研究了W 波段高頻輸出窗的工作特性及三個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)工作特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明，駐波比小于1.2的頻帶為94.21~ 94.76 GHz；駐波比小于1.1 的頻帶為94.34~ 94.64 GHz；工作頻帶內(nèi)無(wú)諧振模式；窗片厚度對(duì)工作特性影響最大。熱力學(xué)分析顯示，溫度最高點(diǎn)和應(yīng)力最大點(diǎn)分別位于陶瓷窗片中心和邊緣；最高溫度和最大應(yīng)力分別為117℃ 和144MPa。研制并測(cè)試了W 波段高頻輸出窗。測(cè)試結(jié)果表明，駐波比小于1.2 的頻帶為94.13~ 94.60 GHz，駐波比最小值為1.06,對(duì)應(yīng)的頻率為94.40 GHz。

　　大功率速調(diào)管通過電子注與高頻場(chǎng)的相互作用將直流能量轉(zhuǎn)化為高頻能量，具有高輸出功率、高增益、長(zhǎng)壽命、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)。帶狀束電子注降低了空間電荷效應(yīng)，擴(kuò)大了互作用區(qū)域，在低電壓下能獲得大的電流，帶狀注器件具有更高的功率輸出和發(fā)展?jié)摿ΑＴ谒僬{(diào)管中，電子注與諧振腔高頻場(chǎng)互作用產(chǎn)生的微波能量通過耦合手段輸送給負(fù)載。

　　輸出窗是解決高頻能量輸出和維持器件自身高真空度之間的相互矛盾而出現(xiàn)的，是大功率微波電真空器件、加速器和其它大功率微波電子系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一。輸出窗的主要功能是將速調(diào)管產(chǎn)生的微波功率通過矩形波導(dǎo)等傳輸線傳輸?shù)教炀�等負(fù)載，同時(shí)分離管內(nèi)的高真空環(huán)境和大氣環(huán)境。輸出窗的性能包括駐波-頻率特性、插入損耗、和能承受的功率容量等，對(duì)器件和系統(tǒng)的工作頻率、輸出功率、帶寬、可靠性和壽命等具有重要影響。輸出窗結(jié)構(gòu)中，起主要作用的是介質(zhì)片，一方面是應(yīng)具有良好的機(jī)械性能以減小結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)時(shí)的尺寸變化帶來工作特性改變；另一方面，微波從管內(nèi)經(jīng)過窗片傳輸至自由空間的過程中，阻抗失配產(chǎn)生的反射應(yīng)當(dāng)盡可能的小。

　　在大功率速調(diào)管中，窗片工作在高場(chǎng)強(qiáng)下，要求其具有高的介電強(qiáng)度和導(dǎo)熱能力，并具有小的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗。輸出窗的射頻損耗產(chǎn)生的熱量使輸出窗局部溫度升高，若熱量不能及時(shí)的傳導(dǎo)出去,將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)尺寸和高頻特性的改變，甚至造成炸裂和漏氣。W 波段高頻窗尺寸小，單位體積內(nèi)產(chǎn)生的熱量大，對(duì)介質(zhì)片的導(dǎo)熱性能要求更高。氧化鈹陶瓷具有高的熱導(dǎo)率和低的介電常數(shù)，是目前在高平均功率和高連續(xù)波功率速調(diào)管中更普遍采用的窗片材料。速調(diào)管高頻輸出窗的形式多種多樣，盒型窗具有承受功率容量大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和工藝成熟的優(yōu)點(diǎn)。在盒型輸出窗中，影響輸出特性的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)主要由介質(zhì)窗片尺寸和圓波導(dǎo)尺寸。研究這些參數(shù)對(duì)工作特性的影響規(guī)律，對(duì)輸出窗和高頻管的成功研制起關(guān)鍵作用。

　　高頻輸出窗是速調(diào)管成功研制的關(guān)鍵部件之一。采用的研究方法為：通過計(jì)算機(jī)電磁仿真模擬輸出窗的工作特性，獲得其結(jié)構(gòu)尺寸；研制出該高頻窗并通過測(cè)試驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案。仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,仿真結(jié)果指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)仿真結(jié)果，有利于更深刻的理解其工作原理并提高設(shè)計(jì)能力。本文旨在研制出用于94.5 GHz 帶狀注速調(diào)管高頻輸出窗。

1、理論分析

　　研制的高頻窗為盒型輸出窗，圖1 所示為盒型輸出窗結(jié)構(gòu)示意圖，主要由輸入和輸出波導(dǎo)段、矩形-圓波導(dǎo)過渡段、圓波導(dǎo)段和介質(zhì)窗片等部分組成，1為矩形波導(dǎo)、2為介質(zhì)窗片、3為圓波導(dǎo)。

圖1 盒型輸出窗結(jié)構(gòu)示意圖

　　對(duì)于在W 波段高功率輸出窗，采用傳統(tǒng)的盒型窗結(jié)構(gòu)，為了獲得匹配，窗片厚度將變得很薄，陶瓷窗片和圓波導(dǎo)的封接難度大。窗片的厚度選定為1/2 填充介質(zhì)波導(dǎo)波長(zhǎng)，可以解決這個(gè)問題。另外，選用厚窗結(jié)構(gòu)可以在一定程度上彌補(bǔ)氧化鈹陶瓷機(jī)械強(qiáng)度低的不足。

結(jié)論

　　通過模擬得到了W 波段盒型高頻輸出窗的工作特性，駐波比小于1.2 的帶寬為550 MHz，駐波比小于1.1 的帶寬為300 MHz。工作頻帶最近的諧振模式對(duì)應(yīng)的頻率為91.55 GHz 和95.23 GHz，工作頻帶內(nèi)無(wú)諧振模式。窗片的厚度是影響駐波-頻率特性的最關(guān)鍵因素，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)嚴(yán)格控制。通過熱力學(xué)分析，得到了輸出窗的溫度和應(yīng)力分布，最高溫度為117 ℃ ，最大應(yīng)力為144MPa，最高溫度和最大應(yīng)力分別低于氧化鈹陶瓷的極限溫度和機(jī)械強(qiáng)度，該高頻輸出窗可以滿足設(shè)計(jì)要求。

　　實(shí)驗(yàn)并測(cè)試了設(shè)計(jì)的W 波段高頻輸出窗。結(jié)果顯示，駐波比小于1.2 的頻帶為94.13 ~ 94.60GHz；駐波比最小值為1.06，對(duì)應(yīng)的頻率為94040GHz。測(cè)試結(jié)果與HFSS 模擬結(jié)果相比，帶寬一致;中心頻率偏差100 MHz。該高頻窗達(dá)到了設(shè)計(jì)要求；HFSS 可以用于盒型輸出窗設(shè)計(jì)。