高功率微波窗电热力特性的协同仿真研究

摘要

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。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 微波电真空器件概述

1.2 微波管中的输能窗

1.3 课题研究背景和意义

1.4 国内外研究现状和发展态势

1.5 论文的主要内容与创新

1.6 论文的结构安排

第二章 微波窗设计理论及相关软件

2.1 盒型窗的特点

2.2 盒型窗的等效电路

2.3 微波窗的材料

2.4 微波窗损坏的机理

2.5 常用软件

2.6 小结

第三章 高峰值功率S波段圆锥形微波窗的设计

3.1 高峰值功率微波窗的特点

3.2 圆锥形窗概述

3.3 圆锥形盒型窗的设计

3.4 仿真分析

3.5 小结

第四章 高平均功率Ka波段多层介质微波窗的设计

4.1 高平均功率微波窗的特点

4.2 电磁波的反射和折射

4.3 三层介质矩形窗的设计与仿真

4.4 一种改进窗焊接形式的结构

4.5 利于散热的五层窗片的设计与仿真

4.6 小结

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间取得的研究成果