W波段高频输出窗仿真与实验研究

　　研究了W 波段高频输出窗的工作特性及三个关键结构尺寸对工作特性的影响规律。结果表明，驻波比小于1.2的频带为94.21~ 94.76 GHz；驻波比小于1.1 的频带为94.34~ 94.64 GHz；工作频带内无谐振模式；窗片厚度对工作特性影响最大。热力学分析显示，温度最高点和应力最大点分别位于陶瓷窗片中心和边缘；最高温度和最大应力分别为117℃ 和144MPa。研制并测试了W 波段高频输出窗。测试结果表明，驻波比小于1.2 的频带为94.13~ 94.60 GHz，驻波比最小值为1.06,对应的频率为94.40 GHz。

　　大功率速调管通过电子注与高频场的相互作用将直流能量转化为高频能量，具有高输出功率、高增益、长寿命、高稳定性等特点。带状束电子注降低了空间电荷效应，扩大了互作用区域，在低电压下能获得大的电流，带状注器件具有更高的功率输出和发展潜力。在速调管中，电子注与谐振腔高频场互作用产生的微波能量通过耦合手段输送给负载。

　　输出窗是解决高频能量输出和维持器件自身高真空度之间的相互矛盾而出现的，是大功率微波电真空器件、加速器和其它大功率微波电子系统的关键部件之一。输出窗的主要功能是将速调管产生的微波功率通过矩形波导等传输线传输到天线等负载，同时分离管内的高真空环境和大气环境。输出窗的性能包括驻波-频率特性、插入损耗、和能承受的功率容量等，对器件和系统的工作频率、输出功率、带宽、可靠性和寿命等具有重要影响。输出窗结构中，起主要作用的是介质片，一方面是应具有良好的机械性能以减小结构在工作状态时的尺寸变化带来工作特性改变；另一方面，微波从管内经过窗片传输至自由空间的过程中，阻抗失配产生的反射应当尽可能的小。

　　在大功率速调管中，窗片工作在高场强下，要求其具有高的介电强度和导热能力，并具有小的介电常数和介质损耗。输出窗的射频损耗产生的热量使输出窗局部温度升高，若热量不能及时的传导出去,将导致结构尺寸和高频特性的改变，甚至造成炸裂和漏气。W 波段高频窗尺寸小，单位体积内产生的热量大，对介质片的导热性能要求更高。氧化铍陶瓷具有高的热导率和低的介电常数，是目前在高平均功率和高连续波功率速调管中更普遍采用的窗片材料。速调管高频输出窗的形式多种多样，盒型窗具有承受功率容量大、结构简单和工艺成熟的优点。在盒型输出窗中，影响输出特性的关键结构参数主要由介质窗片尺寸和圆波导尺寸。研究这些参数对工作特性的影响规律，对输出窗和高频管的成功研制起关键作用。

　　高频输出窗是速调管成功研制的关键部件之一。采用的研究方法为：通过计算机电磁仿真模拟输出窗的工作特性，获得其结构尺寸；研制出该高频窗并通过测试验证设计方案。仿真和实验相结合,仿真结果指导实验，实验检验仿真结果，有利于更深刻的理解其工作原理并提高设计能力。本文旨在研制出用于94.5 GHz 带状注速调管高频输出窗。

1、理论分析

　　研制的高频窗为盒型输出窗，图1 所示为盒型输出窗结构示意图，主要由输入和输出波导段、矩形-圆波导过渡段、圆波导段和介质窗片等部分组成，1为矩形波导、2为介质窗片、3为圆波导。

图1 盒型输出窗结构示意图

　　对于在W 波段高功率输出窗，采用传统的盒型窗结构，为了获得匹配，窗片厚度将变得很薄，陶瓷窗片和圆波导的封接难度大。窗片的厚度选定为1/2 填充介质波导波长，可以解决这个问题。另外，选用厚窗结构可以在一定程度上弥补氧化铍陶瓷机械强度低的不足。

结论

　　通过模拟得到了W 波段盒型高频输出窗的工作特性，驻波比小于1.2 的带宽为550 MHz，驻波比小于1.1 的带宽为300 MHz。工作频带最近的谐振模式对应的频率为91.55 GHz 和95.23 GHz，工作频带内无谐振模式。窗片的厚度是影响驻波-频率特性的最关键因素，实验中应严格控制。通过热力学分析，得到了输出窗的温度和应力分布，最高温度为117 ℃ ，最大应力为144MPa，最高温度和最大应力分别低于氧化铍陶瓷的极限温度和机械强度，该高频输出窗可以满足设计要求。

　　实验并测试了设计的W 波段高频输出窗。结果显示，驻波比小于1.2 的频带为94.13 ~ 94.60GHz；驻波比最小值为1.06，对应的频率为94040GHz。测试结果与HFSS 模拟结果相比，带宽一致;中心频率偏差100 MHz。该高频窗达到了设计要求；HFSS 可以用于盒型输出窗设计。