（物理电子学专业论文）具有截止圆波导的盒形窗的研究.pdf

摘要 摘要 微波电子管输出窗( 简称微波窗) 是微波电子管的一个重要组成部分，它除 了起密封作用外，同时也保证微波能量的顺利输出。盒形窗陶瓷表面电场较弱， 故承受高峰值功率能力较强，而且它结构简单，工艺上易于实现，同时具有较宽 的冷测带宽。此外，在结构上便于加水套通水冷却，故被广泛地应用在行波管、 速调管及磁控管中。在以前对盒形窗的研究中，针对的都是常规波导，也就是在 日，。矩形波导中插入了一段日。模式的圆波导，其中圆波导和矩形波导都是工作在 传播状态下。到目前为止，还没有对圆波导工作在截止状态下的盒形窗的理论研 究。在本论文里，我们对具有截止圆波导的盒形窗进行了理论分析，找到了计算 这种盒形窗驻波系数的方法，计算结果与模拟结果能p , 很z 好地吻合。 本论文的主要工作： 对常规盒形窗的理论方法做了介绍，并对其中不合理处进行了改进；分析了 用于计算盒形窗驻波系数的阻抗比万，将其与实测值做了简单比较，然后用改进 后的方法做了大量计算，并把计算结果与h f s s 模拟所得结果绘制出来，直观地 表示出阻抗比厅的选择与高频部分出现的较大误差有关；还给出了场在常规盒形 窗中的分布情况。 在对用于计算盒形窗驻波系数的各参数做了分析，掌握了在圆波导工作于截 止状态时各参数的改变，并分析了这些改变对计算公式的影响后，找到了用于计 算具有截止圆波导的盒形窗的驻波系数的方法。本文还对特殊结构的方一圆波导 不连续阶跃电纳进行了修正。之后对各种尺寸的盒形窗做了大量的计算，计算所 得驻波系数与h f s s 模拟所得结果做了比较，二者符合较好。 使用h f s s 分析了盒形窗的结构参数对驻波系数的影响，绘制了大量曲线图， 可以根据需要的频率特性选择所对应的尺寸。 应用前文得出的方法计算在两端接标准矩形波导的具有截止圆波导的盒形 窗，计算与模拟结果吻合地很好。利用h f s s 得到了两种较好的结构，分别有利 于低频、高频部分的性能。最后对结构一进行了改进，使得高频部分性能进一步 提高，并给出了这种结构计算、模拟以及实测数据的曲线图，三者能很好地吻合。 关键词：盒形窗，驻波系数，电纳，h f s s ，波导 a b s t r a c t t h em i c r o w a v et u b eo u t p u tw i n d o w , w h i c hc a nb ec a l l e dm i c r o w a v e w i n d o wf o r s h o r t ，i so n ei m p o r t a n tp a r to fm i c r o w a v et u b e i tc a nb eu s e dt oa i r p r o o f , a n de n s u r e d t h ep o w e ro ft h em i c r o w a v et o o u t p u tf a v o r a b l y t h ee x t e r i o re l e c t r i cf i e l do nt h e p o t t e r yo fp i l l b o xw i n d o wi sw e a k l y , s oi tc a ne n d u r em o r ep o w e na n di th a ss i m p l e s t r u c t u r e , s oi tc a nb ef a c t u r e de a s i l y f u r t h e r m o r e ，i t ss t r u c t u r el e ti tw a t e 0 1 e d 、们t h w a t e rj a c k e t ，s oi tc a nb eu s e di nt w t 、k l y s t r o na n dm a g n e t r o n i n t h er e s e a r c ho f p i l l b o xw i n d o wb e f o r e ，i ta i m e da tg e n e r a lw a v e - g u i d e ，t h a ti st os a y , i n s e r t i n ga p a r t o fc i r c u l a rw a v e g u i d et or e c t a n g u l a rw a v e g u i d e ，b o t ht h e r e c t a n g u l a rw a v e g u i d ea n d c i r c u l a rw a v e 。g u i d ew o r ki nt r a n s m i ts t a t e t h e r ei sn ot h e o r yr e s e a r c ho nt h e p i l l b o x w i n d o w , w h o s ec i r c u l a rw a v e g u i d ew o r k si nc u t o f fs t a t e i nt h ed j s s e n a t i o n t h e p i l l - b o xw i n d o ww i t hc i r c u l a rw a v e g u i d ew o r k i n gi nc u t o f fs t a t ew a sr e s e a r c h e d t h e m e t h o dt oc a l c u l a t et h ev s w r ( p ) o fi tw a sf o u n d o u t ，a n dt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n a n ds i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ei ng o o da 舒e e m e n t t h em a j o ra c h i e v e m e n t sa r el i s t e da st h ef o l l o w i n g s ： i n t r o d u c et h et h e o r yr e s e a r c ho fg e n e r a lp i l l b o xw i n d o w , a n di m p r o v eo nt h e i n c o n s e q u e n c eo fi t ；a n a l y z et h er a t i oo fi m p e d a n c eo fp i l l b o xw i n d o w , a n dc o m p a r e i tw i t he x p e r i m e n t a ld a t a ，t h e nu s et h em e t h o di m p r o v e dt oc a l c u l a t ea l o to fpo f p i l l - b o xw i n d o w , a n dp l o tt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o nr e s u l t sw h i c hc a n l e tu ss e eh o wi m p o r t a n tt h er a t i oo fi m p e d a n c e ，s ow em u s tc h o o s ep a r a m e t e r sv e r y c a r e f u l l y p l o tt h ed i s t r i b u t i o no ft h ef i e l di nt h ep i l l b o xw i n d o w a f t e ra n a l y z i n gp a r a m e t e r su s e dt oc a l c u l a t et h e p ，k n o w i n gt h ec h a n g e so ft h e p a r a m e t e r sw h e nt h ec i r c u l a rw a v e g u i d ei sc u t o f f , a n da n a l y z i n gt h e s ec h a n g e s e f f c c t o nt h ec a l c u l a t i o n a lf o r m u l a , w ef o u n do u tt h em e t h o dt o c a l c u l a t et h epo ft h e p i l l - b o xw i n d o ww i t hc i r c u l a rw a v e - g u i d ew o r k i n gi nc u t o f fs t a t e i nt h ed i s s e r t a t i o n , w ea m e n d e dt h ee q u i v a l e n ts u s c e p t a n c et oc a l c u l a t et h ed i s c o n t i n u i t yo f r e c t a n 擘m l a r - t o c i r c u l a rw a v e 。g u i d e t h e nw ec a l c u l a t e dt h e po fv a r i o u ss i z e s ，p i l l b o xw i n d o w w e r ei ng o o da 黟e e m e n tw i t hs i m u l a t i o nr e s u l t su s i n g h f s s a b s t r a c t a n a l y z i n gt h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa f f e c t i n gp ，a n dp l o t t i n gal o to fp i c t u r e s ，w e c o u l dc h o o s et h es i z ew i t ht h a tt h ep i l l b o xw i n d o ww o u l dh a v et h ef r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c u s i n gt h em e t h o df o u n do u tb e f o r et oc a l c u l a t ep i l l b o xw i n d o ww i t hc i r c u l a r w a v e g u i d ew o r k i n gi n c u t o f fs t a t e ，w h i c hc o n n e c t sn o r m a lr e c t a n g u l a rw a v e g u i d e ， t h er e s u l t sw e r ei ng o o da g r e e m e n tw i t hs i m u l a t i o nr e s u l t s t h e nw ef o u n do u tt w o b e t t e rs t r u c t u r e su s i n gh f s s ，t h eo n ew a s g o o df o ro fl o wf r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c ，t h e o t h e rw a s g o o df o rh i g hf r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c f i n a l l y , w ei m p r o v e do nt h eo n et h a t w a sg o o df o rh i g l lf r e q u e n c y , t h e ni t sh i g hf r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c ，a n dw ep l o t t e dt h e t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n 、s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t r e s u l t s ，t h e yw e r ei ng o o d a g r e e m e n t k e y w o r d ：p i l l - b o xw i n d o w ，v s w r ，s u s c e p t a n c e ，h f s s ，w a v e g u i d e i i i 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。 签名：j 墼仁 日期：刎年弓月2 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 日期：2 口叮 第一章引言 1 1 输出窗的发展现状 第一章引言 输出窗是伴随着微波电真空器件的出现而诞生的，是高功率微波电真空器件、 加速器和其他高功率微波电子系统的关键部件，对器件和系统的功率容量、高频、 可靠性和寿命具有重要影响。 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，在进入2 l 世纪的今天，仍然是一种不可 替代的微波功率源。微波电真空器件一般分为微波三、四极管、磁控管、功率速 调管、行波管、正交场放大管、行波速调管、多注速调管等【1 1 。 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，高频输出窗是 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。 微波管通过电子注与高频场的相互作用将直流能量转换成高频能量。微波管 高频输出窗的形式是多种多样的，目前普遍使用的是盒形窗、陶瓷阶梯窗和同轴 窗。盒形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，但结构的跳变过渡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，这种窗适用于工作波长短的 速调管，在2 0 频带内驻波比可小于1 2 2 1 。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形窗大【2 】。圆柱盒形窗的连续波功率容限问题【3 】是速调管 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速调管正常 工作的重要方面。 回旋管是利用电子回旋频率与电子相对论质量效应产生相对论角向群聚以达 电子科技大学硕士学位论文 到换能目的的器件。高功率输出窗同样是使回旋管内部和大气隔离，且使高频能 量通过其输出。毫米波输出窗的工作频带、输出窗片的材料、冷却方式、回旋管 的工作脉冲长度等因素影响大功率毫米波真空窗的功率水平。 高功率输出窗同样被广泛应用在磁控管、行波管及正交场前向波放大管中。 1 2 微波波导窗的分类及基本要求 波导输出窗作为微波管的一个重要组件，从输能观点出发，对它提出的基本 要求是【4 j ： 1 具有足够的带宽，即不仅要求在通带内反射系数小，而且希望传输效率高 ( 不要产生谐振吸收现象) 。 2 具有足够高的功率容量( 脉冲的和平均的) 。 3 插入损耗小，这样可以避免因过大的介质损耗导致温度过高，最终造成窗 子破裂或损坏。 4 真空密封性能好，能承受很大的压力差而不致损坏。 膜片窗 杯形窗 球面窗 盒形窗 ，i 4 阶梯窗 2 块状亩 图1 1 波导窗的分类 5 具有合适的表面电阻率( 对密封介质而言) ，防止电荷的高度聚积，导致电 荷轰击表面，因而造成永久性损坏。 6 具有足够的机械强度，能适应各种温度，压力和冲击等环境条件的变化。 2 第一章引言 7 具有良好的散热性能。 8 结构简单，加工容易，工艺上重复性好，成品率高，能适应大量生产的要 求。 微波波导窗的大致分类如图l 一1 所示。 从所采用的密封介质材料来看，目前大体上可分为玻璃窗和陶瓷窗两大类。 在某些情况下，也有采用云母、石英、宝石、金刚石等等特殊材料的【5 】。 玻璃具有较低的介电常数，因而频带可以较宽，但是如果没有冷却措施的话， 只能通过数百瓦的平均功率。如采用风冷则可提高其功率容量，例如在s 波段其功 率可提高到2 千瓦左右( 磁控管m n 1 4 及m 5 0 1 5 都已达到上述水平) 。 宝石的特点是：介电损耗小；机械强度高，可以加工成o 1m i l l 厚的高精度气 密薄片；因为它是a a i ：0 ，单晶，密度大、无孔隙和晶界玻璃物质，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；进入规模批量生产后成本适中，没有难于解决的环保问题。 它的主要不足是相对介电常数过高，常用的c 轴切片材料在i 0 0 0 c 时的相对介电常 数，= 9 4 ；此外，它的导热系数一般，要低于氧化铍瓷和氮化硼瓷，所以只能在 传输功率相对比较低的盒形窗中使用。 氮化硼瓷的特点是：相对介电常数较低，按照制造工艺与取向的不同，占，可 以取3 8 5 6 ；导热系数大，仅次于氧化铍瓷；使用温度高，可以承受焊接与真 空排气时的高温；无毒、无害，没有难于解决的环保问题；机械强度适中，可以 加工成一定精度的气密薄片。它的主要问题是成本比较高，封接比较困难。 氧化铍瓷的导热能力虽然最好，但气密性相对较差，相对介电常数又不是很低 ( 占，= 6 5 ) ，特别是氧化铍材料有毒，工艺处理非常麻烦，日后存在严重的环保难 题，不宜在实践中使用。 氧化铝瓷具有较好的导热性能，尤其是氧化铍瓷及金刚石等导热本领更强，然 而与玻璃相比，由于具有较高的介电常数，从而增加了等效加载电容，使得频带 变窄。 1 3 影响盒形微波输出窗性能的因素 盒形窗与其它形式的微波窗相比，结构简单，功率容量大，工艺上易于实现，同 时具有较宽的冷测带宽。此外在结构上便于加水套通水冷却，故近年来已成为高功 3 电子科技大学硕士学位论文 率微波器件的常用输出窗型式。图l 一2 是一种圆盘型盒形输出窗模型。它将一个 圆盘型陶瓷片密封在截面相同的一段圆波导中，通过方圆变换与矩形波导相连。 通常矩形波导的尺寸是根据匝。单模工作的频率范围采用标准波导，而圆波导段 直径d 则依据输出微波功率和高频场强强度大小以及弛单模工作的频率范围选 择确定，通常情况下圆波导段直径d 与矩形波导的对角线近似相等，俗称“对角 线窗”。陶瓷窗片的厚度和圆波导的长度( l 1 和l 2 ) 的选择则取决于工作频率范 围和频带宽度。 圆波导 图1 2 输出窗结构示意图 这种盒形输出窗被微波真空器件广泛采用，无论是工程设计、工艺技术和陶 瓷材料的制备都相对成熟，对微波真空器件向高功率和高频率发展产生了重要作 用。影响这种盒形输出窗性能的主要因素包括： 1 输出窗窗片的位置，即1 和l 2 的大小相对关系。若l 1 z l 2 ，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l 1 l 2 ，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驻波系 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，即普通盒形输出窗， 也可以是其他形状，这时陶瓷窗片的直径是决定输出窗性能的主要因素之一。 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， 高次模不容易截止。窗片的直径过小，对传输高功率不利，同时矩形波导与圆 4 第一章引言 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横截面 的对角线。d ；百萨，式中d 是圆波导直径，口和b 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 驻波比系数，又影响输出窗的热耗散特性和散热能力，同时对金属陶瓷封接强 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。二次电子倍增是影响输出窗工作稳定性的重要因素，实际应 用中输出窗真空一侧涂覆低二次电子发射的物质。 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卢= 9 0 0 ，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接处的畸变，也有将方波导与圆波导之间的 夹角卢设计成大于9 0 0 ，以减少垂直陶瓷表面的电场分量的大小，降低输出窗 损坏几率。 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损耗 性能。焊料流散不好将使得陶瓷和圆波导连接不均匀，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，陶瓷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，普通盒形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，例如，速调管要求更高的 峰值功率和平均功率、更宽的瞬时带宽、更高的转换效率、更高的性噪比。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 更新的陶瓷材料，设计更合理的窗结构，去提高输出窗的功率容量，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。本文尝试通过改变输出窗 的尺寸、结构来改善输出窗的性能，希望在工作频带上有较小的驻波系数。 1 4 盒形窗的各种研究方法 1 4 1 等效电路法 5 电子科技大学硕士学位论文 学者潘桂魁介绍了盒形窗般的设计方法，它采用等效电路及矩阵分析方法 进行计算。并利用四端网络的理论，在忽略盒形窗瓷片损耗条件下，导出盒形窗 驻波系数与频率关系计算公式。通过该公式可算出盒形窗带宽，结果表明与实测 较吻合【6 l 。 刘顺康对8m m 波段盒形窗的设计也做了相应的研究1 7 。文中指出，介质窗直径 越大，圆波导的直径也相应的越大，高次模不易截止；反之，窗的直径越小，传 输功率越小，匹配频带越窄。一般取窗直径等于矩形波导横截面的对角线。 d = d = 也2 + 6 2 式中d 一一介质窗直径； d 一一圆波导直径； a 一一矩形波导宽边尺寸； b 一一矩形波导窄边尺寸。 介质窗片的厚度与匹配、功率和封接强度有关，窗片薄，对匹配有利，但传 输的功率电平受限制，封接强度差；窗片厚度太厚，则无法匹配。 该文的实测结果指出，这种盒形窗在3 1 - - - 3 7 g h z 范围内，驻波比小于1 1 ， 实际圆波导长度与计算的尺寸相一致。而且当窗片厚度超过临界厚度时，高频端 匹配很快变坏。另外，实验中发现，由于窗片较薄，窗片与圆波导内壁封接时较 困难，为保证频带内匹配特性，应该特别注意窗片陶瓷金属化的质量。封接好的 盒形窗经真空密封性实验，证实其气密性良好。该文虽然对特殊的盒形窗设计帮 助不大，但是它对高次模的预测、有关介质窗片对窗的影响提醒我们设计时，不 能不注意实际的问题，能将一些错误消灭在襁褓中。 1 4 2 其他方法 吴常津利用m a f i a 程序对8 m m 大功率输出窗进行了研究，分析了几种不同介 电常数材料的特性【5 】。文中指出，以往对于盒形窗结构的分析工作都是采用等效电 路方法进行计算，分析结果具有一定的局限性。这是因为由等效电路方法推导出 的计算公式在一些特定的场合没有解，而这些场合在实际冷测时往往对应于某些 频率点处的高反射峰，是具有特定含义的。另外，为我们介绍了利顿窗的设计思 路：即缩减介质窗片区域的圆波导直径，使得没有介质部分的波导截止频率与有 介质部分的波导截止频率相等，这样就可以有效解决增加窗片厚度进而增大传输 6 第一章引言 功率和保持足够传输频带的矛盾。 最后指出，近年来已发展成熟的m a n a 程序利用场解分析手段，可以模拟各 种电磁场问题，特别是用等效电路方法无法处理的复杂边界条件，是解决这一问 题的理想分析工具。并利用这一工具，得到了如下结论：采用蓝宝石材料的盒 形窗工艺结构简单并具有优良的高频性能，在各个频段的中小功率毫米波行波管 已得到了广泛应用。但由于受到相对介电常数的限制，在k a 波段盒形窗的窗片厚 度非常薄，而且蓝宝石材料的导热性能一般，在大平均功率的场合，如应用在千 瓦级的毫米波行波管中可能导致灾难性的后果，存在着应用的局限性。利顿窗 为大平均功率毫米波行波管用输出窗提供了有效的解决方案，并在实际应用中得 到了证实。不过，它的工艺结构比较复杂，介质窗片的材料只能采用相对介电常 数比较低的氮化硼材料，在具体研制过程中不可避免地会遇到许多问题，具有一 定的技术难度。这个对设计出尺寸后作模拟时的程序选择提供了建议。 而关本康和莫怀德的微波盒形窗的阶段工作报告中也对其设计作了较详细的 分析嘲。考虑到瓷片一般不能太薄，为此应将瓷片作为一小段介质传输线来考虑。 比较精确的方法常用的有场匹配法( m m t ) 。现在多数盒形窗的尺寸都是用的 场匹配法来解决，这种方法，可以达到所要求的精确度。而且，用这方法获得传统微 波窗的完全散射矩阵，在现代个人计算机上用不了多久。之后当然可以作仿真和对 窗的构建作出评估。g l j a m e s 就在晒。模到h e 。模的圆柱波导模式变换器的分析 与设计中使用了这一方法【9 1 。v a s uk a s i b h o t l a 也使用这种方法分析模式耦合【1 0 1 。 另一种方法是f d t d 1 1 2 1 ，也就是有限时域差分法，它用来计算微波管的多个 不连续点和连接处不连续问题。我们可以用它来计算散射参量。但是就如其它直 接数字处理微分形式的m a x w e l l 方程组的方法一样，f d t d 也有其固有的局限性， 比如说，当处理无限时域无边界的电磁场散射问题时，就必须作相应的处理，例如， 截断。这个过程是人工进行的，必须确保没有可以对结果产生影响的反射在这些截 断处发生。 还有一种分析盒形窗的方法，就是利用场理论的计算机编码法。这种方法将 相关的高次模的影响也计算在内，把盒形窗各部分的模的幅值算出来后，可以用 它得到窗的散射参数、大约的场强、谐振的频率和q 值。相比典型的窗设计是一 种很大程度上依赖人的经验方法，这种方法是一种显著的进步。 还有一些方法，比如m o m ，及t h em e t h o do fm o m e n t s 1 3 1 ，m o d a la n a l y s i s 1 6 1 ， am o m e n ts o l u t i o n 1 7 和c a d 。 7 电子科技大学硕士学位论文 1 5 本论文的研究内容和意义 1 研究内容：本文对常规盒形窗的近似计算公式做了修改，使它可以用来计算具 有截止波导的盒形窗，然后对特殊结构的方一圆波导不连续阶跃电容进行了经 验修正。并使用a n s o f th f s s 三维计算软件来分析盒形窗的结构参数，找到了 两种较好的结构，分别有利于低频、高频部分性能，同时对有利于高频部分性 能的结构作了进一步优化。 2 意义：本论文首次提出了具有截止圆波导的盒形窗的设计方法，类似的工作在 国内外都还没有见到过有报导。论文提出的方法，不仅可以使得盒形窗中圆波 导可以工作在传输状态，也可以工作在截止状态。若工作在截止状态，可以使 得整个盒形窗尺寸大大缩小，结构紧凑。 8 第二章输出窗分析方法 2 1 引言 第二章输出窗分析方法 输出窗不仅是让高频能量尽可能无反射、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，各尺寸参数起着十分重要 的作用，直接影响输出窗的工作频率、频带、驻波系数，而陶瓷窗片则影响着微 波输出功率承受能力以及真空密封和机械性能。过去对盒形窗的研究中，针对的都 是常规标准波导，如图1 2 所示，对于两边连接不同矩形波导的盒形窗，因为频带 不易做宽，通常只用在某些特殊的窄带器件中，我们只对两边对称的盒形窗进行 分析，即a l = a 2 、b l = b 2 、k l = k 2 、z 1 = 1 2 ，并且芦= 9 0 0 。我们从等效电路的角 度分析这种常规盒形窗。 2 2 常规盒形窗微波等效电路理论分析 图2 一l 所示的盒形窗是在魉。单模工作矩形波导中插入一段硒。单模圆波 导，再在圆波导中间封接一片圆盘型薄陶瓷片而形成，此处z 1 一z 2 、七1 = 七2 = 8 = k 衄。由于在矩形波导和圆波导中都是单模工作，波导边界的阶跃跳变和材料性能 的变化可以等效为电路中电容的电纳。 。 图2 一l 盒形窗的结构示意图 盒形窗的工作原理结构及理论设计可以在许多文献中找到，但这种分析方法 有几个地方值得商榷【引。为了便于讨论，下面先将常用的分析方法作一简单介绍。 把盒形窗用近似等效电路表示如图2 2 所示，其中z c ，为矩形波导日，。模的特 性阻抗，z 。：为圆波导日。模的特性阻抗，x 。为方一圆过渡的阶跃电容的电纳，石2 是 9 电子科技大学硕士学位论文 由于薄介质片置入圆波导中所引入的等效并联电纳。 图2 2 盒形窗的近似等效电路 对谐振窗的基本要求是在工作频带内有足够小的附加反射，也就是希望具有 宽的工作频带。在盒形窗中有三处会引起反射：一是介质片本身由于f e o ，等 效引入一集中电容( 电纳为i x ：) ，有反射；另外两端的两个方一圆过渡也会引起 反射。设计盒形窗的基本出发点是：通过适当选择有关尺寸，使得在中心频率上 以上三个反射在输入端互相抵消，总的反射为零，这样就可以在中心频率附近的 一定频带内获得较小的反射。 盒形窗的等效电路可以用一个无耗四端网络来表示【1 8 】，如图2 3 。而输出窗 的输入功率p 。与输出功率p ：之比为： l 瓮l = 1 + 三( 4 一。) 2 + 丢( b c ) 2 ；三 理论上作为一级近似认为微波功率通过输出窗无损耗，即p 1 = p ： 等效四端口网络是对称的，所以a = d 。要使p ：= p 2 ，必须b = c 。 彳谬 t c d ( 2 1 ) ，因为窗的 图2 - - 3无损四端网络 互易对称无耗四端网络的插入损耗可用下式表示： = 1 。9 1 1 + 专( b c ) 2 l ( 2 - - 2 ) 如果b = c ，则l = 0 第二章输出窗分析方法 反射系数j r | 为： 驻波系数p 为： p =1 + 1 一 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 因此只要得出网络参量彳、口、c 、d 就可以根据式( 2 3 ) 或( 2 4 ) 计 算盒形窗的频率特性。 a o 一 式( 2 2 ) 可以用来设计盒形窗的几何参量。 图2 3 的网络可用矩阵形式表示为： 尼o 1 l l l x i 。 以 式中： f s i n 0 1r1 l i c o s o 儿i x 2 2 z c 2 咒2 一 z c l 6 z c l 2 一 口 z c 24 1 , 暑1 2 7 5 4 1 1 7 5 4 1 n l l l x l 2 瞄 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 1-llli_j 口口 n s 汹 口口 s n汹 _-l1l_j o 1口口 s n汹 -。-_-t_-_l 里厢 电子科技大学硕士学位论文 a 9 2 = 2 z 0 ；- 一1 a 掌2 胪钟n 等+ ( 麓) h 而d + b + 2 了( s i n ( i ) ) 2 刁 m ；一：r b 6 =一1 舻型等监 ( 2 一1 0 ) ( 2 一1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 把( 2 - - 6 ) 至( 2 - - 1 5 ) 代入式( 2 - - 5 ) 后得： b _ - b 2 2 s i n 日c 。s p z z ( s i n 8 ) 2 】 ( 2 1 6 ) c ：缸l ( c 。s 口) 2 + 等( c o s 2 + 2 f 三一x 优：一以k 乱s i n 口c o s p + ( 缸。+ 聆2 x 。2 x ：) ( s i n 2 nfn i ( 2 1 7 ) 么= ( c o s 0 ) 2 - ( s i n 0 ) 2 _ 2 忍2 x l s i n o c o s 0 一石2 s i n 0c o s 0 + 甩k 诺2 ( s i n 0 ) 2 ( 2 1 8 ) d ，么 ( 2 1 9 ) 由式( 2 3 ) 可知，当( b - c ) 为零时，可得l r i = o ，而由式( 2 1 6 ) 和式 ( 2 1 7 ) 徒j l ( b - c ) = 0 的条件为： ( x 2 n 2 + x & 犰2 一缸- ) ( s i n 臼) 2 2 ( 刀2 一1 + x 优：+ x 孙2 ) s i n p c o s 口( 2 - - 2 0 ) + ( 2 x - + 之n 工z ( c o s 口) 2 = 。 即： 第二章输出窗分析方法 ( x 2 n 2 - i - x 知狮2 也) ( 刎2 2 卜1 哪：嘣2 p + ( 2 x t + 之nz z ) 。 可将上式写为： x ( f g 口) 2 2 y t g o + z = 0 式中： 由式( 2 2 2 ) 得： ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) x - - ( n 2 工2 + 2 ，2 x 2 2 x 1 ) y 2 ( n 2 _ 1 + x 优z + ，z ；) ( 2 - - 2 3 ) z 一( 2 x + 纠 眇量 ( 2 2 4 ) 在给定的矩形波导尺寸a 、b 下，一般建议采用圆波导的直径d 约等于矩形波 导的对角线长，即： d = 2 r ；口2 + 6 2 ( 2 - - 2 5 ) 亦可以根据圆波导与矩形波导具有相同的临界波长的条件来选择圆波导的尺 寸，即： 加l a c 日品2 a 。日0 3 4 1 r 故有： d 。三口( 2 2 6 ) 3 4 l 同时，当窗片材料，及厚度t 选定后，即可以由式( 2 2 4 ) 算得在中心频率下无 反射时窗体的长度z 并根据式( 2 3 ) 及式( 2 4 ) 算出盒形窗的频响特性。 这就是盒形窗的典型设计计算方法。对这种方法有几点值得商榷，分别说明 如下： 电子科技大学硕士学位论文 一、上述计算是把陶瓷片作为一等效集总电容处理，事实上，由于a i ：0 ，瓷的 相对介电系数较大( 占，= 9 9 5 ) ，而瓷片的厚度由于机械性能及真空气密性等因 素限制，一般不能太薄( 典型尺寸为t 鲁1 咖) ，故应将瓷片作为一小段介质传输线 来考虑。其中z 。为介质圆片中日。模的特性阻抗。 考虑上述情况后，盒形窗的等效电路可用下图来表示： ztz ll z c l l z c 2 z c 3 z c 2z c l 彳。2 ，二三 三三：三；】 ，善i 二妒m 。2 s s i 妒n 妒 。，c s o ；n s o 口竺；】 t 三二： 2 i 彳c 等】 c 2 2 7 ， 式中： 其中： ，1 2 口一z c 2 z c l m 2 l z c 3 z c 2 幼z 0 ；- a 9 2 乙订 妒； a 9 3 1 4 ( 2 2 8 ) 第二章输出窗分析方法 a 9 1 a a 掌2 = a 暑3 = x 1 为式( 2 一1 2 ) ，z 。t 、z 。2 、z 。3 的值如下： 6 z c l 4 一 n z c 22 z c 32 7 5 4 7 5 4 7 5 4 ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) 将式( 2 - - 1 2 ) 、( 2 - - 2 8 ) 、( 2 - - 2 9 ) 及式( 2 - - 3 0 ) 代入式( 2 - - 2 7 ) 得： 么2 x s i n q , - 删卜盯一+ ) 豳妒+ 掰c o s 叫。2 删) s i n o c o s o + ( c o s t , 一m 2 n 2 x l s i n t p ) ( c o s o ) 2 b = m 2 z z s i l l 妒( c o s 日) 2 + 锄2 c o s 妒s i l l 口c o s 伊一s i l l 妒( s i n 口) 2 ( 2 - - 3 2 ) m 电子科技大学硕士学位论文 c = ( ( z ；言主一号芋) s ；n 妒一2 戈，c 。s 妒) ( s ；n 臼) 2 亿峙南2 卜一睁) 血妒卜c o s 口 + ( ( 寿而2 卜c o s 妒) ( c o s 盯 d = 彳 令b c = 0 ，由式( 2 - - 3 2 ) 及( 2 - - 3 3 ) 解得： y i f f g 口1 2 2 v z g 口+ z ：0 式中： x 2 ( ( 号；一言耋一：n 2x ；) s ；n 妒+ 缸t c o s 妒) y = 一( ( 誊+ m t ) s ；n 妒一( 主一九2 一n ；) 蠢s 妒) z 。2 ( ( 榭碥；一去卜嘞c o s 叫 解式( 2 - - 3 5 ) 得： 喀日。三 x ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) ( 2 3 9 ) 这样在给定有关尺寸下，可由式( 2 3 9 ) 算得在中心频率无反射时盒形窗的 长度z ，然后由式( 2 3 ) 及式( 2 4 ) 计算盒形窗的频率特性。 二、一般盒形窗设计的出发点是在其它几何参量均已选定的情况下，调整圆 波导的长度，使该盒形窗在中心频率时获得最小的反射为主要依据。但是这种考 虑方法在展宽频带方面有很大的局限性。我们曾就标准三公分波导( 2 2 8 6 1 0 1 6 r n r n 2 ) 及d 一2 5 r a m 的圆波导进行了大量的数字计算( 陶瓷片厚度t = - i r n m ， g ，一9 3 ) ，算得在低频端( 频率低于8 2 g h z ) 时频率特性显著变差。在增加d 的 情况下低频特性无明显改善。计算结果似乎已经明确表示出8 2 g h z 是这种结构窗 子的频率下限。现国内许多单位所采用的盒形窗的频率下限都在这一范围左右， 它们的频率特性有一共同的特点就是偏离中心频率后，反射系数单调上升如图2 圳 删 删 争 a ( ( 第二章输出窗分析方法 一5 所示： 图2 5 盒形窗的频率特性 从物理概念上来理解图2 5 的频率特性可以解释为： l 、由于单纯以中心频率时反射最小为依据来确定可调整量l ，因此就可能导致 偏离中心频率时反射系数单调上升，从而限制了频宽的扩展。 2 、由于在低频段，波导色散特性变强，所以频率特性急剧变差。 2 3 盒形窗中的场 图2 1 0 a 介质圆片横截面场图图2 l o b 盒形窗纵截面y z 面场图 1 7 6 5 4 3 2 1 o 1 1 1 1 1 1 1 电子科技大学硕十学位论文 图2 1 0 c 盒形窗纵截面x z 面场图图2 1 0 d 输入、输出端矩形波导横截面场图 图2 1 l a 相位为0 。 图2 1 lc 相位为9 0 。 1 8 图2 1 1 b 相位为4 5 。 图2 1 l d 相位为1 3 5 第二章输出窗分析方法 以上几个图均为盒形窗尺寸为4 ；2 2 8 6 衄、b = 1 0 1 6 1 1 1 1 1 1 ，z ；4 咖，t = l m m ， d = 2 5n m l ，占，；9 3 时的情况，图2 1 0 是1 0 4 g h z 时利用h f s s 模拟得到的场分 布图。从图中可以看出，圆波导和输入、输出端矩形波导中场的模式都符合要求， 没有杂模的存在。 图2 一1 1 口d 是图2 1 0 c 中的纵截面当频率为1 0 4 g h z 、相位变化时的场 分布图，从图上可以看出，该盒形窗纵截面场的动态分布情况。 2 4 关于阻抗比的问题 由于波导的等效阻抗的人为性，采用不同的定义，将得到不同的结果，利用 等效阻抗的概念来处理均匀截面波导的反射特性时，这种人为性不会使问题变