CN104979145A - 一种毫米波变异盒型窗的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种毫米波变异盒型窗的设计方法，包括以下步骤：S1、根据微波窗的工作频率范围确定矩形波导的型号与尺寸以及圆波导的直径；S2、选择介质窗片的材料、直径与厚度；S3、利用微波网络理论判断步骤S2选择的介质窗片的材料、直径与厚度是否满足匹配条件；S4、利用微波网络理论确定圆波导的长度；S5、利用微波网络理论判断毫米波变异盒型窗的传输特性是否满足需求；S6、利用三维电磁模拟软件对确定的毫米波变异盒型窗进行建模与性能分析，得到满足性能要求的毫米波变异盒型窗。本发明可以准确快速地求出满足特定性能要求的毫米波变异盒型窗，为高性能微波输能窗的快速高效设计提供了一种行之有效的方法。

Description

一种毫米波变异盒型窗的设计方法

技术领域

本发明属于微波真空电子器件输入输出窗技术领域，具体涉及一种毫米波变异盒型窗的设计方法。

背景技术

毫米波是指频率在30GHz与300GHz之间的电磁频谱，具有频带宽、波束窄、全天候和小型化等优点。随着电磁频谱的不断开发与应用，微波真空电子器件不断向毫米波与亚毫米波波段发展，并在雷达、制导、电磁对抗、战术战略通信、深空探测、成像和生物效应等方面得到广泛应用。微波输能窗是真空电子器件的关键部件之一，其功能是将器件内的高真空环境与外界的大气环境隔离，同时将高频功率尽量小反射地传输到负载或天线。微波输能窗的性能对器件的频带、功率容量、可靠性和寿命具有重要影响。

在毫米波波段，微波输能窗经常采用的标准盒型窗结构如图1所示，由矩形波导1、圆波导2和介质窗片3组成。由于具有结构与工艺简单、工作频带宽以及功率容量大等优点，标准盒型窗结构成为微波管中使用最普遍的输能窗结构。随着工作频率向短毫米波与亚毫米波扩展，微波管各个零部件的尺寸不断缩小。微波输能窗尺寸的缩小导致窗片厚度日益变薄，标准输能窗结构在气密性与机械强度等方面面临挑战。为了适应盒型窗在短毫米波与亚毫米波波段的应用，提出了采用介质窗片3边缘与窗零件进行封接的变异盒型窗结构，如图2所示，以保证盒型窗的强度和气密性。

对于标准盒型窗结构，从微波网络与传输线理论出发，已建立了完善的设计与分析理论，能够快速获得基本满足性能要求的初始结构参数，并结合三维电磁场模拟软件进行优化，可以快速获得所要求的结构与性能。目前，对于毫米波变异盒型窗结构，主要利用三维电磁场模拟软件进行大量的模拟仿真，以获得满足性能要求的结构尺寸。这种方法耗时长、计算机资源消耗大、无法快速准确判断窗片材料与尺寸的选择是否满足匹配要求，甚至无法获得满足要求的结构尺寸。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中毫米波变异盒型窗设计存在的耗时长、计算机资源消耗大、无法准确快速判断窗片材料与尺寸的选择是否满足匹配要求的问题，提出了一种毫米波变异盒型窗的设计方法。

本发明的技术方案为：一种毫米波变异盒型窗的设计方法，包括以下步骤：

S1、根据微波窗的工作频率范围确定矩形波导的型号与尺寸以及圆波导的直径；

S2、选择介质窗片的材料、直径与厚度；

S3、利用微波网络理论判断步骤S2选择的介质窗片的材料、直径与厚度是否满足匹配条件；

若满足，则进入步骤S4；

若不满足，则返回步骤S2；

S4、利用微波网络理论确定圆波导的长度；

S5、利用微波网络理论判断毫米波变异盒型窗的传输特性是否满足需求；

若满足，则进入步骤S6；

若不满足，则调整圆波导的直径和长度以及介质窗片直径和厚度，并重复步骤S5；

S6、利用三维电磁模拟软件对确定的毫米波变异盒型窗进行建模与性能分析，如果性能没有达到要求，则适当优化圆波导的长度和直径以及介质窗片的厚度和直径，得到满足性能要求的毫米波变异盒型窗。

进一步地，步骤S1中圆波导的直径等于矩形波导对角线长度。

进一步地，步骤S2中介质窗片的直径比圆波导的直径大1mm。

进一步地，步骤S2中介质窗片的厚度远小于电磁波在介质窗片中传播的导波波长。

进一步地，步骤S2中介质窗片的厚度小于电磁波在介质窗片中传播的导波波长的十分之一。

进一步地，步骤S5中毫米波变异盒型窗的传输特性分为驻波频率特性和反射频率特性。

本发明的有益效果是：本发明可以准确快速地求出满足特定性能要求的毫米波变异盒型窗，克服了单纯利用三维电磁模拟软件进行设计所带来的耗时长、计算机资源消耗大以及无法准确快速判断窗片材料和尺寸选择的合理性等问题，为高性能微波输能窗的快速高效设计提供了一种行之有效的方法。

附图说明

图1为标准盒型窗结构示意图。

图2为毫米波变异盒型窗结构示意图。

图3为本发明提供的一种毫米波变异盒型窗的设计方法流程图。

图4为毫米波变异盒型窗剖面结构示意图。

图5为毫米波变异盒型窗的等效电路图。

附图标记说明：1—矩形波导、2—圆波导、3—介质窗片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。

毫米波变异盒型窗结构如图2所示，由矩形波导1、圆波导2和介质窗片3构成，其中介质窗片3边缘与窗零件进行封接，以保证盒型窗的强度和气密性。

本发明提供了一种毫米波变异盒型窗的设计方法，如图3所示，包括以下步骤：

S1、根据微波窗的工作频率范围确定矩形波导1的型号与尺寸以及圆波导2的直径D₁；

随着微波技术的发展与应用，形成了应用在各个频段的标准矩形波段。根据微波窗的工作频率范围，可以确定对应的标准矩形波导1，得到相应的矩形波导1宽边长度a与窄边长度b。这个过程为本领域公知常识，在此不再赘述。

圆波导2的直径D₁通常取矩形波导1的对角线长度，如公式(1)所示：

$D_1\≈\sqrt{a^2+b^2}---\left(1\right)$

式中a为矩形波导的宽边尺寸，b为矩形波导的窄边尺寸。

S2、选择介质窗片3的材料、直径D₂与厚度t；

在毫米波波段，常用的介质窗片3材料主要有氧化铍，蓝宝石，金刚石等，可以根据需要选择。介质窗片3的直径D₂一般大于圆波导2直径D₁一毫米左右。介质窗片3的厚度t要求远小于电磁波在介质窗片3中传播的导波波长，通常要求小于十分之一的导波波长。

S3、利用微波网络理论判断步骤S2选择的介质窗片3的材料、直径与厚度是否满足匹配条件；

介质窗片3的材料、直径D₂与厚度t是否合适，能否满足匹配条件，需要借助微波网络理论进行分析。

毫米波变异盒型窗的剖面图如图4所示，根据微波网络理论得到毫米波变异盒型窗的等效电路如5所示。jB₁是矩形波导1与圆波导2连接处由于波导不连续性引入的归一化电纳(j为虚数单位)。由于矩形波导1的宽边a与圆波导2的直径D₁比较接近，因此，由宽边a尺寸变化引起的感性电抗比由窄边尺寸b变化引起的容性电抗要小得多。根据矩形波导不连续性理论，近似将矩形波导1与圆波导2的变换等效为两个不同截面的矩形波导的变换，有

式中 b为矩形波导1的窄边尺寸，d为圆波导2的直径，λ_g为矩形波导的导波波长。

jB₂为圆波导2与介质窗片3连接处的归一化电纳。由于jB₂的数值不容易确定，作为近似计算，可取零。

jB_c是介质窗片3对于直径等于介质窗片3直径D₂的圆波导2特性阻抗的归一化等效电纳。B_c可按照公式(3)得到：

$B_c=t({\mathrm{\ϵ}}_r-1)\frac{\mathrm{\ω}}{c}\frac{{\mathrm{\λ}}_g^0}{\mathrm{\λ}}---\left(3\right)$

式中t为介质窗片3的厚度，ε_r为介质窗片3的相对介电常数，由介质窗片3的材料决定；ω为毫米波变异盒型窗的工作角频率，c为自由空间的光速，λ为自由无界空间的波长，为直径等于介质窗片3直径D₂的圆波导2的导波波长。λ和都是频率的函数，其具体计算式是本领域公知常识，在此不再赘述。

根据微波传输线理论，得到毫米波变异盒型窗的归一化转移矩阵为：

$\begin{array}{c}\left[\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\sqrt{g}& 0\\ j{B}_1\sqrt{g}& 1/\sqrt{g}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\βL}& j\sin \mathrm{\βL}\\ j\sin \mathrm{\βL}& \cos \mathrm{\βL}\end{array}\right]\\ \×\left[\begin{array}{cc}\sqrt{g_1}& 0\\ j{B}_2\sqrt{g_1}& 1/\sqrt{g_1}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ j{B}_c& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1/\sqrt{g_1}& 0\\ j{B}_2\sqrt{g_1}& \sqrt{g_1}\end{array}\right]\\ \×\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\βL}& j\sin \mathrm{\βL}\\ j\sin \mathrm{\βL}& \cos \mathrm{\βL}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1/\sqrt{g}& 0\\ j{B}_1\sqrt{g}& \sqrt{g}\end{array}\right]\end{array}---\left(4\right)$

式中L为圆波导2的长度，β为圆波导2中TE₁₁模的纵向相位常数，是频率的函数。λ_c,1与β的计算方法是是本领域公知常识，在此不再赘述。g为直径为D₁的圆波导2与矩形波导1特性阻抗之比，即：

$g=\frac{Z_{0,\mathrm{cir}}}{Z_{0,\mathrm{rec}}}=\frac{a}{b}\frac{\sqrt{1-{(\mathrm{\λ}/2a)}^2}}{\sqrt{1-{(\mathrm{\λ}/{\mathrm{\λ}}_{c,1})}^2}}---\left(5\right)$

式中a,b分别为矩形波导1的宽边与窄边尺寸，λ为自由无界空间中的波长，λ_c,1为圆波导2中TE₁₁模的截止波长。

g₁为直径为D₂的圆波导2与直径为D₁的圆波导2的特性阻抗之比，即：

$g_1=\frac{\sqrt{1-{\left(\mathrm{\λ}{/\mathrm{\λ}}_{c,1}\right)}^2}}{\sqrt{1-{(\mathrm{\λ}/{\mathrm{\λ}}_{c,2})}^2}}---\left(6\right)$

λ为自由无界空间中的波长，λ_c,1和λ_c,2分别为直径为D₁的空心圆波导2与直径等于介质窗片3直径D₂的空心圆波导2中TE₁₁模的截止波长，其计算方法是是本领域公知常识，在此不再赘述。

公式(4)中矩阵展开得到转移矩阵各个元素为：

$A=D={\cos }^2\mathrm{\βL}-\sin \mathrm{\β}L\cos \mathrm{\βL}(2B_{1}g+2B_2+\frac{B_c}{g_1})-{\sin }^2\mathrm{\βL}\{1-B_{1}g(2B_2+\frac{B_c}{g_1})\}---\left(7\right)$

$B=j\{2g\sin \mathrm{\β}L\cos \mathrm{\βL}-g(2B_2+\frac{B_c}{g_1}){\sin }^2\mathrm{\βL}\}---\left(8\right)$

$\begin{array}{c}C=j\{2B_1+\frac{1}{g}(2B_2+\frac{B_c}{g_1})\}{\cos }^2\mathrm{\βL}-j\{2B_1-B_1^{2}g(2B_2+\frac{B_c}{g_1})\}{\sin }^2\mathrm{\βL}\\ -j2\{B_1^{2}g-\frac{1}{g}+B_1(2B_2+\frac{B_c}{g_1})\}\sin \mathrm{\β}L\cos \mathrm{\βL}\end{array}---\left(9\right)$

根据微波网络理论，对于互易无耗双端口网络(A＝D)，入射功率P₁与输出功率P₂之比为：

$P_l=\frac{P_1}{P_2}=1+\frac{1}{4}{(A-D)}^2-\frac{1}{4}{(B-C)}^2=1-\frac{1}{4}{(B-C)}^2---\left(10\right)$

在进行微波窗设计时，一般希望在中心频率处实现功率的无反射传输。由公式(10)可知，实现功率无反射传输的条件为B＝C，从而得到：

$\begin{array}{c}\{2B_1+\frac{1}{g}(2B_2+\frac{B_c}{g_1})\}{\cos }^2\mathrm{\βL}+\{g(B_1^2+1)(2B_2+\frac{B_c}{g_1})-2B_1\}{\sin }^2\mathrm{\βL}\\ -2\{(B_1^2+1)g-\frac{1}{g}+B_1(2B_2+\frac{B_c}{g_1})\}\sin \mathrm{\β}L\cos \mathrm{\βL}=0\end{array}---\left(11\right)$

由此得到圆波导2长度L满足的方程：

$\begin{array}{c}\{g(B_1^2+1)(2B_2+\frac{B_c}{g_1})-2B_1\}{\tan }^2\mathrm{\βL}\\ -2\{(B_1^2+1)g-\frac{1}{g}+B_1(2B_2+\frac{B_c}{g_1})\}\tan \mathrm{\βL}+\{2B_1+\frac{1}{g}(2B_2+\frac{B_c}{g_1})\}=0\end{array}---\left(12\right)$

令

$X=(B_1^2+1)g-\frac{1}{g}+B_1(2B_2+\frac{B_c}{g_1})---\left(13\right)$

$Y=g(B_1^2+1)(2B_2+\frac{B_c}{g_1})-2B_1---\left(14\right)$

$Z=2B_1+\frac{1}{g}(2B_2+\frac{B_c}{g_1})---\left(15\right)$

可得到：

Y tan²(βL)-2X tan(βL)+Z=0                    (16)

求解公式(16)，可得到满足指定频率的功率无反射传输的圆波导2长度L为：

$L=\frac{1}{\mathrm{\β}}a\tan (\frac{X}{Y}+\sqrt{{\left(\frac{X}{Y}\right)}^2}-\frac{Z}{Y})---\left(17\right)$

那么在指定频率点上，要存在满足匹配要求的圆波导段长度L，介质窗片3的材料、直径D₂与厚度t的选择必须满足：

${\left(\frac{X}{Y}\right)}^2\≥\frac{Z}{Y}---\left(18\right)$

将介质窗片3的材料、直径D₂与厚度t代入上述各式，判断其是否满足如公式(18)所述的匹配条件；

若满足，则进入步骤S4；

若不满足，则返回步骤S2；

S4、利用微波网络理论确定圆波导2的长度；

根据公式(17)即可求得圆波导2的长度L。

S5、利用微波网络理论判断毫米波变异盒型窗的传输特性是否满足需求；

毫米波变异盒型窗的传输特性通常可以由驻波频率特性和反射频率特性来描述。

驻波频率特性可由驻波系数ρ表征，其计算公式为：

$\mathrm{\ρ}=2P_l-1+2\sqrt{P_l^2-P_l}---\left(19\right)$

式中P_l可由公式(10)求得。

反射频率特性可由反射系数|Γ|表征，其计算公式为：

$\left|\mathrm{\Γ}\right|=\frac{\mathrm{\ρ}-1}{\mathrm{\ρ}+1}---\left(20\right)$

将公式(19)求得的驻波系数ρ代入公式(20)即可求得反射系数|Γ|。

一般而言，要求设计的毫米波变异盒型窗在要求的频率范围内驻波系数ρ＜1.1，反射系数|Γ|＜26.8dB。

判断驻波系数ρ与反射系数|Γ|是否满足需求；

若满足，则进入步骤S6；

若不满足，则调整圆波导2的直径D₁和长度L以及介质窗片3直径D₂和厚度t，并重复步骤S5；

S6、利用三维电磁模拟软件对确定的毫米波变异盒型窗进行建模与性能分析，必要时对介质窗片3的直径D₂、厚度t以及圆波导2的长度L在小范围内进行扫描或优化，得到满足性能要求的毫米波变异盒型窗。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种毫米波变异盒型窗的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据微波窗的工作频率范围确定矩形波导(1)的型号与尺寸以及圆波导(2)的直径；

S2、选择介质窗片(3)的材料、直径与厚度；

S3、利用微波网络理论判断步骤S2选择的介质窗片(3)的材料、直径与厚度是否满足匹配条件；

若满足，则进入步骤S4；

若不满足，则返回步骤S2；

S4、利用微波网络理论确定圆波导(2)的长度；

S5、利用微波网络理论判断毫米波变异盒型窗的传输特性是否满足需求；

若满足，则进入步骤S6；

若不满足，则调整圆波导(2)的直径和长度以及介质窗片(3)直径和厚度，并重复步骤S5；

S6、利用三维电磁模拟软件对确定的毫米波变异盒型窗进行建模与性能分析，综合优化圆波导(2)的长度和直径以及介质窗片(3)的厚度和直径，得到满足性能要求的毫米波变异盒型窗。

2.根据权利要求1所述的毫米波变异盒型窗的设计方法，其特征在于，所述步骤S1中圆波导(2)的直径等于矩形波导(1)对角线长度。

3.根据权利要求1所述的毫米波变异盒型窗的设计方法，其特征在于，所述步骤S2中介质窗片(3)的直径比圆波导(2)的直径大1mm。

4.根据权利要求1所述的毫米波变异盒型窗的设计方法，其特征在于，所述步骤S2中介质窗片(3)的厚度远小于电磁波在介质窗片(3)中传播的导波波长。

5.根据权利要求4所述的毫米波变异盒型窗的设计方法，其特征在于，所述步骤S2中介质窗片(3)的厚度小于电磁波在介质窗片(3)中传播的导波波长的十分之一。

6.根据权利要求1所述的毫米波变异盒型窗的设计方法，其特征在于，所述步骤S5中毫米波变异盒型窗的传输特性分为驻波频率特性和反射频率特性。