[发明专利]一种膜片加载宽带矩形波导窗的快速设计方法

说明书

技术领域

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

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

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。

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：

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f_min；

S4、根据步骤S3得到的f_min，得到膜片开口宽度的极小值d_min＝0.5c/f_min，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＝0.96d_min；

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1.04d_min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；