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        Ka波段厚窗片盒形窗的研究*

        2010-12-21 06:30:48王自成徐安玉李海強(qiáng)趙建東黃明光劉濮鯤
        電子器件 2010年4期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        王自成,徐安玉,王 莉,李海強(qiáng),趙建東,董 芳,黃明光,劉濮鯤

        (中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所, 北京100190)

        由于衛(wèi)星通信等實(shí)際應(yīng)用需求的增長(zhǎng),近年來國(guó)內(nèi)外對(duì)毫米波行波管(特別是空間行波管)的研究形成了一個(gè)熱潮[1-4]。在毫米波行波管中,由于同軸輸能結(jié)構(gòu)的尺寸較小,高頻損耗較大,因此不再適宜于更大的功率。在功率大于50 W后,國(guó)內(nèi)外報(bào)道過的各類毫米波行波管大多采用以波導(dǎo)為接口的輸能窗結(jié)構(gòu)[5-6]。以波導(dǎo)為接口的輸能窗結(jié)構(gòu)有盒形窗和Litton窗等。

        早期的盒形窗設(shè)計(jì)方法是等效電路法,需要用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行校正[7]。近年來,人們開始用大型三維電磁計(jì)算軟件設(shè)計(jì)Litton窗等輸能結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性和設(shè)計(jì)效率得到了提高[8]。

        最近當(dāng)我們采用大型三維電磁計(jì)算軟件模擬計(jì)算盒形窗的時(shí)候,發(fā)現(xiàn)盒形窗窗片在取兩個(gè)不同厚度的時(shí)候,都能實(shí)現(xiàn)良好的匹配。其中,盒形窗窗片較薄的情況屬于傳統(tǒng)盒形窗,而盒形窗窗片較厚的情況為本文所首次報(bào)道。

        1 問題的提出

        盒形窗的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。盒形窗的兩端均與相應(yīng)頻段的標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)相連接。

        圖1 典型盒形窗結(jié)構(gòu)示意圖

        我們用大型三維電磁計(jì)算軟件對(duì)如圖1(a)所示的盒形窗展開了模擬計(jì)算,并且僅僅以窗片厚度作為參變數(shù)進(jìn)行了掃描,獲得的反射系數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

        圖2 盒形窗反射系數(shù)與窗片厚度的關(guān)系

        從圖可以看出,在橫坐標(biāo)限定的感興趣頻段內(nèi),三根曲線都有一個(gè)很大的反射峰。然而,隨著窗片厚度變薄,此峰位置向高頻端移動(dòng)。相反,如果隨著窗片厚度變厚,此峰位置向低頻端移動(dòng)。這個(gè)結(jié)果表明,當(dāng)窗片變厚到某個(gè)值時(shí),上述反射峰將會(huì)從低頻端移出感興趣的頻帶之外。同樣,當(dāng)窗片變薄到某個(gè)值時(shí),上述反射峰將會(huì)從高頻端移出感興趣的頻帶之外。這也表明,當(dāng)盒形窗窗片在取兩個(gè)不同厚度的時(shí)候,完全可能都能實(shí)現(xiàn)良好的匹配。

        于是,我們通過加大掃描范圍,很快確定了兩個(gè)窗片厚度。在每個(gè)窗片厚度下,我們分別優(yōu)化其他尺寸,得到的反射系數(shù)的最好計(jì)算結(jié)果如圖3所示。經(jīng)過優(yōu)化后的厚窗片盒形窗的結(jié)構(gòu)保持如圖1(a)所示,而經(jīng)過優(yōu)化后的薄窗片盒形窗的結(jié)構(gòu)改變成如圖1(b)所示。

        圖3 經(jīng)優(yōu)化的兩種盒形窗反射系數(shù)的計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果比較

        2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        根據(jù)本文計(jì)算結(jié)果,我們分別加工制作了厚窗片和薄窗片兩種盒形窗,并進(jìn)行了反射系數(shù)測(cè)試。通過在標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀上讀取實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),再用Excel作圖,結(jié)果如圖3所示。比較圖3中的相應(yīng)曲線,測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的總體趨勢(shì)完全相同。所設(shè)計(jì)的兩種盒形窗目前都已經(jīng)應(yīng)用到實(shí)際行波管中,顯示出較好的氣密可靠性。同時(shí),匹配性能也較為穩(wěn)定。

        為了展示厚窗片盒形窗在W波段的可能應(yīng)用,我們以波長(zhǎng)比例把上述已經(jīng)設(shè)計(jì)好的Ka波段厚窗片盒形窗進(jìn)行縮尺,縮尺后的窗片厚度為0.3 mm。根據(jù)現(xiàn)有的封接技術(shù)推斷,可以在此窗片尺寸下保證窗的氣密性。然后,用同樣的大型三維電磁計(jì)算軟件計(jì)算了其匹配性能,駐波比計(jì)算結(jié)果示于圖4。表明在80 GHz-110 GHz范圍的注波比小于1.5。由于軟件的可靠性已經(jīng)在Ka波段得到驗(yàn)證,因此,盡管我們因?yàn)椴痪邆鋀波段的測(cè)試條件而沒有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,也可以推斷這一結(jié)果是可信的。

        圖4 W波段厚窗片盒形窗的計(jì)算結(jié)果

        3 結(jié)論

        本文的研究證實(shí),盒形窗的窗片厚度可以取兩個(gè)不同的值,在同一個(gè)頻段,較厚的厚度約為較薄厚度的3倍。結(jié)合其他結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化,具有這兩種窗片厚度的盒形窗都能在很寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的匹配。當(dāng)然,從目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的水平看,薄窗片的盒形窗的帶寬還是要寬一些。但是,由于厚窗片具有更高的強(qiáng)度,可以預(yù)期厚窗片的盒形窗的可靠性會(huì)更高。當(dāng)工作頻率達(dá)到W波段時(shí),這一點(diǎn)會(huì)更加有意義。

        [ 1] Tetsuo Machida, Takashi Kanamoto, Kunihiro Tom ikawa, et al.Development of Ka-Band 500W Peak Power Helix TWT[ C] //Eighth International Vacuum Electronics Conference(IEVC 2007):25-26, May 15-17, 2007, Kitakyushu, Japan.

        [ 2] Chae K Chong, Jon A Davis, Nonald H Le Borgne, et al.Development of Ka-Band Helix TWT' s for Communication, Radar and EMCApplications[ C] //Eighth International Vacuum Electronics Conference(IEVC 2007):27-28, May 15-17, 2007, Kitakyushu, Japan.

        [ 3] Chae K Chong, Jon A Davis, Ronald H Le Borgne, et al.Development of High-Power Ka-Band and Q-Band Helix TWTs[ J].IEEE TED 52(5):653-659, 2005.

        [ 4]Kunio Tsutaki, Ryouichi Seura, Eiji Fujiwara, et al.Development of Ka-Band 100W Peak Power MMPM[ J] .IEEE TED,2005, 52(5):660-663.

        [ 5]Bosch E, Christ R, M Lefevre, et al.New 500W Ka Band TWT's[ C] //2009 IEEE International Vacuum Electronics Conference(IEVC 2009):70-71, April 28-30, 2009, Angelican University, Rome, Italy.

        [ 6]MenningerW L, Aldana-Gutierrez S, Benton R T, et al.High-Efficiency, Qualification-Tested, 50-130W K-Band Traveling-Wave Tubes for Satellite Communications Downlinks[C] //2009 IEEE International Vacuum Electronics Conference(IEVC 2009):72-73,April 28-30, 2009, Angelican University, Rome, Italy.

        [ 7] 劉順康.8 mm波段盒形窗的設(shè)計(jì)與特性[J] .真空電子技術(shù),1992, (3):7-10.

        [ 8] 吳常津.利用MAFIA設(shè)計(jì)8mm大功率輸出窗[ J] .真空電子技術(shù), 2005, (1):9-12.

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