一种膜片加载宽带矩形波导窗的快速设计方法

摘要

该发明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。

权利要求

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50％的相对带宽频带范围内仿真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： 为矩形波导主模即TE10模在中心频率f0处对应的波导波长；

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。

说明书

一种膜片加载宽带矩形波导窗的快速设计方法

技术领域

[0001] 本发明属于真空电子器件微波输能窗技术领域，具体涉及一种宽带膜片加载矩形波导窗的快速设计方法。

背景技术

[0002] 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。

[0003] 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。

[0004] 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。

[0005] 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。本发明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。

发明内容

[0006] 本发明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。

[0007] 本发明技术方案为：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：

[0008] 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；

[0009] 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；

[0010] 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；

[0011] 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；

[0012] S5、确定陶瓷窗片与匹配膜片之间的距离L；

[0013] 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；

[0014] 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；

[0015] 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。

[0016] 若是，此曲线对应的d值即为膜片开口宽度，设计完成；

[0017] 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。

[0018] 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。

[0019] 本发明的有益效果是：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。本发明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

[0020] 图1为无膜片加载矩形波导窗的结构示意图。

[0021] 图2为膜片加载矩形波导窗的结构示意图。

[0022] 图3为无膜片加载矩形波导窗的结构参数示意图。

[0023] 图4为仿真无膜片加载矩形波导窗的S参数曲线。

[0024] 图5为膜片加载矩形波导窗的结构参数示意图。

[0025] 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。

[0026] 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。

[0027] 图8为采用本发明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。

[0028] 图9为本发明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

[0029] 下面结合附图与实例对本发明的实施方案做进一步的详细说明。

[0030] 本发明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：

[0031] 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；

[0032] 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。

[0033] 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。

[0034] 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；

[0035] 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。

[0036] 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：

[0037]

[0038] 其中， 为介质填充波导内电磁波的波数；μ，ε分别为填充介质的磁导率和介电常数。对非铁磁性物质，μ≈μ0，其中μ0＝4π×10-7H/m是真空磁导率；f为工作频率，设计时取中心频率f0。 为介质填充波导内TE10模的截止波数， 为介质填充波导内TE10模的截止波长，两者满足 a为矩形波导的宽边尺寸。对TE10模，有

[0039] 矩形波导窗的窗片厚度取为陶瓷窗片材料填充波导的波导波长的一半，即：

[0040]

[0041] 此时，获得的无匹配膜片的矩形波导窗(见图3)满足中心频率无反射。但当频率偏离中心频率时，反射系数快速增加，传输特性变差。典型的反射系数S11与传输系数S21在中心频率附近的特性如图4所示。

[0042] S3、利用电磁仿真软件对步骤S2构成的无匹配膜片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；

[0043] 在设计加匹配膜片的矩形波导窗时，需要对其工作的下限频率进行估测。从步骤S2中得到的无匹配膜片的矩形波导窗出发，窗的性能要想得到保证，工作频带内应满足条件：

[0044] S21≥S11   (3)

[0045] 为此，对步骤S2得到的无匹配膜片矩形波导窗进行仿真，在相对较宽的频带范围内(如50％的相对带宽)得到S参数曲线(主要指S11曲线和S21曲线)，如图4所示。将S21与S11频率扫描曲线在低频处交点的频率值记为fmin。这里fmin就是无匹配膜片矩形波导窗满足S21≥S11的临界频率点，将其作为加匹配膜片矩形波导窗的下限频率参考值。

[0046] 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；

[0047] 在矩形波导陶瓷窗片两侧插入感性匹配膜片就得到了膜片加载的矩形波导窗，其尺寸示意图见图5所示。为了在膜片宽度所对应的矩形波导(窄边尺寸为b，宽边尺寸为d)内依然传输主模TE10模，要求：

[0048]

[0049] 这里， 为膜片宽度对应矩形波导(窄边尺寸为b，宽边尺寸为d)主模TE10模的截止频率， 为膜片宽度对应矩形波导(窄边尺寸为b，宽边尺寸为d)主模TE10模的截止波长。其中c(＝3×108m/s)为光速，d为膜片开口宽度。

[0050] 设计时，我们希望在f≥fmin的频率范围内，膜片宽度对应矩形波导依然传输TE10模，从而有：

[0051]

[0052] 即有：

[0053]

[0054] 由此，可以得到满足要求的膜片宽度d的极小值

[0055] S5、确定陶瓷窗片与匹配膜片之间的距离L；

[0056] 经过大量仿真与分析，确定L的取值应该满足：

[0057]

[0058] 其中，λg0为矩形波导主模(TE10模)在中心频率f0处对应的波导波长。n取值越小，工作频带越宽。为了获得尽可能宽的带宽，通常直接取n＝0，即有

[0059]

[0060] 其中：

[0061]

[0062] 这里，f0为中心频率，μ0,ε0分别为真空(空气)的磁导率和介电常数，a为矩形波导的宽边。λg0的计算公式为本领域熟知的常识，这里不再赘述！

[0063] 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；

[0064] 在无膜片矩形波导窗的两侧插入匹配膜片主要是为了拓展无匹配膜片的矩形波导窗的带宽。膜片的厚度dt和膜片宽度d会极大影响电磁波的传输性能与带宽。膜片的厚度dt和膜片宽度d的合理设计可以使得矩形波导窗的性能与带宽达到最优。

[0065] 根据设计经验，确定膜片厚度dt的取值范围是窗片厚度t的1/5到1/3，即dt在t/5与t/3之间变化。膜片开口宽度d的取值范围通过微调dmin的±4％得到的，即膜片开口宽度d在0.96dmin与1.04dmin之间变化。

[0066] 为此，给定膜片厚度的初值 膜片宽度的初值d0＝0.96×dmin。

[0067] 至此，我们确定了陶瓷窗片的材料和厚度t，膜片与窗片之间的距离L，膜片厚度与膜片宽度d0＝0.96×dmin，可利用电磁仿真软件对膜片加载的矩形波导窗进行分析与优化。

[0068] 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曲线刚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；

[0069] 利用电磁仿真软件对步骤S1至步骤S6确定的膜片加载矩形波导窗进行建模，并利用电磁仿真软件的参数扫描功能对膜片厚度dt从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VSWR曲线。

[0070] 在对dt扫描过程中，随着dt的增大，电压驻波比VSWR曲线会逐渐出现越来越大的第二波峰，如图6中曲线1-曲线4所示。图6中曲线1是dt为0.31mm对应的电压驻波比VSWR曲线，在0.85f0至1.15f0之间仅存在一个波峰；曲线2是dt为0.36mm对应的电压驻波比VSWR曲线，在0.85f0至1.15f0之间刚出现第二波峰；曲线3与曲线4分别是dt为0.41mm和0.52mm对应的电压驻波比VSWR曲线。可见，随着dt的增加，电压驻波比VSWR曲线中第二波峰越来越大。

[0071] 将频带范围内电压驻波比VSWR曲线刚出现两个波峰时(图6中曲线2)，对应的dt值作为膜片厚度更新后的初始值dt0。

[0072] 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。

[0073] 通常，膜片加载矩形波导窗的工作带宽为15％-20％，要求达到的性能指标为工作带宽内电压驻波比VSWR小于1.1。

[0074] 如果观察到电压驻波比VSWR曲线在所要求的频带范围内达到要求的性能指标，则取此时对应的膜片宽度d为膜片开口宽度，设计完成；

[0075] 如果扫描过程中，没有膜片宽度使得电压驻波比VSWR曲线在所要求的频带范围内达到要求的性能指标，则将频带范围内电压驻波比VSWR曲线中第二波峰即将消失时(图7中曲线2)，对应的d值作为膜片开口宽度更新后的初始值d0，并重复步骤S7-S8。

[0076] 在对膜片宽度d扫描的过程中，随着d的增大，电压驻波比VSWR曲线会逐渐出现波峰消失现象，如图7中的曲线1-曲线3所示。图7中曲线1是d为4.96mm对应的电压驻波比VSWR曲线，在0.85f0至1.15f0之间存在两个波峰；曲线2是d为5.04mm对应的电压驻波比VSWR曲线，在0.85f0至1.15f0之间的第二波峰即将消失；曲线3是d为5.37mm对应的电压驻波比VSWR曲线，在0.85f0至1.15f0之间的两个波峰全部消失。我们取频带范围内电压驻波比VSWR曲线中第二波峰即将消失时(图7中曲线2)，对应的d值作为膜片开口宽度更新后的初始值d0。

[0077] 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。

[0078] 一般来说，按照上述流程S1-S8设计膜片加载矩形波导窗，可以快速得到满足性能要求的膜片加载矩形波导窗。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，则返回步骤S2，调整窗片材料，然后重复S2-S8。

[0079] 本设计方法的流程图如图9所示。

[0080] 本发明提出的膜片加载矩形波导窗设计方法采用了对膜片厚度dt和膜片宽度d进行单向逼近的扫描方法，可以避免膜片厚度dt与膜片宽度d的互相干扰，快速得到满足性能要求的膜片加载矩形波导窗。一般来说，重复1-3次步骤S7和步骤S8就可以完成最终的设计。图8给出了利用本发明提出的膜片加载矩形波导窗设计方法设计的Ka波段膜片加载矩形波导窗。在中心频率f0为35GHz，在30.8GHz之37.8GHz的频带范围内实现了电压驻波比VSWR低于1.1，相对带宽达20.4％。

[0081] 本领域的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。