論文：毫米波大功率匹配負載

1、北京信息職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文論文題目：毫米波大功率匹配負載 15摘 要針對回旋行波管輸出的高階圓電模市TE01模，本文開展了一種新型大功率輻射式水負載的研制工作，其研制的主要技術(shù)難點有：適用于高階圓電模式、大功率容量、低駐波比系數(shù)的實現(xiàn)和水密封等，本文設計了用于Ka波段高功率回旋管功率測量的水負載。對高平均功率測量具有反射駐波比小于1.01，寬帶模式匹配；對高峰值功率，脈沖功率測量具有快速響應等優(yōu)點，并無需模式變換直接饋入回旋管過模波導進行功率測量。關鍵詞：水負載；毫米波；介電常數(shù)；功率目 錄摘 要I目 錄II引言1第一章 介電常數(shù)與駐波比11.1 介電常數(shù)的概念11.2 水的介電常數(shù)11.3

2、 駐波比的概念3本章小結(jié)4第二章 功率負載的測量原理與水負載設計圖52.1 微波測量52.2 毫米波的概念52.3 毫米波功率測量原理62.4 水負載設計圖（見附錄）7本章小結(jié)7第三章 HFSS高頻模擬水負載結(jié)果83.1 水負載的計算模擬83.2 功率匹配負載設計方案93.2.1 設計要求93.2.2 設計參數(shù)103.2.3 高頻仿真結(jié)果103.3 高功率水負載后處理結(jié)果11本章小結(jié)14結(jié) 論16致 謝17參考文獻18第一章引言近年來，在微波武器、毫米波雷達、通信、陶瓷燒結(jié)、熱核聚變的等離子體加熱和TeV超高能對撞機的RF驅(qū)動源等強烈的推動下，高功率相干毫米波源的研究在國際上得到了高度重視?；?/p>

3、旋管是毫米波段（30-300GHz）產(chǎn)生高平均功率和高峰值功率的最有希望的真空電子器件之一?；匦胁ü艿母哳l互作用電路通常采用圓波導結(jié)構(gòu)，工作模式為圓波導TE01模或TE02模，在毫米波和亞毫米波波段能夠產(chǎn)生高脈沖峰值功率與平均功率，例如：美國海軍實驗室（NRL）研制的回旋行波管，工作模式為圓波導TE01模，在Ka波段獲得了峰值功率137kw的實驗結(jié)果。研制的W波段回旋行波管工作模式為圓波導TE01模式，輸出峰值功率為92kw，平均功率10.2kw，如何對工作高次模圓電模式TE01的回旋管輸出功率高精度測量是需要仔細考慮的問題。目前，國內(nèi)外常采用的大功率毫米波匹配負載按吸收體可分為干負載和水負

4、載兩類。干負載是一種傳統(tǒng)的匹配負載，其通常采用體積較大的固體吸收材料，如碳化硅、氮化硼等吸收陶瓷作為微波吸收體，放置在波導內(nèi)部，通過波導外壁上的散熱片或循環(huán)水將吸收的熱量帶走，達到功率微波吸收的目的。干負載具有體積小、重量輕、使用方便等特點，但是功率功率容量較低，通常只能吸收數(shù)十瓦至數(shù)百瓦的微波功率，主要作為中等功率的微波匹配負載。用于毫米波功率測量的方法較多，對于較小毫米波功率測量可采取熱敏電阻式功率測量、二極管檢波的功率測量技術(shù)等，而對于功率的測量的方法有：可通過定向耦合器利用小功率測量；利用水的極化損耗吸收毫米波功率，通過熱電偶功率傳感器內(nèi)進口水溫差，來測量毫米波功率的大小。由于回旋管的

5、輸出功率可達到100kw以上，定向耦合器的耦合度需要-50dB左右，采用第一種方法，由于小功率計的連接方式為標準方波導，而圓波導內(nèi)圓電模式TE01耦合到方波導TE10模式的定向耦合器，在較寬頻帶內(nèi)定向耦合的耦合度波動較大，因此用于功率測量時不同頻率點的功率測量誤差加大。采用大功率水負載方式測量功率可有效解決回旋管測量問題。目前回旋管的功率測量基本都采用大功率水負載的方式。水在微波和毫米波頻段具有高的損耗正切，通過極化損耗高效率地把微波能量轉(zhuǎn)化成為熱損耗；且液態(tài)水具有良好的流動性和導熱能力，這兩點使得水負載成為高能微波系統(tǒng)理想吸收負載。作為回旋管主要技術(shù)指標的輸出功率的準確測量尤為重要，它和其它

6、技術(shù)指標帶寬、增益、效率都直接關聯(lián)。另一方面，各種回旋管管型的研制過程，一般都遵循從高峰值，短脈沖，然后發(fā)展高平均或連續(xù)波功率研制過程。然而，在毫米波和亞毫米波段，既適合于高平均功率，又可兼作高峰值功率、短脈沖回旋管功率測量的水負載目前還沒有定型產(chǎn)品，因此研制適合于高功率回旋管功率測量的水負載對于高功率回旋管性能測量具有重要意義。本文研究的水負載具有如圖1所示的結(jié)構(gòu)。高功率微波注入過模圓波導，以近似平面波的形式透過陶瓷錐面，然后被陶瓷隔離的水以極化損耗的形式所吸收，產(chǎn)生的熱量被流動的水轉(zhuǎn)移到負載以外。通過測量出水法蘭和入水法蘭之間的溫差電動勢，間接測量負載的吸收功率。圖 1 水負載結(jié)構(gòu)圖第一章

7、第一章 介電常數(shù)與駐波比1.1 介電常數(shù)的概念介質(zhì)在外加電場時會產(chǎn)生感應電荷而削弱電場，最終介質(zhì)中電場與原外加電場(真空中)比值即為相對介電常數(shù)(permittivity),又稱相對電容率，以r表示。如果有高介電常數(shù)的材料放在電場中，場的強度會在電介質(zhì)內(nèi)有可觀的下降。介電常數(shù)（又稱電容率），以表示，=r*0，0為真空絕對介電常數(shù)，0=8.85*e-12,F/m。 一個電容板中充入介電常數(shù)為的物質(zhì)后電容變大倍。 電介質(zhì)有使空間比起實際尺寸變得更大或更小的屬性。例如，當一個電介質(zhì)材料放在兩個電荷之間，它會減少作用在它們之間的力，就像它們被移遠了一樣。 當電磁波穿過電介質(zhì)，波的速度被減小，有更短的波

8、長。 相對介電常數(shù)r可以用靜電場用如下方式測量：首先在其兩塊極板之間為空氣的時候測試電容器的電容C0。然后，用同樣的電容極板間距離但在極板間加入電介質(zhì)后測得電容Cx。然后相對介電常數(shù)可以用下式計算 r=Cx/C0 對于時變電磁場，物質(zhì)的介電常數(shù)和頻率相關，通常稱為介電系數(shù)。1.2 水的介電常數(shù)水的介電特性是設計水負載的重要指標，水的介電常數(shù)的實部決定水負載的反射特性，其虛部決定水負載的對毫米波的吸收特性。然而，在工作頻段范圍，無法從文獻的實驗數(shù)據(jù)直接獲得我們所需要特定溫度和要求的工作頻率下的水的介電常數(shù)。到目前止，關于介質(zhì)介電常數(shù)的Debye理論是最為人們所接受的。Debye公式中應用的參數(shù)，

9、按其原來的解釋應與波長無關。但是， 近年來更多新的實測數(shù)據(jù)， 特別是在毫米波段的較為精確的實測結(jié)果公布后，人們發(fā)現(xiàn)在厘米波段適用的計算公式，對毫米波段介電常數(shù)的計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的符合程度較低，某些情況下的偏差還相當大。同時，分析和比較巳發(fā)表的各種計算模式所用的Debye參數(shù)，也發(fā)現(xiàn)它們之間有或大或小的差異，特別是某些參數(shù)隨溫度的變化，不同模式甚至出現(xiàn)互相矛盾之處，有的只適用低頻段，有的只是用高頻段。從現(xiàn)有巳發(fā)表的幾組不同Debye參數(shù)值并不相同這一事實出發(fā)，并注意到它們所依據(jù)的波長范圍不同，一個合乎邏輯的推理是：Debye參數(shù)也是波長的函數(shù)。在毫米波段和亞毫米波段采用雙德拜傳遞定律（Doub

10、le Debye relaxation law）相對合理并為人們接受： （1）這里表示靜態(tài)時水的介電常數(shù)，其中的參變量分別表示溫度和含鹽量，對于淡水，含鹽量及電導率近似為0。、隨溫度的變化可從文獻中獲得。圖2為200C和250C時水的相對介電常數(shù)隨頻率的變化。圖 2 200C和250C時水的相對介電常數(shù)隨頻率的變化1.3 駐波比的概念駐波比全稱為電壓駐波比，又名VSWR和SWR，為英文Voltage Standing Wave Ratio的簡寫。 在入射波和反射波相位相同的地方，電壓振幅相加為最大電壓振幅Vmax ，形成波腹；在入射波和反射波相位相反的地方電壓振幅相減為最小電壓振幅Vmin ，

11、形成波節(jié)。其它各點的振幅值則介于波腹與波節(jié)之間。這種合成波稱為行駐波。駐波比是駐波波腹處的聲壓幅值Vmax與波節(jié)處的聲壓Vmin幅值之比。在駐波管法中，測得駐波比，就可以求出吸聲材料的聲反射系數(shù)和吸聲系數(shù)。 在無線電通信中，天線與饋線的阻抗不匹配或天線與發(fā)射機的阻抗不匹配，高頻能量就會產(chǎn)生反射折回，并與前進的部分干擾匯合發(fā)生駐波。為了表征和測量天線系統(tǒng)中的駐波特性，也就是天線中正向波與反射波的情況，人們建立了“駐波比”這一概念， SWR=R/r=(1+K)/(1-K) 反射系數(shù)K=(R-r)/(R+r) (K為負值時表明相位相反) 式中R和r分別是輸出阻抗和輸入阻抗。當兩個阻抗數(shù)值一樣時，即達

12、到完全匹配，反射系數(shù)K等于0，駐波比為1。這是一種理想的狀況，實際上總存在反射，所以駐波比總是大于1的。 射頻系統(tǒng)阻抗匹配。特別要注意使電壓駐波比達到一定要求，因為在寬帶運用時頻率范圍很廣，駐波比會隨著頻率而變，應使阻抗在寬范圍內(nèi)盡量匹配。本章小結(jié)在第一章的學習中，我了解了一些關于介電常數(shù)和駐波比的淺顯的知識。介質(zhì)在外加電場時會產(chǎn)生感應電荷而削弱電場，最終介質(zhì)中電場與原外加電場(真空中)比值即為相對介電常數(shù)，且水的介電常數(shù)的實部決定水負載的反射特性，其虛部決定水負載的對毫米波的吸收特性。關于駐波比，駐波比是駐波波腹處的聲壓幅值Vmax與波節(jié)處的聲壓Vmin幅值之比。北京信息職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文

13、第二章 功率負載的測量原理與水負載設計圖2.1 微波測量微波測量就是利用測量儀器對微波進行定量實驗的方法。微波理論的正確與否，只有通過科學實驗和生產(chǎn)實踐才能加以檢驗。在微波元件、器件和微波設備的生產(chǎn)過程中，有許多環(huán)節(jié)需要微波測量對其零部件、半成品和成品進行實驗，在設計時也需要利用微波測量取得必要的數(shù)據(jù)。因此，從事微波技術(shù)的應用、微波元件和器件的制造、科學研究和教學工作中，微波測量站十分重要的地位。尤其某些問題的理論上難以獲得圓滿解決時，常常依賴于實際測量結(jié)果。目前，微波測量已作為一種常用的實驗技術(shù)列入近代物理實驗的內(nèi)容。很多基本物理研究，例如：時間標準、微波波譜分析、粒子加速器和等離子體診斷等

14、都要用到微波測量技術(shù)。因此，掌握微波測量技術(shù)是十分必要的。在無線電工程中，低頻測量均建立在原始參量電壓、電流和頻率的基礎上。而其他參量，如：波長、功率、阻抗、品質(zhì)因數(shù)和放大系數(shù)等均可由這三個基本參量導出。然而，隨著頻率提高到微波波段，電壓、電流不僅失去了原來的意義，而且根本無法直接測量，所以不能再作為微波測量的基本參量。在微波領域中，微波測量的基本參量是頻率（或波長）、駐波比（或反射系數(shù)）和功率，而其他參量如阻抗（或?qū)Ъ{）、衰減系數(shù)、增益和品質(zhì)因數(shù)等，原則上都可以由這三個進本參量導出。微波測量和低頻測量不同，在微波波段內(nèi)，電路的幾何尺寸接近或大于工作波長，電路是一種分布參數(shù)電路，所測試的電路參

15、量是時間和空間的二元函數(shù)。同時，由于某些某些參量不能直接測量，因此常用間接的測量方法。例如微波測量時，需將其轉(zhuǎn)化成熱量后間接測量。微波測量所使用的儀器、元件也多是分布參量的，且測量的準確度在很大程度上依賴于機械結(jié)構(gòu)的精確度，因而微波測試設備的加工要求十分嚴格，使用的部件也與低頻設備有所不同。當然，微波測量與低頻測量也是有聯(lián)系的，某些低頻測量的方法也可借用到微波測量中使用。微波測量一般都是由微波信號源和若干波導或同軸元件組成的微波測量系統(tǒng)上進行的，根據(jù)信號源輸出功率電平的大小，可分為小功率和大功率兩類微波測量系統(tǒng)。2.2 毫米波的概念第二章毫米波 （millimeter wave ）：波長為11

16、0毫米的電磁波稱毫米波，它位于微波與遠紅外波相交疊的波長范圍，因而兼有兩種波譜的特點。毫米波的理論和技術(shù)分別是微波向高頻的延伸和光波向低頻的發(fā)展。 毫米波與較低頻段的微波相比特點是： 可利用的頻譜范圍寬，信息容量大。 易實現(xiàn)窄波束和高增益的天線，因而分辨率高，抗干擾性好。 穿透等離子體的能力強。 多普勒頻移大，測速靈敏度高。 缺點是： 大氣中傳播衰減嚴重。 器件加工精度要求高。 與光波相比，它們利用大氣窗口（毫米波與亞毫米波在大氣中傳播時，由于氣體分子諧振吸收所致的某些衰減為極小值的頻率）傳播時的衰減小，受自然光和熱輻射源影響小。 毫米波在通信、雷達、制導、遙感技術(shù)、射電天文學和波譜學方面都有

17、重大的意義。利用大氣窗口的毫米波頻率可實現(xiàn)大容量的衛(wèi)星-地面通信或地面中繼通信。利用毫米波天線的窄波束和低旁瓣性能可實現(xiàn)低仰角精密跟蹤雷達和成像雷達。在遠程導彈或航天器重返大氣層時，需采用能順利穿透等離子體的毫米波實現(xiàn)通信和制導。高分辨率的毫米波輻射計適用于氣象參數(shù)的遙感。用毫米波和亞毫米波的射電天文望遠鏡探測宇宙空間的輻射波譜可以推斷星際物質(zhì)的成分。2.3 毫米波功率測量原理毫米波功率測量原理如圖3所示，首先對標準加熱電阻施加于額外功率，對流量恒定的循環(huán)水加熱，通過熱電偶測量出水溫差，計算出循環(huán)水吸收的熱量以校準微波功率測量系統(tǒng)，以盡可能的消除測量誤差，其次所測量的毫米波功率通過對水負載的水

18、介質(zhì)進行加熱，由熱電偶對負載中進出口水溫差的測量來計算所吸收的毫米波功率大小。因此水負載的匹配性能差將造成毫米波功率被反射增加，不但影響回旋管工作的穩(wěn)定性，還降低了負載對毫米波功率的吸收效果。為了減小誤差提高功率測量的精度。關鍵是解決功率負載的匹配問題，同時需要考慮負載的功率容量。圖3 毫米波功率測量原理圖2.4 水負載設計圖（見附錄）本章小結(jié)在第二章的學習中，我了解了一些關于毫米波的概念和毫米波測量原理。毫米波：波長為110毫米的電磁波稱毫米波，其有兩種波譜的特點，它有信息容量大、分辨率高、抗干擾性好、穿透等離子體的能力強、多普勒頻移大、測速靈敏度高等特點。也有衰減嚴重、器件加工精度要求高等

19、不足。在繪制水負載設計圖的過程中，我全面的了解了水負載的結(jié)構(gòu)特性，進水管、負載法蘭、陶瓷焊邊、外水套、托架、陶瓷錐、入水環(huán)、彎頭等結(jié)構(gòu)我都能很好的掌握。第三章 HFSS高頻模擬水負載結(jié)果3.1 水負載的計算模擬水對毫米波是一種表面吸收體，波的穿透深度要小于1毫米的量級，吸收毫米波的過程有可能使水氣化。在氣化過程可能會引起陶瓷錐的炸裂，或者產(chǎn)生的氣泡引起對毫米波反射。控制陶瓷錐表面的循環(huán)水的流量可以避免水溫上升從而導致氣化。水的流量和吸收功率的關系為： （2）其中，為吸收的毫米波功率，為水的比熱，為水的密度，為水的流量，為水的溫升。我們?nèi)?，可計算出要求的水流量為。水負載的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)應由水負載反

20、射最小確定。實際的水負載系統(tǒng)采用商用軟件HFSS進行優(yōu)化。負載的網(wǎng)格剖分情況如圖4所示。水負載中高頻場分布如圖5所示。從圖中可以看到陶瓷窗錐面使得水與高能微波的接觸面積遠大于波導的橫截面，極大地提高負載的功率容量。其次，我們還可以清楚地看到高頻率場以近似平面波的形式透過錐體陶瓷錐面，這說明水負載對入射的高能微波的模式并不敏感，甚至可以工作在多模條件下。圖 4 HFSS仿真模型圖 5 水負載中高頻場分布水負載的高頻反射特性如圖6所示。仿真結(jié)果表明，高平均功率水負載在整體工作頻帶內(nèi)具有較低的駐波比特性。且TE01模和TE02模的傳輸特性相近，在中心頻率35GHz附近4GHz帶寬內(nèi)其駐波比小于1.1

21、5,這說明水負載具有多模寬帶匹配特性。圖 6 水負載對入射波的反射駐波比隨頻率的變化水負載對高峰值功率，短脈沖回旋的功率測量必須具有快速響應特點，在溫升5攝氏十度，響應時間可同通過精確控制水的流量、水負載中吸收毫米波的水的有效體積，以及脈沖能量和重復頻率即有效值確定。若取有效功率,合理設計水負載的結(jié)構(gòu)，可保證水的有效體積為，可以算出響應時間35s, 其計算過程在這里不作贅述，參看有關文獻。高平均功率水負載的功率容量受到其它方面因素的限制，其中介質(zhì)內(nèi)空氣擊穿，將會導致陶瓷窗片炸裂。本設計的模擬過程，在1W的輸入功率條件下，水負載系統(tǒng)中最大電場強度為。由于輸入功率和系統(tǒng)中的場強之間的關系近似為。在

22、連續(xù)波10kW的輸入功率條件下，系統(tǒng)最大場強約，低于真空擊穿電壓近兩個數(shù)量級。對于短脈沖，高峰值功率200kW的輸入功率，最大電場強度為也遠低于真空擊穿電壓，所以該負載系統(tǒng)測量10kW量級的平均功率或者高峰值200kW、短脈沖工作的毫米波功率測量都不會出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。3.2 功率匹配負載設計方案3.2.1 設計要求1水負載用于35GHz, 駐波比小于1.012. 利用HFSS，對高功率水負載進行后處理。估算出輸入功率為30KW時的熱分布情況，從而估算出水的流速。3.2.2 設計參數(shù)1、水的相對介電常數(shù)：25oC 條件下，頻率在35GHz時，Real()=20.3593 Imag()=29.694

23、82、陶瓷材料的選?。?Relative permittivity 9.42 Dielectric Loss tangent 0.000453.2.3 高頻仿真結(jié)果1. 由圖7可知，在33GHz-37GHz之間，S11在-50dB以下。圖7 S112由圖8可知，在33GHz-37GHz之間，S21參數(shù)在-485dB以下。圖8 S21 3由圖9可知，在33GHz-37GHz之間，駐波比在1.007以下。圖9 VSWR4場強分布圖圖10 Mag_E3.3 高功率水負載后處理結(jié)果1、為了便于對場強進行后處理分析，我們提取出了場強數(shù)值平方曲線圖（所取直線為模型中陶瓷上表面與YZ平面的交線）如圖11，從

24、而表征功率分布關系。 圖11 Mag_E*Mag_E2、分析圖11，場強平方圖上取四點1、2、3、4，從而把曲線分為三段，利用HFSS分別對整條曲線及三段曲線進行積分得出圖12、13、14、15圖12 對電場平方圖整段積分3、由圖12可知，對電場幅值平方曲線進行線積分值為63526.93圖13 對點1和點2之間部分進行積分4、如圖13可知，對電場幅值平方曲線中第一段（圖11中1點和2點之間的部分）進行線積分結(jié)果為88819.42圖14 對點2和3之間部分進行積分5、如圖14可知，對電場幅值平方曲線第二段（圖11中2點和3點之間的部分）進行線積分結(jié)果為137446.44圖15 對3點和4點之間部分積分6、如圖15可知，對電場幅值平方曲線第三段（