3mm波段回旋管高频窗的研究

论文摘要

输出窗是高功率回旋管的关键部件之一。它的好坏直接影响着回旋管的性能,甚至整管研制的成败。因此,设计出低反射、能够传输高频率的回旋管输出窗是研制回旋管的一项重要工作,本文在前人工作的基础上设计出了三种适用于3mm波段、传输功率为50kW的回旋管输出窗,主要做了以下几方面的工作:首先,概述了在设计回旋管输出窗中常用到的微波网络知识及输出窗片介质材料的要求;比较了几种常见介质材料的特点。然后通过对常规盒型窗的近似计算公式的改进,得出了适用于较高频率的厚盒型窗的近似计算公式;并借助高频仿真软件Ansoft HFSS就盒型输出窗结构参数对输出特性的影响作了详细的分析;依据前面的计算公式和分析结果设计出了适用于3mm波段传输功率为50kW的回旋行波管盒型输出窗。其次,在已有的圆波导输出窗理论的基础上,编写了基于FORTRAN语言的圆波导输出窗优化计算程序,并用它对圆波导输出窗各结构参数进行了详细的分析;将数值计算结果和Ansoft HFSS模拟结果进行了比较,吻合的较好。最后设计出了适用于3mm波段传输功率为50kW的回旋振荡管输出窗,该输出窗的中心频率94GHz,在92.6—95.4GHz内,驻波比小于1.1,带宽2.4GHz。对于工作于单频率点的回旋振荡管,这个带宽是可以符合要求的。再次,分析了一种三层介质矩形高频窗,通过理论计算得到了各层介质的厚度值,然后分别用高频仿真软件Ansoft HFSS和CST进行了模拟比对,两个软件模拟结果吻合的很好,得到的驻波比随频率变化关系曲线表明:该窗中心频率在92GHz,在VSWR＜1.15下,带宽约16GHz(17.4%)。由于其带宽较好,且总体介质厚度较大,所以是回旋行波管输出窗的理想选择。最后,对以上三种输出窗介质表面的电场分布进行了分析,给出了大量的介质表面电场强度分布图和横向电场矢量图;在对输出窗平均传输功率容限分析的基础上,计算了所设计的盒型窗片和圆波导窗片介质表面的温度差。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究意义
• 1.2 国内外发展现状
• 1.2.1 发展现状
• 1.2.2 常用输出窗的形式
• 1.3 本论文的主要工作及创新点
• 1.3.1 本论文的主要工作
• 1.3.2 本论文的创新点
• 第二章 微波等效电路方法和输出窗材料的概述
• 2.1 微波等效电路方法概述
• 2.1.1 传输线参量
• 2.1.2 二端口网络
• 2.1.3 基本电路单元的网络参量
• 2.2 输出窗介质材料概述
• 2.2.1 输出窗的综合要求
• 2.2.2 输出窗材料的选择
• 第三章 3mm回旋管盒型输出窗
• 3.1 薄介质片盒型窗的等效电路分析
• c的公式'>3.1.1 推导计算B_c的公式
• 3.1.2 矩形波导与圆波导连接时不连续处所引入的电纳
• 3.1.3 盒型窗的A矩阵
• 3.2 厚介质窗的等效电路分析
• 3.3 厚窗的设计方法
• 3.3.1 设计步骤
• 3.3.2 HFSS仿真步骤
• 3.3.3 介质厚度t对输出窗驻波比的影响
• 3.3.4 圆波导半径r对输出窗驻波比的影响
• 3.3.5 窗片两边圆波导段的长度l对输出窗驻波比的影响
• r对输出窗驻波比的影响'>3.3.6 介质相对介电常数ε_r对输出窗驻波比的影响
• 3.4 小结
• 第四章 3mm回旋管圆波导输出窗
• 4.1 引言
• 4.2 等效电路理论分析
• 4.3 数值计算与分析
• 4.4 HFSS仿真结果
• 4.5 小结
• 第五章 3mm回旋管三层介质矩形高频窗
• 5.1 引言
• 5.2 理论分析
• 5.3 仿真模拟
• 5.4 小结
• 第六章 输出窗片表面电场和热量的分析
• 6.1 输出窗陶瓷介质表面的电场分布意义
• 6.1.1 盒型输出窗陶瓷介质表面的电场分布
• 6.1.2 圆波导输出窗陶瓷介质表面的电场分布
• 6.1.3 三层介质矩形窗陶瓷介质表面的电场分布
• 6.2 输出窗热量分析
• 6.2.1 平均传输功率容限的分析
• 6.2.2 盒型窗和圆波导窗温升的计算
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果