300ghz输出窗设计_本科毕业设计(编辑修改稿)

300ghz输出窗设计_本科毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

学位论文 10 （ 2） 介质片进入的容性电纳。 0( 1) )( )gcBd c  （ (2218) 式中： d 为窗片 厚度；  为角频率， 2 f ； c 为光速； 0g 为圆波导波长。 从式（ 2218）求出 cB 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 E 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 B 为 22221 3 21 s in2 ( ) 24 ng nb d b b d d bB I n I nb d d b d b n        (2219) 式中：2 21 11 2n kdn  ； bd ； b 为矩形波导窄边尺寸； d 为圆波导直径； 1g 为矩形波导的波导波长； k 为矩形波导传播常数， 12/gk 。 连接处复数导纳的电导部分为 bG d (2220) 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第 2 章 盒型输出窗的理论分析 11 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 l 以后，可以核算频宽。 由公式（ 228）可得出反射系数  1/2121PPP (2221) 驻波比为 11   (2222) 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。 高频厚窗结构分析 对于高工作频率，采用传统的盒型输出窗，为了获得匹配，窗片厚度将变的很薄，影响窗片与盒框的封接，采用窗片厚度为 1/2 填充介质的波导波长的厚窗结构可以解决这方面的问题。 此外 ，采用厚窗结构，对于某些强度较低，但导热性能好的陶瓷材料 [6] ，可以在提高功率容量的同时，增加其强度。 在该结构中，可以将窗片看作一段传输线，考虑对称结构，公式（ 222）可变为 1 1 11111c os sin0 c os sin1 sin c ossin c os1/t jg tgA B l j lj t tC D j l ljB g g g             11 / 0c o s s i ns i n c o s gl j lj l lj B g g    (231) 电子科技大学学士学位论文 12 式中： 112/g   ，20120213 .1 423 .1 4rDgD ， 01 2023. 14gr D  。 传输线矩阵其他的个元素分别为 221 1 1 1 11111c o s ( c o s si n ) si n ( si n c o s )1si n c o s si nBgA D t B g g t l t tgl l g tg            (232) 221 1 11c o s 2 s in c o s c o s s in s ingB j g g l g l l t l tg        (233) 221 1 112122 11111c o s 2 c o s s in1s in c o s 2 c o ss in 2 c o s ( ) s inC j l B t g g B tggj l l B g tgggj l t B tgg             (234) 对于中心频率，当 12gt  时，式（ 231）变为 120 c os si nsi n c os1/1 / 01 0 c os si n0 1 si n c osgA B l j lC D j l lj B g ggl j lj l l j B g g                     (235) 由上式求得传输矩阵各元素为 22c os si n 2 si n c osA D l l gB l l        (236) 2 s in c o sB j g l l (237) 2 2 2 12 c o s 2 s i n 2 ( ) s i n c o sC j B l B l B g l lg        (238) 第 2 章 盒型输出窗的理论分析 13 类似于薄窗结构，由无反射条件求得圆波导段的长度 l ，即 2a r c ta n (2 gX X ZlY Y Y     (239) 式中： 21。 2。 2X g B g Y B Z Bg     。 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 ab ，确定圆波导的直径 D。 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 22D a b (241) 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。 对于高平均功率和高频率的输出窗，为了提高热容量，采用导热性能好的材料。 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 57mm mm ， S波段的窗片厚度为 4mm mm ，C 波段窗片厚度为 mm ，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（ 2218）和式（ 2219）求得介质窗片引入的等效电容 cB 以及矩形波导与圆波导连接处引入的电纳 1B。 （ 4）将以上参数带入式（ 2215），判断式（ 2214）是否有解，再根据式（ 2210）求得圆波导的长度 l。 如果式（ 2214）不成立，应重新选择圆波导的直径和窗片的厚度。 （ 5）采用式（ 221） ~式（ 228）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。 在采用三维电磁仿真软件对设计进行核算和再仿真。 常规输出窗基本参数的计算 常规对称盒型输出窗的参数有： 矩形波导尺寸； 电子科技大学学士学位论文 14 窗片厚度 t ，直径 d ； 圆波导直径 D，厚度 l。 由于常规输出窗结构较为固定， 参考 节计算公式 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。 矩形波导尺寸 矩形波导宽边窄边长度为给定值，不加讨论的定位 m m m。 矩形波导长度 k ，理论上越长越接近实际，但用 CST 进行结果仿真时，过长的话计算量过大，影响计算时间。 兼顾两方面因素将其定为。 窗片尺 寸 工作频段为 300 ~ 330G H z G H z，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 分析得采用窗片厚度 1/2 填充介质的波导波长的厚窗结构可以解决这方面的问题。 取中心频率 0 315f GHz ，真空中的波长为 0 0cf (251) 窗片中的波长为 01 r  (252) 所以窗片厚度为 12t  (253) 常规模型窗片直径等于圆波导直径。 圆波导尺寸 常规模型窗片直径等于矩形波导对角线长度即 22D a b (254) 本模型的重点是求圆波导的长度。 找到合适的圆波导长度，使得盒型窗等效电路传输矩阵 ABCD 中 BC ,即使盒型窗工作在匹配状态，得到最好的透射效第 2 章 盒型输出窗的理论分析 15 果。 由厚窗结构传输计算公式（ 233）、式（ 234）可求得 B 、 C。 计算其值可用 Matlab 编程，以 l 为自变量， BC 为因变量画图，其横轴零点即为所要求的l。 Matlab 程序见附录一，如图 22 即为所画求解图。 8 6 4 2 0 2 4 6 8 1 050510l . . . ( 1626655093146365004645134772849474698497496511 / 22300745198530623141535718272648361505980416 s i n ( 2100  x )2 c o s ( 2100  x )2 1077873365707701 / 1125899906842624 ) s i n ( 2100  x ) c o s ( 2100  x )BC 图 22 BC 全图 由图 22 可以看出 BC 的值相对于 l 显周期性变 化，且零点效果理论上相同，为得到较为准确的值，所以取第一个周期，如下图 23 所示。 电子科技大学学士学位论文 16 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4 4 . 5 5x 1 04 1 050510l . . . ( 1626655093146365004645134772849474698497496511 / 22300745198530623141535718272648361505980416 s i n ( 2100  x )2 c o s ( 2100  x )2 1077873365707701 / 1125899906842624 ) s i n ( 2100  x ) c o s ( 2100  x )BC 图 23 BC 第一周期 由图 33 可得取零点时 l 的取值为 0 . 2 , 0 . 2 3 , 0 . 2 8 , 0 . 4 7m m m m m m m m，所以将 l 的值初步定位 ~ mm，再用 CST 进行优化，确定最终模型。 由以上分析的具体参数：矩形波导长宽高为 0 .7 1 1 0 .3 5 5 0 .5m m m m m m ； 窗片直径等于圆波导直径 D mm ； 窗片厚度 mm ； 圆波导长度 l 经行仿真优化。 第 3 章 盒型输出窗的模拟计算与分析 17 第 3章 盒型输出窗的模拟计算与分析 本文讨论 300 ~ 330G H z G H z 波段常规盒型输出窗与非常规输出窗的特性，运用 Matlab、 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 [7] 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。 具体参数与技术指标：矩形波导尺寸为 m m m ； 频带为 300 ~ 330G H z G H z； 中心频率为 315GHz ； 蓝宝石相对介电常数为 9r。