] 附加電容Cd對應(yīng)的歸一化電納jB為：
[0050] jB^joC.Z. (6)
[0051] 其中，j為虛數(shù)單位，為歸一化電納的模，ω為角頻率。Z。為采用的歸一化特性 阻抗。
[0052] 根據(jù)同軸窗等效電路模型與傳輸線理論，得到典型寬帶同軸窗的歸一化轉(zhuǎn)移矩陣 為：
[0053]
[0054] 式中，L為間隙厚度，t為陶瓷窗片厚度。β與^分別為間隙與陶瓷窗片中ΤΕΜ 模的縱向相位常數(shù)，是頻率的函數(shù)。同軸線TEM模的波長λ與相位常數(shù)β的計算方法是是 本領(lǐng)域公知常識，在此不再贅述。g為間隙與同軸線的特性阻抗之比，艮
gl為陶瓷窗片與間隙的特性阻抗之比，艮f
[0055] 公式（7)中矩陣展開得到轉(zhuǎn)移矩陣各個元素為：
[0056]
[0057]
[0058] \ Λ, ；：
[0059] 根據(jù)微波網(wǎng)絡(luò)理論，對互易無耗雙端口網(wǎng)絡(luò)（A=D)，入射功率Pi與輸出功率Ρ22 比為：
[0060]
[0061] 為了實現(xiàn)寬頻帶匹配，要求在中心頻率處輸入功率無反射傳輸，即輸出功率己等 于入射功率Pi。由公式（11)可知，實現(xiàn)功率無反射傳輸?shù)臈l件為Β等于C，從而得到：
[0062]
[0063] 由此得到間隙厚度L滿足的方程：
[0064] Ytan2 (βL) -2Xtan(βL)+Ζ= 0 (13)
[0065] 其中：
[0066]
[0067]
[0068]
[0069] g，gl，Βρβ，βi均為指定中心頻率對應(yīng)的量。求解方程（13)，得到指定頻率功率 無反射傳輸?shù)拈g隙厚度L滿足：
[0070]
[0071] 顯然，要存在滿足匹配要求的間隙厚度L，陶瓷窗片的材料（這里主要是陶瓷材料 的相對介電常數(shù)ε'J、窗片外半徑d、窗片厚度t以及間隙半徑c必須滿足：
[0072]
[0073] 將陶瓷窗片的相對介電常數(shù)ε' ^窗片厚度t以及間隙半徑c代入上述各式，判 斷是否滿足如公式（18)所述的匹配條件；
[0074] 若滿足，則進入步驟S4;
[0075] 若不滿足，則返回步驟S2 ;
[0076]S4、利用微波網(wǎng)絡(luò)理論確定間隙厚度L;
[0077] 根據(jù)公式（17)即可求得間隙厚度L。
[0078]S5、利用微波網(wǎng)絡(luò)理論判斷寬帶同軸窗的傳輸特性是否滿足需求；
[0079] 寬帶同軸窗的傳輸特性可以由駐波頻率特性和反射頻率特性來描述。駐波頻率特 性可由駐波系數(shù)P表征，其計算公式為：
[0080]
[0081] 式中？:可由公式（11)求得。
[0082] 反射頻率特性可由反射系數(shù)|Γ|表征，其計算公式為：
[0083]
[0084] 將公式（19)求得的駐波系數(shù)P代入公式（20)即可求得反射系數(shù)|Γ|，對應(yīng)的分 貝值為201〇^,.判斷駐波系數(shù)P與反射系數(shù)|Γ|是否初步滿足需求；對寬帶同軸窗而言， 通常要求在頻率范圍內(nèi)駐波系數(shù)小于1. 1，反射系數(shù)小于-26. 8dB。作為初始設(shè)計，可以將 條件適當放寬至駐波系數(shù)小于1. 2,反射系數(shù)小于-10dB。
[0085] 若滿足，則進入步驟S6 ;
[0086] 若不滿足，則返回步驟S2 ;
[0087] S6、利用三維電磁模擬軟件對設(shè)計的典型寬帶同軸窗進行建模與仿真，并對陶瓷 窗片兩側(cè)間隙半徑c與間隙厚度L在小范圍內(nèi)進行掃描與優(yōu)化，得到滿足性能要求的典型 寬帶同軸窗。
[0088] S7、對于圖3與圖4所示的同軸窗，可按照步驟S1到步驟S6設(shè)計典型同軸窗，然 后，按照封接強度和氣密性要求，選擇陶瓷窗片外半徑dl，利用三維電磁模擬軟件小范圍內(nèi) 優(yōu)化陶瓷窗片兩側(cè)間隙半徑cl與間隙厚度L1，即可得到滿足性能要求的寬帶同軸窗。
[0089] 本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發(fā) 明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。本領(lǐng)域的 普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實質(zhì)的其它各 種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種寬帶同軸窗的設(shè)計方法，其特征在于，包括以下步驟： 51、 根據(jù)微波窗的工作頻率范圍與功率容量確定同軸線內(nèi)導(dǎo)體半徑a與同軸線外導(dǎo)體 內(nèi)半徑b; 52、 選擇陶瓷窗片的材料、窗片厚度t，并根據(jù)單模傳輸條件選擇陶瓷窗片兩側(cè)間隙半 徑c; 53、 利用微波網(wǎng)絡(luò)理論判斷步驟S2選擇的陶瓷窗片的相對介電常數(shù)ε' ^窗片厚度 t、陶瓷窗片兩側(cè)的間隙半徑c是否滿足匹配條件； 若滿足，則進入步驟S4; 若不滿足，則返回步驟S2; 54、 利用微波網(wǎng)絡(luò)理論確定間隙厚度L; 55、 利用微波網(wǎng)絡(luò)理論判斷寬帶同軸窗的傳輸特性是否基本滿足要求； 若滿足，則進入步驟S6; 若不滿足，則返回步驟S2; 56、 利用三維電磁模擬軟件對設(shè)計的典型寬帶同軸窗進行建模與仿真，并對陶瓷窗片 兩側(cè)間隙半徑c與間隙厚度L在小范圍內(nèi)進行掃描與優(yōu)化，得到滿足性能要求的寬帶同軸 窗。2. 如權(quán)利要求1所述的一種寬帶同軸窗的設(shè)計方法，其特征在于，對于陶瓷窗片外半 徑dl大于間隙半徑cl的同軸窗，按照步驟S1到步驟S6設(shè)計寬帶同軸窗之后，按照封接強 度和氣密性要求，選擇陶瓷窗片外半徑dl，利用三維電磁模擬軟件小范圍內(nèi)優(yōu)化陶瓷窗片 兩側(cè)間隙半徑cl與間隙厚度L1，即可得到滿足性能要求的寬帶同軸窗。3. 如權(quán)利要求1所述的一種寬帶同軸窗的設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟S1中同軸 線的內(nèi)外半徑a、b對應(yīng)的特性阻抗為50歐姆。4. 如權(quán)利要求1所述的一種寬帶同軸窗的設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟S2中陶瓷 窗片的厚度小于電磁波在陶瓷窗片中傳播的導(dǎo)波波長的十分之一。5. 如權(quán)利要求1所述的一種寬帶同軸窗的設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟S2中根據(jù) 單模傳輸條件選擇陶瓷窗片兩側(cè)間隙半徑c的取值范圍為頻率對應(yīng)的波長。6. 如權(quán)利要求1所述的一種寬帶同軸窗的設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟S3中陶瓷 窗片的相對介電常數(shù)ε' ^窗片厚度t、陶瓷窗片兩側(cè)的間隙半徑c的匹配條件為：h為陶瓷窗片中TEM模的縱向相位常數(shù)，為歸一化電納的模，同軸線的特性阻抗之比，為陶瓷窗片與間隙的特性阻抗之比。7.如權(quán)利要求1所述的一種寬帶同軸窗的設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟S4中間隙 厚度L的取值滿足：Ytan2(β L) -2Xtan(β L) +Z=0〇8. 如權(quán)利要求1所述的一種寬帶同軸窗的設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟S5中寬 帶同軸窗的傳輸特性由駐波頻率特性和反射頻率特性來描述，駐波頻率特性由駐波系數(shù)P 表征，其計算公式為：反射頻率特性由反射系數(shù)|rI表征，其計算公式為：判斷駐波系數(shù)是否小于1.2,反射系數(shù)是否小于-10dB。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種寬帶同軸窗的設(shè)計方法，屬于真空電子器件微波輸能窗技術(shù)領(lǐng)域。該方法利用寬帶同軸窗的等效電路模型，結(jié)合微波網(wǎng)絡(luò)理論，由中心頻率無反射的條件快速得到初步滿足要求的同軸窗尺寸，然后，利用三維電磁場數(shù)值模擬軟件對結(jié)構(gòu)參數(shù)在小范圍內(nèi)進行掃描與優(yōu)化，即可快速得到滿足性能要求的結(jié)構(gòu)尺寸。本發(fā)明可以快速準確地求出滿足特定性能要求的寬帶同軸窗初始結(jié)構(gòu)尺寸，克服了單純利用三維電磁模擬軟件進行設(shè)計所帶來的耗時長、計算機資源消耗大等問題，為高性能同軸窗的快速高效設(shè)計提供了一種行之有效的方法。
【IPC分類】H01J23/48
【公開號】CN105304439
【申請?zhí)枴緾N201510618267
【發(fā)明人】朱小芳, 胡權(quán), 胡玉祿, 徐立, 李斌
【申請人】電子科技大學(xué)
【公開日】2016年2月3日
【申請日】2015年9月25日