（无线电物理专业论文）65～180ghz大功率双脊波导水负载的研制.pdf

摘要 摘要 匹配负载在微波传输系统中是一个重要的部件，它关系到系统的传输效率、 功率容量与工作稳定性，关系到微波测量的系统误差和测量精度，以及微波元器 件的质量等一系列问题。因此，负载在微波技术中十分重要，是微波系统中重要 的一个环节。传统水负载由于其结构方面的缺陷使其在提高功率容量及减小驻波 比方面难以得到更好的发展，使得水负载在宽频带大功率方面的研究却跟不上大 功率微波系统发展的需要。 本文对一种辐射式水负载进行了研究，研制了一种宽频带大功率双脊波导水 负载。本文对影响双脊波导水负载匹配的四个因素，包括水室的形状，双脊波导 斜切角度，介质板材料的性质以及介质板的厚度都利用高频仿真软件m w sc s t 进行了仿真，根据仿真结果以及实际条件进行综合考虑确定了各项参数最终加工 装配成实物。 对此水负载进行了水温分别为常温( 2 0 ) ，3 0 ，4 0 。c 和5 0 的驻波比的测 试，测试结果令人满意并且能在大功率下良好的使用。然后介绍了此水负载在大 功率条件下使用的方案。最后对此水负载用作大功率微波功率计的情况提出了使 用方案。 关键词：双脊波导水负载，宽频带，大功率，水室 a b s t r a c t t h em a t c h i n gl o a di sai m p o r t a n ta p p a r a t u si nt h em i c r o w a v es y s t e m ，w h i c hr e l a t e s t ot h es y s t e mt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y , p o w e rc a p a c i t ya n ds t a b i l i t y , a n da l s or e l a t e st o t h ef i x e de r l o ra n dm e a s u r i n ga c c u r a c yi nt h ep r o c e s so fm i c r o w a v em e a s u r e m e n t w h a t e v e rt h el o a di sv e r yi m p o r t a n ti nm i c r o w a v et e c h n i q u ea n dm i c r o w a v es y s t e m t h et r a d i t i o n a lw a t e rr o a dc o u l d n tg e tm o r ed e v e l o p m e n ti ne n l a r g i n gi t sp o w e r c a p a c i t ya n dd e c r e a s i n gi t sv s w rf o rd i s f i g u r e m e n ti n s t r u c t u r e s t h er e s e a r c ho n w i d e b a n da n dh i g hp o w e ro ft h el o a d i n ga st h es y s t e mt e r m i n a lf a i l e dt ok e e p p a c ew i m t h ed e v e l o p m e n to ft h eh i 曲p o w e rm i c r o w a v es y s t e m a f t e rt h er e s e a r c ho ft h ew a t e rl o a dw i t hr a d i a t i o nw a t e rc o n t a i n e r , t h e d o u b l e r i d g ew a v e g u i d ew a t e rl o a d i n gw i t hh i 曲- p o w e ro nw i d e b a n dh a sb e e nd e s i g n e d t h ef o u rd i f f e r e n tp a r a m e t e r s ，i n c l u d i n gt h es t r u c t u r e so fw a t e rc o n t a i n e r , t h ea n g l eo f t h ec u t t i n gd o u b l e - r i d g ew a v e g u i d e ，t h et h i c k n e s so fd i e l e c t r i cs h e e ta n dt h em a t e r i a l c h a r a c t e ro fd i e l e c t r i cs h e e t , o nt h ee f f e c t so fw a t e rl o a d i n ga l es t u d i e dw i t ht h e c o m m e r c i a lt h r e e - d i m e n s i o ne l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t o rm w sc s t t h ef o u rd i f f e r e n t p a r a m e t e r sa r ea s s u r a n c ei nb a s eo ft h es i m u l a t er e s u l t sa n d a c t u a lc o n d i t i o na n df i n a l l y t h ed o u b l e - r i d g ew a v e g u i d ew a t e rl o a d i n gi sm a c h i n e d t h em e a s u r e m e n to fd o u b l e - r i d g ew a v e g u i d ew a t e rl o a d i n gw i md i f f e r e n tw a t e r t e m p e r a t u r ei n c l u d i n gt h er o o mt e m p e r a t u r e ( 2 0 。c ) ，3 0 ( 2 ，4 0 。c ，5 0 。ci sd e s c r i b e d t h e m e a s u r e m e n tr e s u l t sa r ev e r yg o o da n dh a v eg o o du s ei nh i g h p o w e r t h e nh o wt ou s e t h ed o u b l e r i d g ew a v e g u i d ew a t e rl o a d i n gi nh i g h - p o w e rh a sd e s c r i b e d f i n a l l y , t h e s t u d yo ft h ed o u b l e - r i d g ew a v e g u i d ew a t e rl o a d i n gw i t hh i g h - p o w e ra n du s e d 丛t h e l l i g h p o w e rc a l o r i m e t e ra r ep r e s e n t e d k e yw o r d s ：d o u b l e - r i d g ew a v e g u i d ew a t e rl o a d i n g , w i d e b a n d , h i 曲p o w e r , w a t e r h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 躲诬复吼州g 年 z 工，则在变换器第f 节起始端的反射系数，根据传输线理论可以写成： l = i z i + i 瓦一z i = 2 徊 ( 2 - 5 ) 式中0 = 为每一节上的相位移。显然，对于中心频率来说，由于z = 旯g 4 ，所以 0 = z c 2 。但对于其它频率来说，秒并不等于z c l 2 。 该变换器总的反射系数在一级近似下( 只取各节一次反射波导总和) 可以表 示为： r = 岛+ 岛p - 2 妒+ 色e 4 弦+ + 成p - 2 办一 ( 2 - 6 ) 这里，岛表示第i 节反射系数的模。假如变换器是对称设计的，即p o = 岛， 岛= 成一l ，岛= p n 一2 等等，则在这时： 9 电子科技大学硕士学位论文 当，z 为奇数时，上式最后一项为取州) 2e o s o ；当，z 为偶数，最后一项为p 栊2 。 对上式进行求解表明，通过正确选择z l ，z ：，z 。，也就是选择岛，p ：，岛， 总可以使n 节变换器在t 1 个频率上得到全匹配，也就是说，刚的频率响应曲线会出 现t 1 个零点，从而拓宽变换器的工作带宽。一般来说，节数越多，出现全匹配的频 率点也越多，带宽也就越宽，当然，随之而来的就是变换器也越长。 2 2 3 渐变线 在多节变换器中，当把节数无限增加而保持总长度不变时，变换器由不连续 的阶梯过渡转化为连续光滑变化的渐变过渡，这种渐变最简单的就是线性变化， 但用指数渐变或三角函数分布渐变会更好，图2 4 就是一种渐变阻抗匹配器。渐变 线越长，匹配越好，带宽也越宽。更为理想的是切比雪夫渐变线，将切比雪夫阶 梯变换器的节数无限增加而每节的长度无限缩短，使总长度不变，就得到了切比 雪夫渐变变换器，在同样长度下，这种渐变线可以做到在给定长度时反射最小； 反之在给定反射下，它需要的变换长度最短。 渐变段 图2 4 渐变阻抗匹配器 1 0 参 汐 1复 卜g 却 啷 西 肛 + 一 啪 - 抄却 p 如 小| ； 哪 n p + 秒 加 跚 阪 小 妒 川 扩 r i l 第二章微波阻抗匹配 2 3 小结 本章介绍了微波阻抗匹配的一些知识。首先介绍了阻抗不匹配的缺点，之后 介绍了阻抗变换器的基本原理及应用，尤其是渐变线理论为该课题所设计的负载 匹配性能的研究提供了理论基础。 电子科技大学硕士学位论文 第三章双脊波导水负载结构的设计 3 1 负载的结构 作用于微波系统中的各种负载根据吸收的微波功率的大小分为小功率负载， 中功率负载和大功率负载。它们不仅吸收的功率大小不同，而且它们的结构和吸 收功率的介质也有不me n , 1 2 】。 3 1 1 小功率负载 小功率负载能吸收的微波功率一般在微瓦、毫瓦量级，如果采用功率容量大 一些的固体吸收体，能承受的功率能达到瓦级。 小功率负载可以在宽频带内得到很好的匹配，在整个波导工作的频带内可以 做到驻波比小于1 0 3 ，在l o 1 5 的频带内更可小于1 0 1 。 3 1 2 中功率负载 波导型中功率负载可以吸收数十瓦至数百瓦的微波功率，它们一般采用体积 较大的固体吸收材料作为微波吸收体，吸收体形状做成尖劈状，填充整个波导( 如 图3 - 1 ) 。为了提高负载的功率容量，往往在负载的波导外壁增加散热片甚至加水 套通水冷却。常用的固体吸收材料有吸收陶瓷( 碳化硅，氮化硼) 和羟基铁。 图3 - 1 波导中功率负载 1 2 第三章双脊波导水负载结构的设计 同轴线系统用的中功率负载是在同轴线的内导体与外导体之间放入凹圆锥形 吸收体或阶梯形吸收体构成的，如图3 2 所示。吸收体材料可以是石墨和水泥混合 物、损耗陶瓷等，而同轴线的外导体一般直接与散热片相连。这样的同轴型负载 可以承受数瓦甚至数十瓦的功率，尺寸大的同轴负载也可以做到百瓦级功率容量。 ( a ) 3 1 3 大功率负载 图3 - 2 同轴线中功率负载 ( a ) 凹圆锥形阶梯形 ( b ) 吸收更大功率的( 几百瓦至几十千瓦) 微波应采用水负载。水负载利用流动 的水作为微波的吸收体，由于水是微波很好的吸收物质，能强烈地吸收微波，原 则上说，只要水流量足够大，它能吸收的功率几乎是无限制的。 水负载可以做成吸收式的水直接在置于波导内部的水室内流动并吸收微 波，也可以做成辐射式的微波通过波导端口辐射并被覆盖在端口上的水室中 流动的水吸收。吸收式水负载的水室可做成斜插水管式( 图3 - 3 ( a ) ) 、圆锥体式( 图 3 - 3 ( b ) ) 或斜劈式( 图3 3 ( c ) ) 。吸收式水负载的水室的外壁一般用玻璃，石英或玻璃 钢等微波透过性好而损耗小的介质材料做成。 电子科技大学硕士学位论文 _ ( b ) ( c ) 图3 - 3 吸收式水负载 ( a ) 斜插水管式( b ) 圆锥体式( c ) 斜劈式 而辐射式水负载 1 3 】( 图3 4 ) ，由于既不必要用介质材料直接做成水室( 如圆 锥体式、斜插水管式) ，也不必要把介质板与波导粘结( 如斜劈式) ，它只需把介 质片( 如聚四氟乙烯) 用橡皮圈压紧在波导端口的斜面法兰上就可以形成水室， 既无玻璃易碎之虑，也不再有介质板与波导壁粘结不牢引起漏水之忧。 ? 图3 _ 4 辐射式水负载 1 4 第三章双脊波导水负载结构的设计 3 1 4 小结 上述的吸收式大功率水负载在实际运用的过程中还是不免出现一些问题。斜 插水管式由于水管外壁一般由易碎材料够成，容易破碎，而斜劈式的水室却容易 出现由于粘结强度不够、不牢靠而出现漏水，致使以上这些水负载存在严重的工 作隐患，一旦漏水导致水流进入微波系统，将导致严重的后果；另一方面，由于 水室受波导尺寸的限制，在提高水负载的功率容量时，只能通过增加水室的长度 来扩大其容积以增大水量的方法来实现，并且效果不是很理想，而且会导致水负 载的体积过大。因此，该课题在设计水负载的结构时参照图3 4 所示的辐射式水负 载所示结构模型。 3 2 双脊波导水负载结构的仿真设计 随着微波工业的发展，微波计算机辅助设计软件已经成为了微波器件设计和 应用的主要工具，几乎所有的微波器件都可用相应的软件进行分析设计，本人在 仿真设计中所使用的软件是m w sc s t ( c s t 公司的m i c r o w a v es t u d i o ) 1 4 】。该软 件功能非常强大，可以对整个现代通信系统及其子系统的设计和仿真提供支持。 除了m w sc s t ，作者还使用了h f s s 软件对仿真结果进行验证，尽量保证仿真设 计的准确性。 水室 口 介质板 图3 5 双脊波导水负载软件仿真的结构模型 图3 5 显示了双脊波导水负载软件仿真的结构模型。在此结构中，双脊波导从 1 5 电子科技大学硕士学位论文 宽边沿传输方向按照一定角度切下，在斜切后的双脊波导口覆盖一片介质板，介 质板的另一面紧贴水室，这样双脊波导传输的功率透过介质板被水室中的水吸收。 由于水的介电常数和损耗角正切受频率和温度都有一定的影响，如表3 1 所 示。 表3 1 各种温度与频率下水的介电常数和损耗角正切【1 5 】 频率( g h z ) 温度( ) 31 02 5 占e o 7 8 8 4 92 5 1 5 t a n 万0 2 0 50 7 0 00 3 3 0 e s o 7 6 75 53 4 2 5 t a n6 0 1 5 70 5 4 00 2 6 5 s s o 7 4 05 84 1 3 5 t a n 万o 1 2 70 4 4 00 2 1 5 c o 7 0 75 94 6 4 5 t a n6 0 1 0 60 4 0 00 2 7 5 8 0 6 7 5 6 04 9 5 5 t a n60 0 8 90 3 6 00 2 4 5 s s o 6 4 05 95 1 6 5 t a n 万0 0 7 70 3 2 00 1 2 5 s s o 6 0 55 75 2 7 5 t a n 万 0 0 6 6 0 2 8 0 0 1 0 5 水的介电常数和损耗角正切的变化对水负载的匹配和电磁波的衰减会产生影 响【1 6 】，这正好是该课题所关心的。因此我们在进行双脊波导水负载的仿真设计时 需要考虑到水温对负载性能的影响，为此做了大量的仿真。由于仿真数量很大， 本论文无法一一例出，本论文下述的仿真结果都是在水温在2 5 时得到的，其它 1 6 第三章双脊波导水负载结构的设计 水温的仿真结果在数值上略有不同，但不会影响设计的结果 3 2 1 水室形状的仿真设计 在双脊波导水负载的结构设计中，水室的形状，双脊波导斜切角度，介质板 的厚度以及介质板材料的性质都会对双脊波导水负载的匹配效果产生影响。因此 在设计结构时需要综合考虑这些因素。 在水室形状的设计时，我们考虑了多种形状的结构以研究这些不同形状水室 的水负载的匹配性能。 图3 - 6 显示了三种水室的形状。( a ) 图所示的水室为圆柱形( 黑色面紧贴介质 板，下同) ，( b ) 图所示的水室呈类似半圆柱形，它是由圆柱体沿径向切下底面圆 的一部分，( c ) 图所示的水室呈六面体形，它的上下底面的角度差和双脊波导斜 切角度相等，四个侧面和底面并不垂直而是成一定倾斜角度。 ( a ) ( b ) ( c ) 图3 - 6 三种不同形状的水室( 黑色面紧贴介质板) ( a ) 圆柱形( b ) 类似半圆柱形( c ) 六面体形 我们用m w sc s t 软件对这三种水室形状的双脊波导水负载进行了仿真，通 过观察双脊波导的入射端1 ：3 墨，的大小可以判断不同水室形状的双脊波导水负载的 匹配性能。 图3 7 ，3 8 ，3 - 9 显示了在相同条件下( 双脊波导斜切角度3 5 。，介质板厚度 l m m ，介质板介电常数1 0 ) 三种水室形状不同的双脊波导水负载的仿真图像。 1 7 电子科技大学硕士学位论文 - 1 0 s 1 1l a b s ll - 2 0 - 3 0 - 5 0 s p a r a m e t e rm a g n i t u d ei nd b z 厂 广 l v 5 f r e q u e n c y | g h z 图3 7 圆柱形水室的双脊波导水负载仿真图像 s - p a r a m e t e rn a g n i t u d ei nd b f r e q u e n c ylg h z 图3 8 类似半圆柱形水室的双脊波导水负载仿真图像 1 8 第三章双脊波导水负载结构的设计 s p a r a m e t e rm a g n i t u d ei nd b f r e q u e n c y | g h z 图3 - 9 六面体形水室的双脊波导水负载仿真图像 由仿真图像，我们可以看出在6 5 g h z - - - 1 8 0 g h z 的频带内圆柱形水室的双脊 波导水负载的入射端口最大s ，在某些频段( 如1 0 g h z 附近) 大于2 0 d b ，而其它 两种双脊波导水负载在全频带内的入射端口最大而，都小于2 0 d b 。由此可见，圆柱 形水室的双脊波导水负载匹配性能显然要比其它两种双脊波导水负载差。表3 2 显示了不同水室形状的双脊波导水负载全频带入射端口最大而，的仿真结果。 表3 - 2 不同水室形状的水负载的仿真结果 双脊波导水负载水室的形状全频带入射端口最大s l l ( r i b ) 圆柱形水室 1 9 1 类似半圆柱形水室 2 0 7 六面体形水室 2 0 2 从结构上看，类似半圆柱形水室和六面体形水室从边缘到中心的厚度都有一 种过渡的变化，这就类似渐变线结构，有助于匹配；而圆柱形水室从边缘到中心 1 9 电子科技大学硕士学位论文 的厚度都是一样的，没有过渡结构。显然，类似半圆柱形水室和六面体形水室的 双脊波导水负载要比圆柱形水室的双脊波导水负载匹配性能要好。圆柱形水室的 底面面积远大于双脊波导切口面积，因此整个水室尺寸较大；类似半圆柱形水室 和六面体形水室的底面面积相当，略微大于双脊波导切口面积，而类似半圆柱形 水室比六面体形水室高度略大，因此整个水室的尺寸也略大 类似半圆柱形水室的双脊波导水负载和六面体形水室的双脊波导水负载从仿 真结果看匹配性能相当，但是六面体形水室的双脊波导水负载更加容易进行机械 加工，水室尺寸也要略小一些。所以综合考虑，该课题所设计的双脊波导水负载 采用六面体形状的水室。 3 2 2 双脊波导斜切角度的仿真设计 在该课题设计的双脊波导水负载中，双脊波导采用的是w r d 6 5 0 标准双脊波 导，按照如图3 1 0 所示，从双脊波导宽边沿传输方向按照一定角度斜切。斜切 角度的大小对整个负载的匹配性能会产生重要影响。因此，该课题在设计的过 程中也对此斜切角度用m w sc s t 软件做了大量的仿真。 d l d d d _ j 图3 1 0 双脊波导斜切三视图 表3 2 显示了在相同条件下( 六面体形水室，介质板厚度l m m ，介质板介电 常数1 0 ) 不同w r d 6 5 0 双脊波导斜切角度p 所构成的双脊波导水负载的仿真结果。 表中x ，a l 5 x l ，具体数值本论文暂不公开。 由表3 2 所示的不同双脊波导斜切角度卢的仿真结果可以看出，随着斜切角度 地不断变小，w r d 6 5 0 双脊波导口斜切长度l 越来越大，在6 5 g h z - 1 8 0 g h z 2 0 第三章双脊波导水负载结构的设计 的频带内双脊波导水负载入射端口的最大s 渐渐变小，这就意味着随着角度渐渐 变小，双脊波导水负载的匹配性能越来越好，这也符合渐变线匹配的理论，渐变 线越长，匹配性能越好。但是随着斜切角度p 变小，双脊波导口斜切长度l 变得 越来越大，那么水室的长度也随之越来越大，而水室尺寸的过大会为双脊波导水 负载的工作带来不便，所以不能无限度减小双脊波导斜切角度罗。从表3 3 中可以 看到，切口角度分别为3 5 。和3 。z x b 时，入射端口的最大& ，都小于2 0 d b ， 而数值只相差0 1 5 d b ，双脊波导水负载的匹配性能相差并不大，而双脊波导口斜 切长度l 相差了2 2 m m ，过大的尺寸增长只带来少许的匹配性能增强，从实际考虑 并不合算。因此综合考虑，本论文采用的双脊波导斜切角度为3 5 0 ，此时， 水负载既能达到良好的匹配效果( 全频带最大黾，为2 0 2 6 d b ) 而其双脊波导口斜 切长度ln 3 4 a lm m ) 也不是很大。 表3 36 5 g h z 一 1 8 0 g h z 频率范围内不同双脊波导斜切角度的水负载的仿真结果 斜切角度( 。)1 0 士8 士6 a ：85 圭妊83 5 士筇3 士 入射端口最大q 1 ( d b ) 1 5 1 31 6 。5 11 8 。0 31 8 8 21 9 7 62 0 2 62 0 4 1 斜切长度l ( m m )4 7 + 址5 9 生址7 8 4 - 缸9 4 + 址1 1 7 士缸1 3 4 + 址 1 5 6 - a ：缸 3 2 3 介质板材料的选择 该课题所设计的双脊波导水负载，介质板紧压在双脊波导的斜切端口上，微 波透过介质板被水吸收，因此介质板材料的性质会对双脊波导水负载产生重要的 影响，直接关系到匹配性能。 本论文对聚四氟乙烯( 介电常数2 0 8 ) ，石英( 介电常数4 0 ) ，两种陶瓷材料填 充p t f e 复合材料( c e r a m i c - p t f ec o m p o s i t e ，相对介电常数分别为6 2 和1o 2 ) 做 了研究，图3 1 1 ，3 1 2 ，3 1 3 ，3 1 4 是用m w sc s t 软件在双脊波导斜切角度3 5 。 4 - ，介质板厚度为l m m 的条件下对介质板材料分别为以上四种材料的双脊波 导水负载进行仿真的图像。 2 l 电子科技大学硕士学位论文 s p a r a m e t e rn a g n i t u d ei nd b f r e q u e n c y | g h z 3 1 1 用聚四氟乙烯介质板的双脊波导水负载的仿真图像 s - p a r a m e t e rm a g n i t u d ei nd b f r e q u e n c y | g h z 3 1 2 用石英介质板的双脊波导水负载的仿真图像 第三章双脊波导水负载结构的设计 s p a r a m e t e rm a g n i t u d ei nd b f r e q u e n c ylg h z 3 1 3 用相对介电常数为6 2 陶瓷材料填充p t f e 介质扳的双脊波导水负载的仿真图像 2 d s l l d b - 2 s - 3 0 - 3 5 s p a r a m e t e rm a g n i t u d ei nd b 、 v v v 5 1 0i s2 0 f r e q u e n c ylg h z 3 1 4 用相对介电常数为1 0 2 陶瓷材料填充p n 砸介质板的双脊波导水负载的仿真图像 电子科技大学硕士学位论文 由图3 1 1 的仿真结果可以看到用聚四氟乙烯介质板的双脊波导水负载在全频 带内入射端口的最大& ，约为1 6 o d b ；由图3 1 2 的仿真结果可以看到用石英介质板 的双脊波导水负载在全频带内入射端口的最大而，约为1 7 0 d b ；由图3 1 3 的仿真结 果可以看到用相对介电常数为6 2 陶瓷材料填充p t f e 介质板的双脊波导水负载在 全频带内入射端口的最大量。约为1 8 0 d b ；由图3 1 4 的仿真结果可以看到用相对介 电常数为1 0 2 陶瓷材料填充p t f e 介质板的双脊波导水负载在全频带内入射端口 的最大s 约为2 1 0 d b 。表3 4 用表格形式显示了使用这四种介质板材料的双脊波 导水负载全频带入射端口最大s 表3 4 四种介质板材料的双脊波导水负载的仿真结果 介质板材料全频带入射端口最大j 1 ( d b ) 聚四氟乙烯( 介电常数2 0 8 ) - 1 6 0 石英( 介电常数4 o )1 7 o 陶瓷材料填充p t f e 复合材料( 介电常数6 2 ) - 1 8 o 陶瓷材料填充p t f e 复合材料( 介电常数1 0 2 ) 2 1 0 由表3 4 可以看出，在这四种材料中，使用介电常数1 0 2 的陶瓷材料填充p t f e 介质板的双脊波导水负载在全频带内入射端口的最大j 最小，匹配最好，介质板使 用介电常数6 2 的陶瓷材料填充p t f e 复合材料，石英( 介电常数4 0 ) 和聚四氟 乙烯( 介电常数2 0 8 ) 的双脊波导水负载在全频带内入射端1 3 的最大量，依次变大，匹 配也越来越差。 因此，本设计决定选择使用介电常数为1 0 2 的陶瓷材料填充p t f e 复合材料 作为介质板的材料。 3 2 4 介质板的厚度的仿真设计 该课题所设计的双脊波导大功率水负载在研究的过程中，不光考虑了介质板 材料的性质对于双脊波导大功率水负载匹配性能所产生的影响，也考虑了介质板 的厚度对匹配的影响。 图3 1 5 ，3 1 6 ，3 1 7 是用m w sc s t 软件在双脊波导斜切角度3 5 。，介 质板介电常数1 0 2 的条件下对介质板厚度分别为1 2 7 m m ( 0 。0 5 i n c h ) ， 0 6 4 m m ( 0 0 2 5 i n c h ) ，0 2 5 4 m m ( 0 0 1 i n c h ) 舰2 脊波导水负载进行的仿真图像。 第三章双脊波导水负载结构的设计 s - p a r a m e t e rm a g n i t u d ei nd b f r e q u e n c y | g h z 图3 1 5 介质板厚度1 2 7 m m ( 0 0 5 i n c h ) 的水负载仿真图像 s - p a r a m e t e rm a g n i t u d ei nd b f r e q u e n c y | g h z 图3 1 6 介质板厚度0 6 4 r a m ( 0 0 2 5 m c h ) 的水负载仿真图像 电子科技大学硕士学位论文 s - p a r a m e t e rm a g n i t u d ei nd b f r e q u e n c y | g h z 图3 1 7 介质板厚度0 2 5 4 m m ( 0 0 1 i n c h ) 的水负载仿真图像 由图3 1 5 的仿真结果可以看到在全频带内介质板厚度1 2 7 m m ( 0 0 5 i n c h ) 的双 脊波导水负载入射端口的最大s 大约为1 9 5 d b ，由图3 1 6 的仿真结果可以看到在 全频带内介质板厚度为0 6 4 m m ( 0 0 2 5 i n c h ) 的双脊波导水负载入射端口的最大岛，大 约为2 3 0 d b ，由图3 1 7 的仿真结果可以看到在全频带内介质板厚度 0 2 5 4 m m ( 0 0 1 i n c h ) 的双脊波导水负载入射端口的最大s 大约为2 6 5 g h z d b 。表3 5 用表格形式显示了三种介质板厚度的双脊波导水负载全频带入射端口最大s ， 表3 5 三种介质板厚度的双脊波导水负载的仿真结果 介质板厚度 全频带入射端1 ：3 最大s 。( d b ) 1 2 7 m m ( 0 0 5 i n c h ) 一1 9 5 0 6 4 m m ( 0 0 2 5 i n c h ) 2 3 0 0 2 5 4 m m ( 0 0 li n c h ) 2 6 5 可以发现随着介质板厚度的减小，全频带内双脊波导入射端1 ：3 的最大s 。渐渐 变小，也就是说，介质板厚度越小，双脊波导水负载的匹配性能越好。但是，在 该课题所设计的双脊波导水负载的结构中，介质板需要承受水室中循环水所带来 2 6 第三章双脊波导水负载结构的设计 的压力，如果介质板厚度过小那么介质板承受压力的能力越小，可能产生变形而 使双脊波导水负载无法正常工作。因此在选择介质板厚度时需要综合考虑这两方 面的因素。 3 2 5 小结 在充分考虑到水室的形状，双脊波导斜切角度，介质板的厚度以及介质板材 料的性质以及其它因素对双脊波导水负载的匹配效果产生的影响后，本设计确定 此双脊波导水负载的结构采用六面体形水室，双脊波导斜切角度为3 5 。筇，介 质板采用美国的r o g e r sc o r p o r a t i o n s 生产的厚度为0 6 4 m m ( 0 0 2 5 i n c h ) 介电常数为 1 0 2 的陶瓷材料填充p t f e 复合材料( 型号为r t d u r o i d6 0 1 0 l m ) 。 3 3 双脊波导大功率水负载的工程结构设计 双脊波导大功率水负载的工程结构主要分为两部分，一部分是水室，另一部 分是斜面双脊波导。 3 3 1 水室的工程结构设计 图3 1 8 为水室工程结构设计的三视图。水室的外部金属材料使用的是超硬铝， 这种材料强度好，不易变形。水室的斜切角度为3 5 0 ，图中左上放大图像中 1 所示的地方放置介质板，使用的介质板为r o g e r sc o r p o r a t i o n s 出品的型号为 r t d u r o i d6 0 1 0 l m 的介质板，由于买到的这种介质板外部包裹着一层金属材料， 因此我们使用时要用三氯化铁把外层金属腐蚀掉以露出介质，图中2 所示之处放 置一圈密封橡胶圈，以防止水室中水的溢出，3 所示之处放置一圈铟丝，以防止电 磁波透过双脊波导和水室的接合缝隙处透出，4 所示之处为水室进出水口。水室通 过螺钉与斜面双脊波导联结在一起。 2 7 电子科技大学硕士学位论文 a 向 图3 1 8 水室工程结构设计的三视图 3 3 2 斜面双脊波导的工程结构 图3 1 9 为斜面双脊波导工程结构设计的三视图。斜面双脊波导也使用超硬铝 加工而成，它的斜切角度也为3 5 。筇。如图所示1 面为斜面双脊波导与水室联 结面，微波从此面透过介质薄板被水室中的水吸收。图中2 面为标准的w r d 6 5 0 波导口，微波通过此处进入。 2 8 第三章双脊波导水负载结构的设计 3 ，5 d l d d d j 图3 1 9 斜面双脊波导工程结构设计的三视图 3 3 3 双脊波导大功率水负载的实物 图3 2 0 双脊波导大功率水负载的实物 电子科技大学硕士学位论文 图3 2 0 显示了双脊波导水负载加工装配好的实物，它的尺寸为2 0 0 m m 6 5 m m x 5 0 m m ，出入水口口径为6 3 5 m m ( 1 4 i n c h ) 3 4 小结 本章主要介绍了双脊波导水负载结构的设计过程。首先介绍了小功率负载， 中功率负载和大功率负载的结构不同之处。建立了双脊波导水负载软件仿真的结 构模型后对影响双脊波导水负载匹配的四个主要因素都利用高频仿真软件m w s c s t 进行了仿真，根据仿真结果以及实际条件确定了各项参数。最后介绍了双脊 波导水负载工程结构的设计以及加工装配后的实物。 3 0 第四章双脊波导水负载的测试及应用 第四章双脊波导水负载的测试及应用 4 1 双脊波导水负载驻波比的测试 4 1 1 室温下驻波比的测试 双脊波导水负载驻波比的测试是利用矢量网络分析仪完成的。本实验使用的 是a g i l e n t 公司出品的e 8 3 6 3 a 矢量网络分析仪( e 8 3 6 3 ap n as e r i e sn e t w o r k a n a l y z e r ，4 5m h z t o4 0g h z ) ，对w r d 6 5 0 波导端t s i 的校准采用t r l 校准，校准 后的i 4 0 d b 。 测试使用的信号源是a g i l e n te 8 3 6 3 a 矢量网络分析仪自带的信号源，信号源 输出功率为1 0 d b m ，频率为6 5 g h z 1 8 0 g h z 图4 1 显示的是室温下( 2 0 ) 双 脊波导水负载驻波比的测试结果。由于信号源功率并不高，双脊波导水负载水室 一f i l e ! l e 助a n n s i s w 星印c = , j i b r a t i o r l tr es c a l em 童k e fs , s t e m 型r j d o w h e l p s t i m i 锄i 6 5 0 0 0 0 0 0 0 0g h z 曰 s t a r s t o p c e n 洄 s p a n 1 ；| 二l 骣蹴 i 一? j = 。- n 。； 13 5 13 0 12 5 1 ：2 1 3 1 三 11 0 h 、 “。 世? - ，。、j k j 。、 厂 v 厂。女 i 、 一 1 0 5 、 ，、一f ：l 、 一 10 0 。 r 09 5 0 9 0 c h l ：s p m l t6 5 0 0 0 0g h z s 【。p1 80 0 0 0g h 2l 。勰l 鲞锈 秘篓碰豢蒺霆 _ ： 荔麓：嚣荔i 籀或黧缓i 荔雾鬻l 鬻缀鬈一。j 聪鬣墨攀囊i 鬈。戮霪黧鬻篱黪鬻鬻荔黪，。、鬻镬* 一。够 图4 - 1 常温( 2 0 0 ( 3 ) 下双脊波导水负载驻波比的测试结果( 2 0 0 8 年4 月1 5 日测得) 电子科技大学硕士学位论文 中的水温并不会起明显变化，因此做此试验时并没有使用循环水，而是把水装入水室后把进 出水口封住以方便测试。 由图4 1 可以看到，6 5 g h z - - 1 8 0 g h z 频率范围内最大驻波比为1 1 1 3 ，满足 小于1 2 0 的设计要求。 4 1 2 水室中的水在不同温度条件下驻波比的测试 水的介电常数和损耗角正切对水负载的性能会产生影响，这正好是该课题所 关心的，所以需要知道水温对该课题所研究的双脊波导水负载的驻波比的影响， 因此我们需要进行水室中的水温在多种情况下双脊波导水负载的驻波比的测试。 在进行测试时，先把整个双脊波导水负载放入烘箱内进行加温，到指定温度 后恒温1 个小时，以使双脊波导水负载内外，尤其是水室中的水达到指定温度并 恒定。 一f i l e v i e w c h a n n e le ；蠼e pc a j i b r a t i o n _ tr a c es c a l e m , 童k e rs , l s t e r av _ i n d o wh e l p s t i r c j i u s s 圳6 5 0 0 0 0 i d 0 0 06 h z 日s t a r i s t o p c 如 s p a n 14 0 q s 2 2 13 5 1 ：l 二； 12 5 12 0 11 5 11 0 。 豳1 10 5 i ? i 。、 。 一 ，。 一 ? ，。 、。厂 ，一 。10 0 r 口9 5 09 0 c h l ：s t a r t65 0 0 0 0g h z s t o p1 80 0 0 0g h z 一一 二1_ i 一一j 一一l ：_ _ 一： y_“ 薹j s t 喜h 瓷磐酗黪l s 筮? i7 “j 蠢。+ 艺? 2 秘t r k ? ! i 。 一? ；j。二j，。嚣i ?，_ 一 f l ， 图4 2 水温3 0 。c 时双脊波导水负载驻波比的测试结果( 2 0 0 8 年4 月1 5 日测得) 3 2 第四章双脊波导水负载的测试及应用 f i l ev i e wc h a n n e ls w e e pc a 1 b r a t i o n 王r 8 c es c a l em a k e r s l s t e m , a i n d o wh e l p s 斯肌 s t a r t | 65 0 0 0 j 3 0 0 0 06 h z 日 s t a r i s t o p c e n t e r 曼p a n 眭8 2 2 s w r 14 0 玎- s 2 2 1 00 5 0 u i 1 10 0 0 u 13 s j 摹。? j o i 鏊瀵麟凌 13 0 爹爹搿篱鬻i ! i i _ 7 一 12 5 。 一 h 缓霉囊糕笺 12 0 篆巍薹鬻j 鬻粼 霪辫i 荔女瓣? ；鎏 11 s 骥颦繁黍鬻嚣 ，l ， g jl 、 黪戮纂攀鳞j 11 口 、 _ ；，+ 、一j 一 豢攀鬻攀 小、 i ， ”。? 攀一。爹瑟 10 5 、j ，- 一黔j 螽童赫。一 10 0 。 黼 o9 5 ，一， 、。_ i i | i _ 。_ 。j一q f i 蠢_ 7 j ： c ：11 r51 0 0 | = 】0 ，二h z ：【。口1 80 0 0 0g h a s t a t u sc h l + s 2 2c2 - pt r ll c l 图禾3 水温4 0 。c 时双脊波导水负载驻波比的测试结果( 2 0 0 8 年4 月1 5 目测得) 3 3 电子科技大学硕士学位论文 一f i l e y i e 竹_ c h a n n e l s 噬? p c a l i b r a t i o n t r a c es c a l em a k e rs z s t e m w i n d o w 县e l p s u s s t a r 卜6 5 0 0 0 0 0 0 0 0g h z 曰 s t a r l i 嗲j 鬟 c e n t e i r 。| | 。s p 攀誊 l 鹭2 _ 2 s v i r 14 0 疆囊耄 ：0 ；：_ = ， 1 0 0 5 0 i j l 1 10 0 0 u k l 曩锄：黪 13 5 。一。| 1 i | _ 荽薯 黧、；“一荔霪13 0 _ | | ：i 溪羹。一 1 12 5 r： 粪豢 12 0 慧：羔嚣萎，2 妻麓 荔囊鏊缓篷缓瀵 11 5 蒸篙囊鋈鬻 11 0 一 ， 、 ? ： t 一 ： “ 4f ，、， i 1 一 ， “、一 i 麟添攀藜 、 ， j i ，。一- 1 纛鬻。 10 5 、 一 二i 蟹魏 。 麓纛：“鬟鬈荔囊鍪1 1 0 l 攀黪誊爹霪鬻 黼 09 5 。譬爱。；麓鬻 。一 翟i 篓鬻 c i n lsc j t6 5 0 0 0 06 h ! ” s t o p1 8o 0 0 06 s t a t u sc h1 ：$ 2 2c2 - pt r l l c l 图4 4 水温5 0 。c 时双脊波导水负载驻波比的测试结果( 2 0 0 8 年4 月1 5 日测得) 图4 2 ，4 3 ，4 4 分别是双脊波导水负载水室中水的温度在3 0 。c ，4 0 ，5 0 时驻波比的测试结果。 表4 1 水室中水在不同温度时驻波比的测试结果( 2 0 0 8 年4 月1 5 日测得) 温度 20 30 40 50 vswr 1 111 1 21 1 31 1 3 由表4 1 的测试结果来看，随着水温度的变化，双脊波导水负载的驻波比有小 幅的变化，整个频带内驻波比都小于1 1 3 ，满足