1、摘要I300GHZ 输出窗设计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,
2、太赫兹输出窗，非常规输出窗ABSTRACTIIABSTRACTMicrowave 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
3、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 sap
4、phire 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:
5、 Box Type Window, Output Window Of THz, Irregular Type Window.目录III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
6、.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 .283m3.3.1 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目录IV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1第一章
7、 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
8、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1.2阶梯窗、T 型塞
9、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，功率电子科技大学学士学位论文2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
10、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10TE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D1TE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D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2L和宽度。t 1l l1k 2k2ab 1abD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
11、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1l212l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1l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，窄第 1 章 引言3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
12、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2DabDab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
13、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90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90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
14、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。电子科技大学学士学位论文4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
15、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210MW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
16、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5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。30GHzz表 3-1 蓝宝石的物理性质 910比重（ ） 3/kgm导
17、热系数(/)wk:介电常数（ ）10比热（ (/)wkg:损耗角10 GHz介电强度 (/)KVm电阻率 (/)oh3980 12C34GHz753.5 0.0002 48000 50C第 1 章 引言540 轴 9.2 |c 10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 CS
18、T 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。电子科技大学学士学位论文6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1212abkl、 、 、 90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。2I 1I 3B 2 1B2l 1l 0Z 0Z 1Z 2Z 1V 2V 图 2-1 盒型输出窗等效电路图 3
