利用場匹配理論建立多層窗片結(jié)構(gòu)輸出窗的傳輸級聯(lián)矩陣，設(shè)計(jì)出了可承受40kW的Ku波段寬帶回旋行波管雙窗片結(jié)構(gòu)輸出窗。用三維仿真軟件HFSS進(jìn)行模擬，并與MATLAB數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，兩者結(jié)果吻合較好。在15~17GHz的頻帶內(nèi)，圓形雙窗片結(jié)構(gòu)輸出窗的反射數(shù)小于-17.7dB，傳輸系數(shù)大于S21>-0.08dB。對實(shí)驗(yàn)樣品的冷測實(shí)驗(yàn)表明:在15~17GHz的頻帶內(nèi)反射系數(shù)小于-17.5dB。

　　回旋行波管與普通行波管相比，具有高功率的特點(diǎn);與普通速調(diào)管、回旋速調(diào)管相比，具有高功率、寬頻帶的特點(diǎn)。它在雷達(dá)、通信以及電子戰(zhàn)等領(lǐng)域有著十分重要的應(yīng)用前景，因此在國際、國內(nèi)倍受重視。輸出窗是回旋行波管的關(guān)鍵部件之一。輸出窗設(shè)計(jì)的好壞往往決定整管研制的成敗。如果輸出窗的反射過大，在高功率條件下返回到回旋行波管高頻系統(tǒng)的功率增加，過大的反射將會(huì)引起工作模式和寄生模式的振蕩，從而導(dǎo)致整管注-波互作用效率降低和輸出模式純度變差，甚至使整管不能正常工作。此外，如果輸出窗的功率容量設(shè)計(jì)不足，在傳輸高平均功率時(shí)，容易造成輸出窗因溫度過高，熱應(yīng)力過大而損壞。因此，有必要對回旋行波管的輸出窗進(jìn)行研究，降低其反射，展寬其輸出帶寬，提高其功率容量，進(jìn)而提高回旋行波管的性能。文獻(xiàn)和文獻(xiàn)分別利用場匹配法、等效電路法對回旋速調(diào)管單層窗片結(jié)構(gòu)輸出窗進(jìn)行了研究。但單層窗片結(jié)構(gòu)輸出窗，由于其頻帶較窄，不能很好地滿足回旋行波管寬帶輸出的要求;文獻(xiàn)利用等效電路理論和網(wǎng)絡(luò)傳輸矩陣?yán)碚搶�盒型窗和三層窗片結(jié)構(gòu)矩形波導(dǎo)輸出窗進(jìn)行了研究，得到了很好的結(jié)果。

　　針對研制Ku波段寬帶高平均功率回旋行波管對寬帶(S11參數(shù)小于15dB的帶寬大于1.5GHz)、高功率容量(大于20kW)輸出窗的需求。采用雙層窗片結(jié)構(gòu)圓波導(dǎo)輸出窗作為回旋行波管的輸出窗，可以有效地?cái)U(kuò)展輸出窗的帶寬。此外，為了提高回旋行波管的功率容量，一般采用過模圓波導(dǎo)輸出結(jié)構(gòu)，但這造成了輸出窗的尺寸較大。如果單獨(dú)利用高頻系統(tǒng)分析軟件對其進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，會(huì)耗費(fèi)大量的機(jī)時(shí)。本文首先利用場匹配理論建立傳輸級聯(lián)矩陣的方法對多層結(jié)構(gòu)輸出窗進(jìn)行分析計(jì)算(該方法不僅可以完成多層窗片矩形窗的設(shè)計(jì)，而且可以完成多層窗片圓波導(dǎo)輸出窗的設(shè)計(jì))，給出一種雙窗片結(jié)構(gòu)輸出窗設(shè)計(jì)參數(shù)，然后再利用高頻軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，極大地縮短了設(shè)計(jì)周期。最后加工了實(shí)驗(yàn)樣品，并對其進(jìn)行了冷測實(shí)驗(yàn)。

1、理論分析

　　波導(dǎo)中工作模式在輸出窗內(nèi)外的場分布及反射和透射系數(shù)可以用場匹配理論建立傳輸級聯(lián)矩陣的辦法來分析。文獻(xiàn)對矩形多層窗片結(jié)構(gòu)波導(dǎo)窗進(jìn)行了理論分析與設(shè)計(jì)。本文利用場匹配理論和傳輸級聯(lián)矩陣的方法建立多層窗片結(jié)構(gòu)輸出窗的普遍理論。該理論方法不僅可以用來研究矩形多層窗片結(jié)構(gòu)波導(dǎo)窗，而且還可以用來研究多層窗片結(jié)構(gòu)圓波導(dǎo)輸出窗，具有更廣泛的適用性。假設(shè)入射波為TEmn波，輸出窗半徑不發(fā)生變化，i個(gè)窗片都是同一材料。i個(gè)窗片就有2i個(gè)分界面，每個(gè)分界面就是兩個(gè)不同介質(zhì)區(qū)域的交界面，對第l和l+1區(qū)的橫向電場和橫向磁場分別為

3、冷測試驗(yàn)

　　輸出窗冷測實(shí)驗(yàn)，采用的是單端口反射法，使用矢網(wǎng)分析儀測量。圖9是實(shí)驗(yàn)原理。圖10為冷測實(shí)驗(yàn)所得S11參數(shù)，在15GHz和17GHz之間，S11參數(shù)小于-17.5dB。由圖4和圖10比較可知仿真計(jì)算結(jié)果與冷測結(jié)果較吻合。

圖9 冷測試驗(yàn)原理圖

圖10 冷測所得S11參數(shù)

4、結(jié)論

　　本文利用場匹配理論建立傳輸級聯(lián)矩陣的方法對多層窗片結(jié)構(gòu)輸出窗進(jìn)行了理論分析和數(shù)值計(jì)算。設(shè)計(jì)了一種40kW級Ku波段TE11模回旋行波管的寬帶雙窗片結(jié)構(gòu)輸出窗。經(jīng)HFSS仿真，S11參數(shù)小于-1717dB時(shí)工作帶寬達(dá)到2GHz。對加工的實(shí)物樣品進(jìn)行了測試，S11參數(shù)小于-1715dB時(shí)工作帶寬為2GHz。理論仿真和實(shí)物測試結(jié)果一致性較好。以上的研究工作為研制Ku波段TE11模回旋行波管提供了技術(shù)支持。