毕业论文-盒型输出窗研究.docx

摘要摘要随着一系列通信的实际应用需求的增长，毫米波真空器件得到了大范围的应用。而在各类毫米波真空器件中大多采用以波导为接口的输出窗结构。输出窗的作用是隔绝真空器件内部的真空和大气的连接，但不妨碍微波功率的传输，这就要求输出窗的设计必须满足一定的能量传输要求。在窗内要求有最小的反射或损耗，因此要求输出窗匹配良好，工作频带宽，功率容量大，并且在一定频宽内其|s21|db-0.3。根据这要求设计满足条件的输出窗，不断改变其参数设置，进行多次仿真找到符合条件的输出窗模型。微波仿真软件cst为德国cst公司开发的高级无源滤波器件及天线仿真软件包，能仿真多种微波真空器件，给出s等参量。本课程设计以cst软件为基础，设计理想模型并仿真，最后得出理想模型的尺寸与仿真参数。关键字：盒型窗,太赫兹输出窗，非常规输出窗,cst软件仿真24abstractabstractas the growth of the practical application of a series of communications needs, millimeter-wave vacuum device has been a wide range of applications. and mostly used in all kinds of millimeter-wave vacuum device waveguide was favorable for the formation of the interface window of transmitting energy. output window is used to isolate vacuum device inside the vacuum and atmospheric connection, but dont get in the way of microwave power transmission, which requires the output window design must satisfy certain energy transmission requirements. requires minimal reflection or loss within the window, so the required output window matching is good, wide working frequency band, large capacity, power and the standing wave ratio within a certain bandwidth, |s21|db-0.3.according to these design satisfies the requirement of the output window, change the parameter settings, multiple simulation find qualified model of the output window.cst microwave simulation software cst for germany company to develop advanced passive filter and antenna simulation software package that can simulate a variety of microwave vacuum devices, s and other parameters are given.this course design based on the cst software, design the ideal model and simulation, and finally concludes that the size of the ideal model and simulation parameters.key words: window box model design, output window of thz, irregular type window. cst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11.3 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盒型输出窗的设计步骤13第3章盒型输出窗的模拟计算与分析143.1 常规盒型输出窗的设计143.1.1 基本参数的确定153.1.1.1 矩形波导尺寸153.1.1.2 窗片尺寸153.1.1.3 圆波导尺寸163.1.2 cst模型优化173.1.3 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203.2.2 圆波导直径的优化213.2.3 圆波导长度的优化233.2.4 结构微调验证253.2.4 结果分析讨论263.3 半径3mm蓝宝石窗片非常规盒型输出窗设计273.3.1 盒型窗的窗片分析273.3.2 结构优化303.3.2.1 原模型套用303.3.2.2 优化过程313.3.2.3 结构证明353.3.3 结果分析讨论36第4章结束语38参考文献39致谢40附录41外文资料原文42翻译文稿49第1章 引言第一章 引言1.1 课题背景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。本论文所建模型为输入波频率在320ghz左右的盒形窗设计，利用微波仿真软件cst进行仿真，并进行数据的整理和分析，考虑到实际的加工需要，得到实际情况下的盒形窗模型高频输出窗的形式是多种多样的，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。盒形窗由输入和输出矩形波导段、矩形-圆波导过渡段、圆波导段和介质窗片等组成，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。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图1-1是一种常规圆盘形盒型输出窗模型。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 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。2. 输出窗窗片的几何形状和尺寸。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。 。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。3. 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。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。4. 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，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。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。1.3 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，希望在频率290ghz-350ghz范围内得到较宽的带宽。本文采用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290ghz-350ghz，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，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320ghz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量无反射、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。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5mm-7mm，s波段的窗片厚度为2.5mm-4mm，c波段窗片厚度为1.5mm-2.5mm，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cst三维电磁仿真软件对设计进行核算和再仿真。第3章 盒型输出窗的模拟计算与分析本文讨论290ghz-350ghz波段常规盒型输出窗与非常规输出窗的特性，运用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。根据所设计的输出窗的要求，其输入波频率在320ghz，则其输入波的波长=c/f=1mm，这是在真空中传播时的情况，而盒形窗设计时中间宝石窗片的厚度要求为所传播波长的1/4（即0.25mm）。宝石窗材料为99.9%的氧化铝，=9。矩形波导宽边和短边可根据资料查阅得到，在输入频率为320ghz输入模式为1时的矩形波导规格为0.860.43mm，单位为毫米。具体参数与技术指标：矩形波导尺寸为0.860.43mm； 频带为290ghz-350ghz； 中心频率为320ghz； 蓝宝石相对介电常数为.3-9.4； 通带要求：s21？db，带宽大于？ghz。3.1常规盒型输出窗的设计本毕业设计所建模型为输入波频率在320ghz左右的盒形窗设计，利用微波仿真软件cst进行仿真，并进行数据的整理和分析，最终找到盒形窗的理想模型。我所做的是理想模型的设计与模拟过程，目的是设计出一个理想模型使之在要求的频率范围内，盒形窗的各个参数都符合理论上的要求。盒形窗是大功率速调管中使用最普遍的输出窗，是由输入和输出矩形波导段、矩形-圆波导过渡段、圆波导段和介质窗片等组成，主要优点是结构和工艺简单、工作频带宽、功率容量大。其设计方法也较为成熟。其基本示意如图3-1所示。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。3.1.1 基本参数的确定 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t，直径d ； 3、圆波导直径d，厚度 。由于常规输出窗结构较为固定，由1章分析可得，其设计重点主要为圆波导长度与窗片厚度的确定。3.1.2矩形波导的尺寸矩形波导宽边窄边长度为给定值，采用标准波导0.860.43mm。矩形波导长度k，理论上越长越接近实际，但结果没有太大的影响（相对与圆波导和窗片的尺寸），而如果太长则导致计算量过大，影响计算时间。结合学长300ghz输出窗的设计这一课程设计经验，兼顾两方面因素将其定为0.6mm。 3.1.3窗片尺寸工作频段为290ghz-350ghz，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。根据以上数据，下面我在老师的帮助下开始运用cst软件进行仿真过程。首先为了方便起见，先进行在0.3thz窗片外径10mm，厚度0.33mm左右，两端无空气盒子直接接3mm标准波导。这里我采用控制变量法将窗片厚度设为变化量，其他数量保持不变，步长为0.005mm，先后仿真12次。分析这些图形发现，根据前期仿真经验得出窗片外径对结果影响不大，窗片厚度在0.33mm附近s21即它的传输系数较好。下面就是0.3thz窗片外径10mm，厚度从0.295mm-0.35mm，两端无空气盒子直接接3mm标准波导的示意图及其仿真出来的结果。我们知道频率范围不宜过宽，可能影响s参数的精度，容易起波纹；亦不能过窄，导致计算时间过长。图3-2 无盒的3mm标准波导程序图3-3 无盒3mm标准波导示意图1 窗片厚度0.35mm2.窗片厚度0.345mm3.窗片厚度0.34mm4.窗片厚度0.335mm5.窗片厚度0.33mm6.窗片厚度0.325mm7.窗片厚度0.32mm8.窗片厚度0.315mm9.窗片厚度0.31mm10.窗片厚度0.305mm11.窗片厚度0.3mm12.窗片厚度0.295mm现在再将有盒子的输出窗调试出来窗片设计结构如下图：图3-4 有盒3mm标准波导示意图先来说一下我的仿真思路：在给定窗片（厚度0.25mm、外径7.2mm）和3mm标准波导后，利用控制变量法改变空气盒子的直径（即窗片内径）和厚度，查看s21即可。一. 空气盒子直径4.4mm1. 空气盒子厚0mm2. 空气盒子厚0.4mm3. 空气盒子厚1.3mm4. 空气盒子厚4.7mm二. 空气盒子直径4.6mm1. 空气盒子厚0mm2. 空气盒子厚0.7mm3. 空气盒子厚1.1mm4. 空气盒子厚1.3mm5. 空气盒子厚1.9mm6. 空气盒子厚2.5mm三. 空气盒子直径4.8mm1. 空气盒子厚0mm2. 空气盒子厚1.3mm3. 空气盒子厚1.9mm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为圆波导长度。参考以上结果进行仿真优化。在现实情况