Ka波段厚窗片盒形窗的研究*

王自成，徐安玉，王 莉，李海強，趙建東，董 芳，黃明光，劉濮鯤

(中國科學(xué)院電子學(xué)研究所， 北京100190)

由于衛(wèi)星通信等實際應(yīng)用需求的增長，近年來國內(nèi)外對毫米波行波管(特別是空間行波管)的研究形成了一個熱潮[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，國內(nèi)外報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)計方法是等效電路法，需要用實驗進行校正[7]。近年來，人們開始用大型三維電磁計算軟件設(shè)計Litton窗等輸能結(jié)構(gòu)，設(shè)計準確性和設(shè)計效率得到了提高[8]。

最近當(dāng)我們采用大型三維電磁計算軟件模擬計算盒形窗的時候，發(fā)現(xiàn)盒形窗窗片在取兩個不同厚度的時候，都能實現(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)頻段的標準矩形波導(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算軟件對如圖1(a)所示的盒形窗展開了模擬計算，并且僅僅以窗片厚度作為參變數(shù)進行了掃描，獲得的反射系數(shù)計算結(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，在橫坐標限定的感興趣頻段內(nèi)，三根曲線都有一個很大的反射峰。然而，隨著窗片厚度變薄，此峰位置向高頻端移動。相反，如果隨著窗片厚度變厚，此峰位置向低頻端移動。這個結(jié)果表明，當(dāng)窗片變厚到某個值時，上述反射峰將會從低頻端移出感興趣的頻帶之外。同樣，當(dāng)窗片變薄到某個值時，上述反射峰將會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不同厚度的時候，完全可能都能實現(xiàn)良好的匹配。

于是，我們通過加大掃描范圍，很快確定了兩個窗片厚度。在每個窗片厚度下，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)的計算與實測結(jié)果比較

2 實驗結(jié)果

根據(jù)本文計算結(jié)果，我們分別加工制作了厚窗片和薄窗片兩種盒形窗，并進行了反射系數(shù)測試。通過在標量網(wǎng)絡(luò)分析儀上讀取實測數(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，測試結(jié)果與計算結(jié)果的總體趨勢完全相同。所設(shè)計的兩種盒形窗目前都已經(jīng)應(yīng)用到實際行波管中，顯示出較好的氣密可靠性。同時，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，我們以波長比例把上述已經(jīng)設(shè)計好的Ka波段厚窗片盒形窗進行縮尺，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算軟件計算了其匹配性能，駐波比計算結(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波段得到驗證，因此，盡管我們因為不具備W波段的測試條件而沒有進行實驗測試，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算結(jié)果

3 結(jié)論

本文的研究證實，盒形窗的窗片厚度可以取兩個不同的值，在同一個頻段，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)實現(xiàn)良好的匹配。當(dāng)然，從目前已經(jīng)實現(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度，可以預(yù)期厚窗片的盒形窗的可靠性會更高。當(dāng)工作頻率達到W波段時，這一點會更加有意義。

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