时 的取值为，所以将 的值初步定位，再用CST进行优化，确定最终模型。由以上分析的具体参数：矩形波导长宽高为 ； 窗片直径等于圆波导直径 ； 窗片厚度 ； 圆波导长度 经行仿真优化。第3章 盒型输出窗的模拟计算与分析第3章 盒型输出窗的模拟计算与分析本文讨论 波段常规盒型输出窗与非常规输出窗的特性，运用Matlab、CST三维电磁仿真软件进行优化，主要分析S21参数，以求得在所给频段内有较宽的带宽。蓝宝石 是一种高密度的介质材料，在毫米波段且具有低损耗特点。选用蓝宝石作为窗片，对展带宽和降低损耗具有积极的作用。本文采用蓝宝石作为输出窗窗片。具体参数与技术指标：矩形波导尺寸为 ； 频带为； 中心频率为 ； 蓝宝石相对介电常数为 ； 通带要求： ， ： 。3.1常规盒型输出窗的设计常规输出窗由于具有对称结构，结构简单，带宽较宽等优点，得到了广泛的应用。其设计方法也较为成熟。其基本示意如图3-1所示。良导体背景矩形波导窗片圆波导 图3-1 盒型输出窗示意图其设计的基本方法为参照1章常规盒型输出窗公式，运用Matlab编程计算出设计所需参数后，运用CST三维电磁仿真软件，进行模拟仿真，针对透射系数进一步优化，得到最佳模型。具体参数如2.5节所求：矩形波导长宽高为 ； 窗片直径等于圆波导直径 ； 窗片厚度 ； 圆波导长度 经行仿真优化。3.1.1 CST模型优化 由于常规盒型窗结构较为固定，由以上分析可知需要优化的参数仅为圆波导长度 。参考以上结果进行仿真优化。先将 由 以 为步长变化，用CST经行优化，主要观测透射系数 ，其结果如图3-2所示。 图3-2 步长优化由上图3-2可见在到间在中心频率处可能会出现最好透射系数。所以在之间以步长为步长，进行优化。计算结果如图3-3所示。 图3-3 步长优化由上图3-3可得在处在中心频率时透射系数基本为1，且峰值位于中心频率处，为最好情况。所以取圆波导长度为。常规盒型窗模型参数全部确定。3.1.2 结果分析讨论本文主要讨论盒型输出窗的在所在频段的带宽，本文采用带宽加以讨论。如图3-4所示为上述确定模型的波特图。 图3-4常规盒型窗最终模型 为求出带宽将上图放大，只取范围，如图3-5所示，即为单宽范围。观察此图可知在频率范围范围内，满足透射系数要求。带宽为约为，为。很好的满足了设计要求。所以求讨论，本常规盒型输出窗模型，确实可行。具体参数：矩形波导长宽高为 ； 窗片直径等于圆波导直径为 ； 窗片厚度 ； 圆波导长度。 图3-5 常规盒型输出窗带宽示意图（ ）3.2非常规盒型输出窗设计的模型分析。3.2.1非常规输出窗理论分析由以上分析可得常规输出窗具有很好的透射特性，且结构简单。但现实情况下，尤其对于高频情况，由于窗片直径过小，工艺实际等条件的限制，使其不符合实际工程的需要。要求对常规输出窗结构加以改变，以满足要求。本文讨论的非常规输出窗为窗片直径不等于圆波导直径的情况。其结构如图3-6所示。良导体背景矩形波导圆波导窗片 图3-6非常规盒型输出窗示意图 频带要求范围为，由于频率过高，仍然采用后窗结构，窗片厚度保持不变。因而通过改变圆波导直径、圆波导长度、窗片直径这三个量来得到较好的透射特性。由于窗片直径不等于圆波导直径，圆波导直径也不等于矩形波导对角线，相比常规输出窗，优化过程更加复杂。由上得非常规输出窗已知参量：两端矩形波导长宽高 ；窗片厚度：。未知参量为：窗片直径；圆波导直径；圆波导长度。本节为说明此种结构可行，并且使仿真优化过程简单迅速，给定窗片直径为。参考常规输出窗的设计过程与分析结果。我们可以大胆猜想，如图3-5所示圆波导的长度主要影响窗函数的中心频率，而圆波导的直径则主要影响窗函数的波形。优化过程可以先确定窗函数波形，后调节中心频率，使优化过程尽量简洁。所以非常规输出窗的设计步骤如下所示。具体优化步骤为：1、将窗片直径设为经行仿真设计。为给定条件。2、暂将圆波导长度定位，改变圆波导直径进行CST优化。3、得到满意的窗函数波形后，再改变圆波导长度，使在要求频段得到较好的带宽。4、对得到模型经行微调，确定最终模型。即本节只讨论这种模型的可行性，主要仿真优化圆波导的长度与直径。从而由此指导实际工程这种非常规输出窗的设计。需要指出非常规输出窗，并非其上一种模型。并且窗片直径也并非固定，但在改变窗片直径时，为得到较好的带宽，圆波导的直径和长度也要随之加以改变。3.2.1圆波导直径的优化由以上分析得，窗片尺寸已定。为精确与便于CST仿真起见，用圆波导半径经行优化对应常规输出窗设计，也可先将圆波导半径从以步长进行变化。其结果如图3-7、图3-8所示。 图3-7圆波导半径优化（ ）图3-8 圆波导半径优化（ ）由图3-7、图3-8 可见。在图3-7中波形很不稳定，经常发生跳变，而图3-8中波形较为稳定。图3-8结果明显优于图3-7结果。在图3-8中时带宽较宽，波形也比较平坦，但在中心频率处出现波谷，是我们不愿看到的。时虽波形平坦，且没有较大跳变，但衰减明显大于，并且其半径等度窗片半径，不符合设计要求。，虽在波段也有跳变，但绕开了中心频率。我们可以通过改变圆波导长度使其跳变远离中心频率。且在整个波段衰减较小。综合两方面考虑，选择作为圆波导半径。在这里讨论下为何波形在某些频率会出现跳变。由于盒型输出窗结构的限制，使得输出窗在某些频率处出现谐振，从而导致在频率处反射系数非常大。但其谐振特性很不稳定，频率稍加变化就停止。从而出现有峰值出现的波形。但这种情况是我们说不愿看到的，我们可以通过改变圆波导的直径与长度，使其谐振频率绕开要求所在频段。从而得到较为平坦的波形，满足设计所需。3.2.2圆波导长度的优化 由以上分析可得，整个输出窗参数，除圆波导长度未定外，其余参数全部确定。参照常规输出窗圆波导优化方法。将圆波导半径定为，圆波导长度在范围内以步长进行优化。其结果如图3-9所示。图3-9 圆波导长度优化（，步长）可以很明显的发现，在时波形最为平坦，且带宽较宽。但缺点在于波形中点不在中心频率处。此时可以对进行微调，以达到设计要求。为使效果进一步优化，分别将在和进行步长为的优化。其效果如图3-10、图3-11所示。 图3-10 圆波导长度优化（，步长） 图3-11 圆波导长度优化（，步长） 由上图可得在区间内随着 的增加。窗函数中心频率逐渐向低频移动。但在时波型在低频出波动较大，性质不稳定。可得出在 时波形稳定，且窗函数中心频率最接近波段中心频率。综上所述选取作为圆波导长度。3.2.3结构微调验证 由以上分析可得出非常规输出窗基本结构参数，得出主要优化参数圆波导半径，长度。我们是先优化半径后确定长度。为证明此结构确实为最好结果，现在反过来，将长度定位，微调圆波导半径，在 范围内以步长 最微调验证，其结果如图3-12所示。 图3-12 圆波导结构微调（，步长） 由上图可以很明显的看出，在 为最佳情况。除此之外，要么波形很不稳定，出现跳变明显；要么带宽过小，不满足设计要求。通过以上反复验证与优化，最终确定这种非常规输出窗的最终结构。即为：具体参数：矩形波导长宽高为 ； 窗片直径 ； 窗片厚度 ； 圆波导长度； 圆波导直径。3.2.4结果分析讨论 这种窗片直径不等于圆波导直径、圆波导直径不等于矩形波导对角线长度的非常规输出窗，经CST仿真优化，确定参数，得到最好的输出效果，为说明确实可行。下面来验证以上确定模型的带宽是否满足设计要求。透射系数如图3-13、图3-14所示。图3-13 最终模型透射系数S21图3-14 最终模型透射系数 可以很清楚的观察到在 频段，所确定的结构波形与常规模型模型非常相似。在中心频率处透射系数很平坦。为确定带宽将图3-16放大取 部分，得图3-15。图3-15 最终模型透射系数 观察上图可得在频段 时满足技术指标。其，很好的满足设计要求。综上所述，这种非常规输出窗模型确定，且透射系数完全满足所要求技术指标。证明了其确实可行。3.3半径 蓝宝石窗片非常规盒型输出窗设计3.3.1盒型窗的窗片分析输出窗是在一段波导管中焊接绝缘介质片 ，两端焊接连接波导法兰或者直接与其他部分焊接在一起而构成部件的一部分。如速调管的输出窗，驻波加速管的输出窗等。它的作用是然电磁波无反射地通过它传输，仅有很小的插入损耗，并把超高真空与充气状态和大气隔离开来。在高频率、高功率并要求紧密封装要求下，常规的盒型输出窗已经不能满足工程要求。所以为进一步提高盒型输出窗的工作效率，设计出非常规的盒型窗，以满足要求并将其应用到工程实际。以上分析仅证明了这种非常规盒型输出窗的可行性。由于3.2中所用窗片半径为，与实际工程要求窗片半径相比还是过小。本节我们将具体分析并设计半径为3mm的蓝宝石窗片非常规盒型输出窗。 介质窗片是输出窗的重要组成部分。介质材料的好坏、窗片的大小、焊接工艺等直接影响输出窗的工作性能和使用寿命。一般情况下窗片是直接焊接在无氧铜等金属波导上。它的引入会带来如下问题：1、波导的不均匀使电磁波发生散射，限制了输出窗的功率容限和带宽。2、在高频场的直接照射下，介质片会因高频损耗而产生大量热量。窗片的冷却是输出窗的重大问题。3、由于介质材料的抗电强度不高，容易发生电介质击穿而损坏输出窗。4、场的不均匀性导致热效应的不均匀。使介质窗片上产生温度梯度。当它超过一定的限度时，产生的热应力会使窗片破裂，5、电子直接打在窗片上产生的二次电子发射，有时甚至形成电子倍增效应。造成窗片的温度局部增高而破损。介质材料在高频场中，一般有传导损耗和容性损耗。对于电容率较小的介质材料可以忽略介质内载流子运动产生的传导损耗。在窗片与波导焊接处欧姆电阻较大的情况下会产生较大的传导损耗。但这可以通过采用合理的焊接工艺来消除。容性损耗是有介质的离子、分子与微波共振产生。输出窗介质窗片中产生的平均容性损耗功率密度为： 式中为角频率、是介质复介电常数的虚部、是损耗角正切、 为介质窗片内的总电场、包括行波场和驻波场。由式（3-3-1）可以看出，介质材料容性损耗的功率直接与介质介电常数的虚部或损耗角正切成正比。输出窗材料的选取主要赖于以下几个方面：1、 有较高的介质抗电强度；2、 介电常数 和损耗角正切尽可能小；3、 热传导系数和机械强度尽可能高；4、 较小的二次电子发射系数；5、 适当的膨胀系数和工艺可靠性；6、 易于金属化的能力；7、 无毒性。总的来说，输出窗的介质材料要求苛刻。要完全符合输出窗用介质材料的上述要求是十分困难的。现在使用的介质材料最常见的有纯度为和的陶瓷，其机械性能好、耐高温、易加工、气密性好、损耗小，但导热性不太好，介电常数偏大。氧化铍陶瓷有很好的热传导性能和很小的介电常数、损耗小，但氧化铍粉末的毒性给加工制作造成了困难。氧化硼导热性能好，但其硬度高，不易加工，且价格昂贵。陶瓷介电常数偏大，无法匹配。氧化镁、陶瓷抗张强度低；温度升高，损耗增大太快。熔凝石英有很小的介质损耗、介电常数小，但介电强度和热膨胀系数都很小，并且在高温下会变软。蓝宝石（单晶）介质损耗很小，机械强度高，可以加工成厚的高精度气密薄片，密度大，无空隙和晶界玻璃物质，显微结构均匀致密，因此在高功率电平下不易产生熔融击穿，使用温度高，可以承受焊接与真空排气时的高温。与陶瓷比较起来，蓝宝石损耗小，热传导性能有所提高，适合高功率微波管的输出窗片。综上本设计采用蓝宝石作为输出窗窗片 有上分析可见，由于采用蓝宝石作为窗片，且窗片直径远大于矩形波导，使盒型输出窗的结构发生较大变化，从而等效电路也发生变化。但3.2节通过实验的方法证明了此种非常规盒型输出窗的可行性。下面将参考3.2节设计步骤设计窗片半径为的盒型输出窗。3.3.2结构优化由于此结构窗片尺寸加大，采用CST经行优化仿真速度非常缓慢。只好采用最为稀疏的网格进行分析，以提高速度。但由于网格较少，必然会影响计算精度，在以后的分析中出现波形的波纹，没有以上两节所见最优结构波形平滑，也在所难免。与3.2节相同，此结构主要分析参数也为圆波导直径与长度。其他参数除窗片直径外加以套用，由此可得：已知参量为:两端矩形波导长宽高 ；窗片厚度：；窗片半径：。未知参量为：圆波导直径；圆波导长度。下面开始具体分析。3.3.2.1原模型套用 由3.2节得到的非常规盒型输出窗模型与本模型基本相同，差异点仅为窗片半径，并且优化得到了圆波导的尺寸很好的满足了设计要求。所以大胆套用所求得的圆波导尺寸圆波导长度；圆波导直径。并用CST建模得到透射系数S21在要求频段波形如图3-16所示。表3-16 套用模型S21线性波形可以很明显的看到图3-16中，在时波形还较为平滑，衰减也较小。但在中心频率处由于衰减过大，高频时波形显得杂乱无章。因此完全不符合设计要求，为说明这种情况将S21装换为如图3-17所示，波形将更为明显。因此由于窗片半径的变化，仅仅加以套用3.2节结论，完全不能解决问题。所以可知随着窗片尺寸的变化，圆波导尺寸也应相应加以改变以满足设计要求。图3-17 套用模型S21波形3.3.2.2优化过程 由于本模型网格过多，用CST采用常用的逐渐改变某一参数数值，经行优化，计算速度将非常缓慢，优化过程将更加缓慢。因此本节采用同时改变圆波导的长度与半径两个变量，取出这两变量的一些组合，观察其趋势。在得到较好效果后再进一步优化。从而节约优化时间。经反复计算仅挑出以下具有阶段性效果的图进行说明。下图3-18为圆波导长度；圆波导半径的透视系数线性波形。图3-18 阶段1，S21波形由上图可见虽然波动较大，波形波谷分为不同的区间，且在中心频率处衰减过大，但可以发现其波形在某些波段波形还是比较平滑，且透射效果也比较好。如图3-19将其S21用波特图表示效果更佳明显。图3-19 阶段1，S21 波形因此可以进一步在其基础上对圆波导参数加以微调，将透射效果较好的波段带宽变宽，并移动其中心频率。使其满足设计要求。下图3-20为圆波导长度；圆波导半径的透视系数线性波形。图3-20 阶段2，S21波形可见上图较好段波形虽更佳平滑，但衰减也比较大。需要进一步优化。同时可以看出其带宽有展宽的趋势。为便于观察取其波特图如图3-21所示。图3-21 阶段2，S21 波形通过上图可以很明显的看出，如果将在中心频率处的波谷移除，则设计基本可以满足要求。所以需进一步优化。综合以上两组数据再次设圆波导长度；圆波导半径的透视系数线性波形如图3-22所示。图3-22 阶段3，S21 波形可以明显看出最优波段带宽进一步展开，衰减也进一步变小。但在中心频率附近还是有波谷出现。求其波特图如图3-23所示。图3-23 阶段3，S21 波形优化进步效果非常明显，可以猜想最优效果就在其附近。由3.2节的猜想圆波导长度主要影响波形的中心频率，而圆波导的半径则主要影响波形，影响其谐振的频率值。下一步工作主要目的为移除中心频率附近处波谷，所以可通过改变圆波导半径加以实现。经反复计算与猜想，将圆波导长度定为；圆波导半径定位。得到其透射系数如图3-24所示。图3-24 阶段4，S21 波形很明显，波形更佳平滑平坦，在中心频率处衰减也更小。为更明显说明效果取其波特图如图3-25所示。图3-25 阶段4，S21 波形由上图对比图3-4、图3-24，可见上图与3.1节与3.2节所求最优模型波形非常相似。由此确定半径3mm蓝宝石窗片输出窗最优模型。需要指出以上结果是经反复猜想比对所得，并非直接计算所得，本节设计主要方法为实验法。3.3.2.3结构证明 上述优化过程，为经多次假设仿真所得，为证明其确实为最优模型。在最优结构附近改变圆波导半径，观察其波形效果。由于圆波导长度主要影响波形相位，便不加讨论。取圆波导半径，其透射系数波形如图3-28所示。图3-26 验证1 S21波形对比图3-24，清楚发现在中心频率附近波形跳变加剧，波形效果很不稳定，其通带特性不如原模型。取圆波导半径，其透射系数波形如图3-27所示。图3-27 验证2 S21波形同样对比图3-24，图3-26，可以发现图3-27虽不像图3-26那样有较大的跳变，但波形也没有图3-24平滑。综上所述，可以确定圆波导参数半径取，长度取为最优模型。3.3.3结果分析讨论 为说明此种最优模型确实可行，并满足设计技术指标，将图3-25最优模型波特图放大，取其部分并计算其带宽，其结果如图3-28所示。图3-28 最终模型透射系数可以看出在频段附近满足设计指标，且，很好的满足要求。需指出正如前文所述，由于网格较少，必然会影响计算精度，在CST优化仿真中出现波形的波纹，没有以上两节所见最优结构波形平滑，也在所难免。可以通过增加网格加以进一步优化，但增加网格势必会增加优化时间，影响优化工作进度。是否经济并可行，需要就实际情况加以考量。综上分析得出所在频段半径为蓝宝石窗片非常规盒型输出窗的最佳模型。具体参数如下：具体参数：矩形波导长宽高为 ； 窗片半径 ； 窗片厚度 ； 圆波导长度； 圆波导半径。第4章 结束语 本文通过在所在频段展宽带宽、减小衰减，以基模透射系数为主要参考量出发。利用盒型输出窗的模型，主要通过CST软件的仿真与优化，分别设计了常规型、窗片直径略大于矩形波导对角线、窗片直径远大于矩形波导对角线三种盒型输出窗。并且设计结果很好的满足了所要求技术指标。总结了这种非常规盒型输出长的设计步骤，并且在优化仿真中发现，窗片两端圆波导尺寸与透射系数波形存在某种联系。具体猜想为窗片半径主要影响波形如畸变、波峰、波谷、谐振频率等；窗片长度则主要影响波形相位如中心频率等。且在常规盒型输出窗模型下，这种关系更加明显。具体对应关系式与猜想正确性需进一步研究得到。最后在第三种模型情况下，透射系数波形虽总体上满足设计要求，但将波形放大不难发现波形不够平滑，出现波纹。这是设计所不愿看到的。造成原因可能是网格太稀疏，出现计算误差，也可能是模型参数不够精确。对应改善方法为增加网格数和在参数更小数量级下进行优化。由于作者水平所限，文中难免存在不少的错误和缺点，还望各位老师和专家不吝赐教，予以指正。参考文献参考文献1王瑞敏. 一种圆锥形陶瓷微波输出窗的模拟分析D.北京:中国科学院,2005.582朱志斌.S波段波导窗的理论研究和设计D.成都:电子科技大学,2005.10113 电子管设计手册编辑委员会. 大功率速调管设计手册M.北京:国防工业出版社,1979.1671734丁耀根.大功率速调管的理论与计算模拟M.北京：国防工业出版社,2008.3753885彭洋. 具有截止圆波导的盒型窗的研究D.成都:电子科技大学, 2007.6126高陇桥.金刚石膜在真空电子器件输出窗中的应用R.北京：北京真空电子技术研究所,20067钱丽君,等. 一种宽频带毫米圆波导输出窗的研究R.北京：中国电子科技集团公司第十二研究所,20088徐勇.高功率回旋管输出窗的研究D.成都,电子科技大学,2006.11159彭允中.蓝宝石在mm波管输出窗的应用J, 机电部12所第十四届学术年会论文集,1991,219.10 施绍明.回旋管用蓝宝石窗J,电子学通讯，1982,16(7):112114参考文献致谢本论文是在导师张开春研究员的悉心指导与关切下完成的，每一部分工作都离不开导师的帮助。他对工作一丝不苟的精神，对同学坦诚亲切的态度，感染和鼓励着我，使我在学习的道路上不断前进。作者衷心地向导师表示感谢。另外还要感谢李亚韦同学，在本论文撰写期间，一起讨论一起请教老师，并给予作者无私的帮助与宝贵的意见，在此特别表示感谢。附录附录附录一：常规输出窗圆波导长度求解Matlab程序clcclearc=3e8; % 自由空间光速mu0=4*pi*1e-7; % 自由空间磁导率eps0=8.85e-12; % 自由空间介电常数a=0.711*10-3;b=0.355*10-3;f=315*109; %中心频率mur=9;lmd0=c/f; %波长d=sqrt(a2+b2) %圆波导直径lmd1=2*a; %矩形波导截止波长；lmd2=3.413*d/2; %矩形波导截止波长TE11bt=2*pi/lmd0;g=a*sqrt(1-(lmd0/lmd1)2)/(b*sqrt(1-(lmd0/lmd2)2);t=lmd0/sqrt(mur)/2syms l B1 xB0=-2*g*sin(bt*l)*cos(bt*l);C0=-2*B1*(cos(bt*l).2)+2*B1*(sin(bt*l).2)+2*(B1.2*g-1/g)*sin(bt*l)*cos(bt*l);C=subs(C0,B1,B0);B=B0;D=B-C%pretty(D)D=subs(D,l,x);figure(2),ezplot(D)figure(1),ezplot(D,0,0.0005)外文资料原文外文资料原文Broadband 220-GHz Vacuum Window for aTraveling-Wave Tube AmplifierAlan M. Cook, Member, IEEE, Colin D. Joye, Member, IEEE, Takuj Kimura,Edward L. Wright, and Jeffrey P. Calame, Senior Member, IEEE AbstractWe present electromagnetic cold-test measurements of BeO ceramic pillbox vacuum windows for a 220-GHz traveling wave tube amplifier. Transmission and reflection measurements show better than 20 dB return loss over a 25 GHz bandwidth, with band centers in the range of 212225 GHz. We observe tuning of the window response as the circular waveguide length is changed. High-power testing is performed at 2.5W, 100%duty at 218 GHz.Index TermsHigh-power amplifiers, millimeter wave (mmW) devices, mmW measurements.I. INTRODUCTIONVACUUM ELECTRON devices require sealed windows that are transparent to microwaves as an interface between the high-vacuum region containing the electron beam and the atmospheric pressure external to the tube. Impedance matching conditions allow the window to transmit in a certain frequency range, outside of which a significant portion of incident power is reflected. For a millimeter wave (mmW) amplifier device suc