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高功率微波窗材料及其透波性能测试方法的研究进展

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材料导报 2022年第S2期36卷 95-102页

作者：蒋友福芦伟汪卫华储德林安徽大学物质科学与信息技术研究院合肥230601

基于磁约束聚变能氘氚等离子体辅助加热技术的发展需求,微波回旋管的研究朝着高功率、高频率方向发展,因此对微波窗透波性能的要求也逐步提高,这就需要更为精确的测试技术。本文综述了几种常用的微波窗材料和主要透波参数的测试原理、... 详细信息

基于磁约束聚变能氘氚等离子体辅助加热技术的发展需求,微波回旋管的研究朝着高功率、高频率方向发展,因此对微波窗透波性能的要求也逐步提高,这就需要更为精确的测试技术。本文综述了几种常用的微波窗材料和主要透波参数的测试原理、研究进展及应用现状,其中介电性能测试方法重点讨论了传输/反射法、自由空间法、高Q谐振腔法、准光学谐振腔法;驻波系数测试方法重点讨论了测量线法、功率衰减法和定向耦合器法。系统地比较了各方法的设备要求、适用条件、测试原理、可测波段、测量精度及优缺点,并对高功率微波窗材料及其透波性能测试方法的发展方向进行了展望。

关键词：高功率微波窗介电常数介电损耗驻波系数测试方法

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高功率微波窗电热力特性的协同仿真研究

高功率微波窗电热力特性的协同仿真研究

作者：李胜明电子科技大学

学位级别：硕士

微波窗(包括微波输入窗和微波输出窗)是微波管的重要部件,其作用有二:将管内真空与外界大气环境相隔离;将管内信号尽可能无损地耦合出去(馈出)或将管外激励无损耦合进来(馈入)。因其有将信号从一侧传输到另一侧的作用,有时也将微波输入... 详细信息

微波窗(包括微波输入窗和微波输出窗)是微波管的重要部件,其作用有二:将管内真空与外界大气环境相隔离;将管内信号尽可能无损地耦合出去(馈出)或将管外激励无损耦合进来(馈入)。因其有将信号从一侧传输到另一侧的作用,有时也将微波输入窗和微波输出窗不加区分,概括地称之为输出窗。微波窗的发展是伴随着微波电真空器件的发展而发展的。自上世纪被发明以来,微波管就一直在向着更高频率和传输更高功率的方向发展着,以满足人们在工业应用和科学研究中不断增长的需求。这其中,微波窗性能的优劣将对整管的增益、带宽、电子注与电磁波互作用的效率、功率容量等方面有着直接的影响,与系统的可靠性和寿命也同样密切相关。尤其在高功率微波真空电子器件中,微波窗的损坏已成为限制微波管功率进一步提升的瓶颈。以往人们对微波窗的研究,一般是通过对其电参数的分析、仿真来进行微波窗结构的设计,对高功率应用中窗片受热时的状态多是概略的描述,对热、力特性的深入分析相对较少,也缺乏对微波窗受热形变后对电参数的反馈影响的考虑。而在传输高功率的情形下,热量的过度累积很可能会对微波窗产生损害,甚至对其电特性产生较大负面影响。因此,对微波窗进行电、热、力特性的多物理场协同仿真研究,有着重要的实际意义。本论文结合理论分析和计算机仿真方法,从微波窗的基本设计理论出发,分别对两种不同应用中的高峰值功率微波窗和高平均功率多层介质微波窗作了相应的设计并进行了其电热力特性的协同仿真研究,满足了相应的设计指标。本论文的主要工作和创新包括:1.深入研究了微波窗的设计方法,系统阐述了微波窗损坏的机理。对微波窗设计的要点,尤其是在提高微波窗功率容量、避免微波窗损坏上,对各种可行设计方案作了细致的探讨与总结。2.研究手段上,通过ANSYS Workbench仿真平台来实现电磁场、热、力与结构的多物理场协同仿真分析。通过这种方式,载荷的加载和所模拟的过程会更加准确而完整,对微波窗的设计工作具有更好的指导意义。3.设计了加速器中应用的高峰值功率圆锥形窗片结构的微波窗,分析了相关结构参数对传输特性的影响,并对其进行了进一步的热力特性的仿真研究,通过与常规盒型窗相比较,体现出该窗结构的优越性。4.针对高平均功率窗的应用,设计了一种兼具优异散热与较大带宽的五层介质微波窗,并仿真验证了该方法的有效性和可行性。

关键词：微波窗大功率协同仿真电热分析

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模式匹配法及其在微波窗中的应用研究

模式匹配法及其在微波窗中的应用研究

作者：郝毅亮电子科技大学

学位级别：硕士

模式匹配法(MMM)是建立在广义传输线理论之上、基于场理论的全波分析方法。目前,模式匹配法已经发展到了严格的场解析阶段,具有计算速度快、求解精度高和消耗计算机内存小的优点,成功应用于滤波器、耦合器、阻抗转换器、模式转换器、天... 详细信息

模式匹配法(MMM)是建立在广义传输线理论之上、基于场理论的全波分析方法。目前,模式匹配法已经发展到了严格的场解析阶段,具有计算速度快、求解精度高和消耗计算机内存小的优点,成功应用于滤波器、耦合器、阻抗转换器、模式转换器、天线、多工器、功率分配器、反馈网络、移相器、偏光器、补偿弯波导、本征值问题以及手征介质的特性分析中。微波窗作为输入输出系统的重要组成部分,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,还具有馈送能量、透射微波、降低反射等作用,其质量好坏直接影响微波器件的电参数及其寿命。本文对模式匹配法及其在微波窗的应用进行了深入研究。对模式匹配法进行了详细的理论分析和解析推导,重点对S参数计算、相对收敛性、复功率守恒与电磁场匹配进行了理论分析与数值验证。应用模式匹配法对微波管中常见的四类窗结构(膜片加载矩形波导窗、多层介质圆波导窗、同轴窗和高功率盒型窗)进行了仿真设计,在高精度的前提下大大缩短了窗的设计周期。本论文的主要工作内容和创新点如下:1、系统深入地研究了模式匹配法,利用电磁场边界条件,建立了5种突变结(矩形-矩形、圆-圆、同轴-同轴、大矩-小圆、大圆-小矩)的广义散射矩阵。利用格林公式、离散傅里叶变换、坐标系转换以及归一化正交性等原理,推导出了这5类突变结上的模式之间的耦合矩阵解析解。2、利用矩阵级联理论以及传输线理论,推导出规则无源器件模型的广义散射矩阵的解析计算公式。基于MATLAB语言编写了模式匹配法程序包MMMS,并对模式匹配法的相对收敛性进行了研究。3、在模式匹配法的框架下,推导了各个模式在无源器件内传输的功率幅度系数,得到了无源器件在频带内任意截面的复功率,以及整个三维空间任意频点的电磁场分布。验证了电磁波传播过程中的复功率守恒与电磁场匹配。4、应用模式匹配法对4类常见微波窗进行了仿真设计,计算结果与三维电磁场数值模拟软件HFSS、CST、MTSS得到的模拟结果非常吻合,验证了模式匹配法相关理论推导与程序代码的正确性与可靠性。

关键词：模式匹配法矩阵级联微波窗相对收敛性复功率守恒

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微波窗的热耗与冷却

真空电子技术 1981年第1期 41-46+19页

作者：金嗣隆

引言微波窗(包括输入窗与输出窗)是微波器件主要部件之一。微波窗质量的好与坏直接影响微波器件的电参数及其寿命。在工作中经常碰到因微波窗设计不佳而影响微波器件性能的情况,甚至发生微波窗介质穿孔,而使微波器件漏气报废的情况。据... 详细信息

引言微波窗(包括输入窗与输出窗)是微波器件主要部件之一。微波窗质量的好与坏直接影响微波器件的电参数及其寿命。在工作中经常碰到因微波窗设计不佳而影响微波器件性能的情况,甚至发生微波窗介质穿孔,而使微波器件漏气报废的情况。据了解,目前对微波窗热耗与冷却的考虑主要是根据各种经验来估计

关键词：微波窗同轴线微波器件电子器件热耗馈电设备波导

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谐振式微波窗在磁控管中的应用

浙江海洋学院学报（人文科学版） 1997年第3期14卷 26-29页

作者：吴万祥

微波电子管窗(简称微波窗)是微波电子管的一个重要组成部份,在M型器件中,窗除了密封作用外,还承担着微波能量的馈送.对微波窗的基本要求为:1.足够宽工作频带;2.功率容量大;3.插入损耗小;4.工艺性能好.因此,设计和试制性能良好,结构合理... 详细信息

微波电子管窗(简称微波窗)是微波电子管的一个重要组成部份,在M型器件中,窗除了密封作用外,还承担着微波能量的馈送.对微波窗的基本要求为:1.足够宽工作频带;2.功率容量大;3.插入损耗小;4.工艺性能好.因此,设计和试制性能良好,结构合理的微波窗是微波电子管总体设计中的重要一环.

关键词：微波窗磁控管中谐振式驻波系数微波电子管脉冲磁控管微波测试插入损耗陶瓷介质电压反射系数

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一种微波窗介质介电常数的估算方法

一种微波窗介质介电常数的估算方法

中国电子学会真空电子学分会第十九届学术年会

作者：穆建中牛文斗马正军国营第七七八厂

1、引言输能窗作为磁控管密封和能量输出的窗口,在磁控管中具有十分重要的作用。但是,由于目前介质相对介电常数与损耗角正切值测试仪器的工作频率一般在最多50MHz,而能够测试的最高工作频率也不过10GHz,因此,对于毫米波及以上更高频率... 详细信息

1、引言输能窗作为磁控管密封和能量输出的窗口,在磁控管中具有十分重要的作用。但是,由于目前介质相对介电常数与损耗角正切值测试仪器的工作频率一般在最多50MHz,而能够测试的最高工作频率也不过10GHz,因此,对于毫米波及以上更高频率上工作的磁控管输能窗而言,其工作频率上介质相对

关键词：微波窗介质材料 CST模拟软件驻波频率特性

来源： cnki会议评论

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材料表面处理用强流电子回旋共振离子源

强激光与粒子束 2012年第12期24卷 2911-2914页

作者：明建川郭之虞彭士香北京大学核物理与核技术国家重点实验室北京100871

介绍一台2.45GHz永磁强流电子回旋共振离子源,其外径160mm,高90mm,放电室直径70mm,高50mm。微波馈入采用介质耦合方式,微波窗由一块50mm×10mm柱形BN和两块30mm×10mm的柱形陶瓷构成。离子源工作在脉冲模式下,采用三电极引出系统,... 详细信息

介绍一台2.45GHz永磁强流电子回旋共振离子源,其外径160mm,高90mm,放电室直径70mm,高50mm。微波馈入采用介质耦合方式,微波窗由一块50mm×10mm柱形BN和两块30mm×10mm的柱形陶瓷构成。离子源工作在脉冲模式下,采用三电极引出系统,最高引出电压达到100kV,在微波输入功率300W、进气量0.4mL/min时,可引出峰值超过30mA的氮离子束,在距离离子源引出孔1200mm位置处的束流均匀区直径大于200mm。

关键词：电子回旋共振离子源微波窗表面处理引出系统

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圆柱盒型窗的连续波功率容限问题的研究

强激光与粒子束 2003年第11期15卷 1111-1116页

作者：林福民丁耀根沈斌徐寿喜中国科学院电子学研究所北京100080

　运用精确的解析推导方法对圆TE11模微波窗的额定平均功率公式做了修正,给出了圆柱盒型窗中介质窗片温升的具体计算方法,并结合实际问题对圆柱盒型窗用于传输高功率连续波时的功率容限和鬼模振荡的特殊危害性以及排除方法进行了详细的... 详细信息

　运用精确的解析推导方法对圆TE11模微波窗的额定平均功率公式做了修正,给出了圆柱盒型窗中介质窗片温升的具体计算方法,并结合实际问题对圆柱盒型窗用于传输高功率连续波时的功率容限和鬼模振荡的特殊危害性以及排除方法进行了详细的讨论。研究结果表明:在L波段,只要排除工作频带内的鬼模,普通圆柱盒型窗用于传输120～150kW的连续波不成问题,并且可以得到14%左右的相对带宽。

关键词：高功率连续波微波窗介质窗片高频损耗功率容限鬼模

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模式匹配法及其在微波谐振腔中的应用

模式匹配法及其在微波谐振腔中的应用

作者：巩进杰电子科技大学

学位级别：硕士

微波电真空器件是军事、科技、医疗、通信及太空探索领域中的核心器件,以其高功率、高增益、高频率等特点而得到广泛应用。微波窗、阻抗变换器、微波谐振腔作为微波电真空器件的关键部件,其性能直接影响到器件的带宽、功率容量、互作用... 详细信息

微波电真空器件是军事、科技、医疗、通信及太空探索领域中的核心器件,以其高功率、高增益、高频率等特点而得到广泛应用。微波窗、阻抗变换器、微波谐振腔作为微波电真空器件的关键部件,其性能直接影响到器件的带宽、功率容量、互作用效率、可靠性等性能指标。这些部件的准确模拟和快速设计对缩短制管周期、提高整管性能、延长使用寿命至关重要。围绕微波窗、阻抗变换器和微波谐振腔等电真空器件关键部件的快速优化设计,论文深入研究了模式匹配法(Mode Matching Technique),进一步发挥模式匹配法的优势,结合非支配排序遗传算法(NSGA-II),建立了基于NSGA-II的微波窗S参数快速优化模型并编写了微波窗快速优化软件包MWDK;利用MWDK,快速优化了一个1-35GHz宽频带同轴窗与W波段折叠波导行波管矩形波导窗;同时,将模式匹配法应用于微波谐振腔的谐振频率与本征场分布的计算与分析,实现了微波谐振腔高频特性的快速计算。最后,针对速调管、扩展互作用速调管等外腔式电真空器件采用的复杂高频结构,将模式匹配法进行扩展,建立了外腔式谐振腔冷腔场计算的理论模型,为后续建立速调管、扩展互作用速调管等外腔式电真空器件的非线性注波互作用理论奠定了基础。本论文的主要工作和创新点如下:1深入研究了模式匹配法。推导了模式匹配法场匹配公式,分析了常见波导突变之间的耦合矩阵解析表达式,将其用于微波窗的S参数计算及微波谐振腔本征问题分析。开发了基于模式匹配法的谐振腔求解代码,求解了谐振频率及对应谐振模式的电磁场分布,并将计算性能和仿真结果与HFSS、CST进行对比。在精度相同的情况下,模式匹配法具有更快的求解速度。2深入研究了非支配排序遗传算法(NSGA-II),并结合模式匹配法,建立了基于NSGA-II的微波窗S参数优化模型。模型中设计了保证低反射、宽频带的目标函数。通过分析整个优化算法时间复杂度瓶颈,进一步在NSGA-II中增加了学习算子,改进后算法的收敛速度平均提升25%。3建立了外腔式器件冷腔场计算的模式展开理论模型。通过模式展开,得到了速调管谐振腔与电子注通道内电磁场满足的广义电报方程。结合场匹配思想,处理间隙处与耦合孔处不同形式场的耦合,建立了完整的外腔式谐振腔冷腔场计算的模式展开理论。模拟速调管输入腔冷腔场并与HFSS、CST进行对比,验证了算法的精确性及高效性。

关键词：模式匹配法微波谐振腔微波窗速调管 NSGA-II