一种膜片加载宽带矩形波导窗的快速设计方法技术

该发明专利技术公开了一种膜片加载宽带矩形波导窗的快速设计方法，属于真空电子器件微波输能窗技术领域。本发明专利技术的设计过程避免了使用精度有限的等效电路法以及繁琐的理论设计计算，而是直接利用能精确考虑膜片厚度和窗片的电磁仿真软件；同时，设计过程仅仅膜片厚度dt与膜片宽度d进行小范围的单向扫描优化，必要时调整窗片材料，所以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、计算机资源消耗大等问题。本发明专利技术可以快速准确地得到满足特定性能要求的膜片加载宽带矩形波导窗的结构尺寸，是一种快速高效、便于操作的设计方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于真空电子器件微波输能窗
，具体涉及一种宽带膜片加载矩形波导窗的快速设计方法。
技术介绍
微波输能窗是真空电子器件输入输出系统重要的组成部分之一，也是高功率微波系统的一个重要无源器件。它除了真空密封作用外，还承担着将高频功率尽量小反射地传输到负载或天线。微波窗的质量好坏直接影响微波器件的频带、功率容量、可靠性、电参数及其寿命等技术指标，在很多情况下微波窗是整个微波系统功率容量提升的瓶颈所在，因而对其研究有着重要的价值。在各种高功率微波窗中，矩形波导窗具有结构简单紧凑、合适带宽和功率容量大等优点，被广泛应用于高频率、高功率微波真空器件中。矩形波导窗一般有两类：无膜片加载的矩形波导窗和膜片加载的矩形波导窗。膜片加载的矩形波导窗是在无膜片加载矩形波导窗的基础上，在陶瓷窗片两侧引入匹配膜片构成，以进一步展宽带宽。无膜片加载矩形波导窗和膜片加载矩形波导窗的结构示意图分别如图1与图2所示。无膜片加载矩形波导窗带宽比较窄，而膜片加载矩形波导窗的相对带宽可达10％-20％。本专利提出的设计方法主要针对膜片加载的宽带矩形波导窗。宽带矩形波导窗的设计主要是：首先根据给定中心频率f0，选择合适的矩形波导(包括宽边尺寸a和窄边尺寸b)以及合适的陶瓷窗片(包括窗片材料及窗片厚度t)；然后设计陶瓷窗片与膜片之间的距离L，膜片厚度dt和膜片开口宽度d，使得微波窗在工作频率范围内满足所要求的传输性能。目前，宽带矩形波导窗的设计主要利用等效电路模型，结合微波网络理论进行初始设计，然后利用计算机模拟的方法对部分结构参数在很大范围内进行扫描仿真与优化。然而等效电路模型的精度有限，无法准确考虑膜片厚度的影响，以及陶瓷窗片引入的附加电容等参量，从而使得由此得到的矩形波导窗初始结构尺寸很难满足要求的性能指标。在这些初始结构尺寸的基础上进行大范围内计算机模拟扫描与优化，耗时长、计算机资源消耗大。本专利技术提出了一种膜片加载宽带矩形波导窗的设计方法。该设计方法直接利用电磁仿真软件对矩形波导窗进行设计，避开了等效电路模型繁琐的理论分析，同时精确地考虑了膜片的厚度和窗片的影响，通过在小范围内对膜片厚度和膜片宽度进行扫描，就可快速得到满足性能要求的膜片加载宽带矩形波导窗。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术中膜片加载宽带矩形波导窗设计过程中存在的理论繁琐、耗时长、计算机资源消耗大、无法快速准确获得满足要求的结构尺寸的问题，提出了一种膜片加载宽带矩形波导窗的快速设计方法。本专利技术技术方案为：一种膜片加载宽带矩形波导窗的快速设计方法，包括以下步骤：S1、根据微波窗的中心频率与工作频率范围，选择矩形波导，确定其宽边尺寸a与窄边尺寸b；S2、选择陶瓷窗片的材料，根据中心频率的半个波导波长确定窗片厚度t。陶瓷窗片与矩形波导构成一个无膜片加载矩形波导窗；S3、利用电磁仿真软件对步骤S2构成的无膜片加载矩形波导窗进行频率扫描，在相对较宽的频带范围内(如50％的相对带宽)去仿真S11与S21曲线，获得S21与S11频率扫描曲线在低频处交点的频率值fmin；S4、根据步骤S3得到的fmin，得到膜片开口宽度的极小值dmin＝0.5c/fmin，其中，c为光速；S5、确定陶瓷窗片与匹配膜片之间的距离L；S6、设置膜片厚度dt的初始值为dt0＝t/5，膜片开口宽度d的初始值d0＝0.96dmin；S7、利用电磁仿真软件对膜片厚度dt从初始值dt0至t/3进行扫描，获得频率范围在0.85f0至1.15f0之间的电压驻波比曲线，并找到电压驻波比VSWR曲线出现两个波峰时对应的临界膜片厚度dt，作为更新后的初始值dt0；S8、利用电磁仿真软件对膜片开口宽度d从初始值d0至1.04dmin进行扫描，获得频率范围在0.85f0至1.15f0之间的电压驻波比VSWR曲线，并观察电压驻波比VSWR曲线在所要求的频带范围内是否达到要求的性能指标。若是，此曲线对应的d值即为膜片开口宽度，设计完成；若否，找到电压驻波比VSWR图像上第二波峰即将消失时的临界值点d，作为膜片开口宽度更新后的初始值d0。重复步骤S7-S8。S9、如果步骤S1-S8没有找到满足性能要求的膜片加载矩形波导窗，则调整窗片材料，重复步骤S2-S8，最终得到满足性能要求的膜片加载矩形波导窗。本专利技术的有益效果是：整个设计过程避免了使用精度有限的等效电路法以及繁琐的理论设计计算，而是直接利用能精确考虑膜片厚度和窗片的电磁仿真软件；同时，设计过程仅仅膜片厚度dt与膜片宽度d进行小范围的单向扫描优化，必要时调整窗片材料，所以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、计算机资源消耗大等问题。本专利技术可以
快速准确地得到满足特定性能要求的膜片加载宽带矩形波导窗的结构尺寸，是一种快速高效、便于操作的设计方法。附图说明图1为无膜片加载矩形波导窗的结构示意图。图2为膜片加载矩形波导窗的结构示意图。图3为无膜片加载矩形波导窗的结构参数示意图。图4为仿真无膜片加载矩形波导窗的S参数曲线。图5为膜片加载矩形波导窗的结构参数示意图。图6为对膜片加载矩形波导窗膜片厚度dt进行扫描的电压驻波比VSWR曲线。图7为对膜片加载矩形波导窗膜片厚度d进行扫描的电压驻波比VSWR曲线。图8为采用本专利技术提出的设计方法所设计的Ka波段膜片加载矩形波导窗的电压驻波比VSWR曲线。图9为本专利技术提供的膜片加载矩形波导窗设计方法流程图。具体实施方式下面结合附图与实例对本专利技术的实施方案做进一步的详细说明。本专利技术提供了一种膜片加载宽带矩形波导窗的设计方法，包括以下步骤：S1、根据微波窗的中心频率与工作频率范围，选择矩形波导，确定其宽边尺寸a与窄边尺寸b；一般情况下，可以根据中心频率与工作频率范围选择标准的矩形波导。比如Ka波段，中心频率为35GHz，查看标准矩形波导数据手册，就可以选择出一个合适的矩形波导WR28，其宽边尺寸a＝7.112mm，窄边尺寸b＝3.556mm。当然，也可以根据工作频率范围，以及矩形波导主模TE10模的单模传输条件等设计矩形波导。这个过程为本领域熟知的过程，这里不再赘述。S2、选择陶瓷窗片的材料，根据中心频率的半个波导波长确定窗片厚度t。陶瓷窗片与矩形波导构成一个无匹配膜片的矩形波导窗；常用陶瓷窗片材料有氧化铍、氮化硼、蓝宝石、氧化铝陶瓷、金刚石等。不同材料具有不同的介电特性、机械强度、热传导性能等，可以根据需要和成本选择合适的陶瓷窗片。矩形波导一般工作在主模TE10模单模传输的条件下。根据微波传输线理论，介质填充矩形波导主模(TE10模)的波导波长为： λ g 1 = 2 π k 2 - k c , TE 1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种膜片加载宽带矩形波导窗的快速设计方法，包括以下步骤：S1、根据微波窗的中心频率与工作频率范围，选择矩形波导，确定其宽边尺寸a与窄边尺寸b；S2、选择陶瓷窗片的材料，根据中心频率的半个波导波长确定窗片厚度t；陶瓷窗片与矩形波导构成一个无膜片加载矩形波导窗；S3、利用电磁仿真软件对步骤S2构成的无膜片加载矩形波导窗进行频率扫描，在较宽的频带范围内仿真S11与S21曲线，获得S21与S11频率扫描曲线在低频处交点的频率值fmin；S4、根据步骤S3得到的fmin，得到膜片开口宽度的极小值dmin＝0.5c/fmin，其中，c为光速；S5、确定陶瓷窗片与匹配膜片之间的距离L；S6、设置膜片厚度dt的初始值为dt0＝t/5，膜片开口宽度d的初始值d0＝0.96dmin；S7、利用电磁仿真软件对膜片厚度dt从初始值dt0至t/3进行扫描，获得频率范围在0.85f0至1.15f0之间的电压驻波比曲线，并找到电压驻波比VSWR曲线出现两个波峰时对应的临界膜片厚度dt，作为更新后的初始值dt0；S8、利用电磁仿真软件对膜片开口宽度d从初始值d0至1.04dmin进行扫描，获得频率范围在0.85f0至1.15f0之间的电压驻波比VSWR曲线，并观察电压驻波比VSWR曲线在所要求的频带范围内是否达到要求的性能指标；若是，此曲线对应的d值即为膜片开口宽度，设计完成；若否，找到电压驻波比VSWR图像上第二波峰即将消失时的临界值点d，作为膜片开口宽度更新后的初始值d0；重复步骤S7‑S8；S9、如果步骤S1‑S8没有找到满足性能要求的膜片加载矩形波导窗，则调整窗片材料，重复步骤S2‑S8，最终得到满足性能要求的膜片加载矩形波导窗。...

【技术特征摘要】
1.一种膜片加载宽带矩形波导窗的快速设计方法，包括以下步骤：S1、根据微波窗的中心频率与工作频率范围，选择矩形波导，确定其宽边尺寸a与窄边尺寸b；S2、选择陶瓷窗片的材料，根据中心频率的半个波导波长确定窗片厚度t；陶瓷窗片与矩形波导构成一个无膜片加载矩形波导窗；S3、利用电磁仿真软件对步骤S2构成的无膜片加载矩形波导窗进行频率扫描，在较宽的频带范围内仿真S11与S21曲线，获得S21与S11频率扫描曲线在低频处交点的频率值fmin；S4、根据步骤S3得到的fmin，得到膜片开口宽度的极小值dmin＝0.5c/fmin，其中，c为光速；S5、确定陶瓷窗片与匹配膜片之间的距离L；S6、设置膜片厚度dt的初始值为dt0＝t/5，膜片开口宽度d的初始值d0＝0.96dmin；S7、利用电磁仿真软件对膜片厚度dt从初始值dt0至t/3进行扫描，获得频率范围在0.85f0至1.15f0之间的电压驻波比曲线，并找到电压驻波比VSWR曲线出现两个波峰时对应的临界...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝毅亮，朱小芳，胡权，胡玉禄，李斌，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51