论文毫米波大功率匹配负载.docx

论文毫米波大功率匹配负载.docx

《论文毫米波大功率匹配负载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《论文毫米波大功率匹配负载.docx（18页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

论文毫米波大功率匹配负载

论文题目：

毫米波大功率匹配负载

摘要

针对回旋行波管输出的高阶圆电模市TE01模，本文开展了一种新型大功率辐射式水负载的研制工作，其研制的主要技术难点有：

适用于高阶圆电模式、大功率容量、低驻波比系数的实现和水密封等，本文设计了用于Ka波段高功率回旋管功率测量的水负载。

对高平均功率测量具有反射驻波比小于1.01，宽带模式匹配；对高峰值功率，脉冲功率测量具有快速响应等优点，并无需模式变换直接馈入回旋管过模波导进行功率测量。

关键词：

水负载；毫米波；介电常数；功率

目录

摘要I

目录II

引言1

第一章介电常数与驻波比1

1.1介电常数的概念1

1.2水的介电常数1

1.3驻波比的概念3

本章小结4

第二章功率负载的测量原理与水负载设计图5

2.1微波测量5

2.2毫米波的概念5

2.3毫米波功率测量原理6

2.4水负载设计图（见附录）7

本章小结7

第三章HFSS高频模拟水负载结果8

3.1水负载的计算模拟8

3.2功率匹配负载设计方案9

3.2.1设计要求9

3.2.2设计参数10

3.2.3高频仿真结果10

3.3高功率水负载后处理结果11

本章小结14

结论16

致谢17

参考文献18

引言

近年来，在微波武器、毫米波雷达、通信、陶瓷烧结、热核聚变的等离子体加热和TeV超高能对撞机的RF驱动源等强烈的推动下，高功率相干毫米波源的研究在国际上得到了高度重视。

回旋管是毫米波段（30-300GHz）产生高平均功率和高峰值功率的最有希望的真空电子器件之一。

回旋行波管的高频互作用电路通常采用圆波导结构，工作模式为圆波导TE01模或TE02模，在毫米波和亚毫米波波段能够产生高脉冲峰值功率与平均功率，例如：

美国海军实验室（NRL）研制的回旋行波管，工作模式为圆波导TE01模，在Ka波段获得了峰值功率137kw的实验结果。

研制的W波段回旋行波管工作模式为圆波导TE01模式，输出峰值功率为92kw，平均功率10.2kw，如何对工作高次模圆电模式TE01的回旋管输出功率高精度测量是需要仔细考虑的问题。

目前，国内外常采用的大功率毫米波匹配负载按吸收体可分为干负载和水负载两类。

干负载是一种传统的匹配负载，其通常采用体积较大的固体吸收材料，如碳化硅、氮化硼等吸收陶瓷作为微波吸收体，放置在波导内部，通过波导外壁上的散热片或循环水将吸收的热量带走，达到功率微波吸收的目的。

干负载具有体积小、重量轻、使用方便等特点，但是功率功率容量较低，通常只能吸收数十瓦至数百瓦的微波功率，主要作为中等功率的微波匹配负载。

用于毫米波功率测量的方法较多，对于较小毫米波功率测量可采取热敏电阻式功率测量、二极管检波的功率测量技术等，而对于功率的测量的方法有：

可通过定向耦合器利用小功率测量；利用水的极化损耗吸收毫米波功率，通过热电偶功率传感器内进口水温差，来测量毫米波功率的大小。

由于回旋管的输出功率可达到100kw以上，定向耦合器的耦合度需要-50dB左右，采用第一种方法，由于小功率计的连接方式为标准方波导，而圆波导内圆电模式TE01耦合到方波导TE10模式的定向耦合器，在较宽频带内定向耦合的耦合度波动较大，因此用于功率测量时不同频率点的功率测量误差加大。

采用大功率水负载方式测量功率可有效解决回旋管测量问题。

目前回旋管的功率测量基本都采用大功率水负载的方式。

水在微波和毫米波频段具有高的损耗正切，通过极化损耗高效率地把微波能量转化成为热损耗；且液态水具有良好的流动性和导热能力，这两点使得水负载成为高能微波系统理想吸收负载。

作为回旋管主要技术指标的输出功率的准确测量尤为重要，它和其它技术指标带宽、增益、效率都直接关联。

另一方面，各种回旋管管型的研制过程，一般都遵循从高峰值，短脉冲，然后发展高平均或连续波功率研制过程。

然而，在毫米波和亚毫米波段，既适合于高平均功率，又可兼作高峰值功率、短脉冲回旋管功率测量的水负载目前还没有定型产品，因此研制适合于高功率回旋管功率测量的水负载对于高功率回旋管性能测量具有重要意义。

本文研究的水负载具有如图1所示的结构。

高功率微波注入过模圆波导，以近似平面波的形式透过陶瓷锥面，然后被陶瓷隔离的水以极化损耗的形式所吸收，产生的热量被流动的水转移到负载以外。

通过测量出水法兰和入水法兰之间的温差电动势，间接测量负载的吸收功率。

图1水负载结构图

第一章介电常数与驻波比

1.1介电常数的概念

介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，最终介质中电场与原外加电场（真空中）比值即为相对介电常数（permittivity）,又称相对电容率，以εr表示。

如果有高介电常数的材料放在电场中，场的强度会在电介质内有可观的下降。

介电常数（又称电容率），以ε表示，ε=εr*ε0，ε0为真空绝对介电常数，ε0=8.85*e-12,F/m。

一个电容板中充入介电常数为ε的物质后电容变大ε倍。

电介质有使空间比起实际尺寸变得更大或更小的属性。

例如，当一个电介质材料放在两个电荷之间，它会减少作用在它们之间的力，就像它们被移远了一样。

　　当电磁波穿过电介质，波的速度被减小，有更短的波长。

　　相对介电常数εr可以用静电场用如下方式测量：

首先在其两块极板之间为空气的时候测试电容器的电容C0。

然后，用同样的电容极板间距离但在极板间加入电介质后测得电容Cx。

然后相对介电常数可以用下式计算

　　εr=Cx/C0

　　对于时变电磁场，物质的介电常数和频率相关，通常称为介电系数。

1.2水的介电常数

水的介电特性是设计水负载的重要指标，水的介电常数的实部决定水负载的反射特性，其虚部决定水负载的对毫米波的吸收特性。

然而，在工作频段范围，无法从文献的实验数据直接获得我们所需要特定温度和要求的工作频率下的水的介电常数。

到目前止，关于介质介电常数的Debye理论是最为人们所接受的。

Debye公式中应用的参数，按其原来的解释应与波长无关。

但是，近年来更多新的实测数据，特别是在毫米波段的较为精确的实测结果公布后，人们发现在厘米波段适用的计算公式，对毫米波段介电常数的计算结果与实测数据的符合程度较低，某些情况下的偏差还相当大。

同时，分析和比较巳发表的各种计算模式所用的Debye参数，也发现它们之间有或大或小的差异，特别是某些参数随温度的变化，不同模式甚至出现互相矛盾之处，有的只适用低频段，有的只是用高频段。

从现有巳发表的几组不同Debye参数值并不相同这一事实出发，并注意到它们所依据的波长范围不同，一个合乎逻辑的推理是：

Debye参数也是波长的函数。

在毫米波段和亚毫米波段采用双德拜传递定律（DoubleDebyerelaxationlaw）相对合理并为人们接受：

（1）

这里

表示静态时水的介电常数，其中的参变量

分别表示温度和含盐量，对于淡水，含盐量及电导率近似为0。

、

、

随温度的变化可从文献中获得。

图2为200C和250C时水的相对介电常数随频率的变化。

图2200C和250C时水的相对介电常数随频率的变化

1.3驻波比的概念

驻波比全称为电压驻波比，又名VSWR和SWR，为英文VoltageStandingWaveRatio的简写。

　　在入射波和反射波相位相同的地方，电压振幅相加为最大电压振幅Vmax，形成波腹；在入射波和反射波相位相反的地方电压振幅相减为最小电压振幅Vmin，形成波节。

其它各点的振幅值则介于波腹与波节之间。

这种合成波称为行驻波。

驻波比是驻波波腹处的声压幅值Vmax与波节处的声压Vmin幅值之比。

在驻波管法中，测得驻波比，就可以求出吸声材料的声反射系数和吸声系数。

　　在无线电通信中，天线与馈线的阻抗不匹配或天线与发射机的阻抗不匹配，高频能量就会产生反射折回，并与前进的部分干扰汇合发生驻波。

为了表征和测量天线系统中的驻波特性，也就是天线中正向波与反射波的情况，人们建立了“驻波比”这一概念，

　　SWR=R/r=（1+K）/（1-K）

　　反射系数K=（R-r）/（R+r）

　　（K为负值时表明相位相反）

　　式中R和r分别是输出阻抗和输入阻抗。

当两个阻抗数值一样时，即达到完全匹配，反射系数K等于0，驻波比为1。

这是一种理想的状况，实际上总存在反射，所以驻波比总是大于1的。

射频系统阻抗匹配。

特别要注意使电压驻波比达到一定要求，因为在宽带运用时频率范围很广，驻波比会随着频率而变，应使阻抗在宽范围内尽量匹配。

本章小结

在第一章的学习中，我了解了一些关于介电常数和驻波比的浅显的知识。

介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，最终介质中电场与原外加电场（真空中）比值即为相对介电常数，且水的介电常数的实部决定水负载的反射特性，其虚部决定水负载的对毫米波的吸收特性。

关于驻波比，驻波比是驻波波腹处的声压幅值Vmax与波节处的声压Vmin幅值之比。

第二章功率负载的测量原理与水负载设计图

2.1微波测量

微波测量就是利用测量仪器对微波进行定量实验的方法。

微波理论的正确与否，只有通过科学实验和生产实践才能加以检验。

在微波元件、器件和微波设备的生产过程中，有许多环节需要微波测量对其零部件、半成品和成品进行实验，在设计时也需要利用微波测量取得必要的数据。

因此，从事微波技术的应用、微波元件和器件的制造、科学研究和教学工作中，微波测量站十分重要的地位。

尤其某些问题的理论上难以获得圆满解决时，常常依赖于实际测量结果。

目前，微波测量已作为一种常用的实验技术列入近代物理实验的内容。

很多基本物理研究，例如：

时间标准、微波波谱分析、粒子加速器和等离子体诊断等都要用到微波测量技术。

因此，掌握微波测量技术是十分必要的。

在无线电工程中，低频测量均建立在原始参量电压、电流和频率的基础上。

而其他参量，如：

波长、功率、阻抗、品质因数和放大系数等均可由这三个基本参量导出。

然而，随着频率提高到微波波段，电压、电流不仅失去了原来的意义，而且根本无法直接测量，所以不能再作为微波测量的基本参量。

在微波领域中，微波测量的基本参量是频率（或波长）、驻波比（或反射系数）和功率，而其他参量如阻抗（或导纳）、衰减系数、增益和品质因数等，原则上都可以由这三个进本参量导出。

微波测量和低频测量不同，在微波波段内，电路的几何尺寸接近或大于工作波长，电路是一种分布参数电路，所测试的电路参量是时间和空间的二元函数。

同时，由于某些某些参量不能直接测量，因此常用间接的测量方法。

例如微波测量时，需将其转化成热量后间接测量。

微波测量所使用的仪器、元件也多是分布参量的，且测量的准确度在很大程度上依赖于机械结构的精确度，因而微波测试设备的加工要求十分严格，使用的部件也与低频设备有所不同。

当然，微波测量与低频测量也是有联系的，某些低频测量的方法也可借用到微波测量中使用。

微波测量一般都是由微波信号源和若干波导或同轴元件组成的微波测量系统上进行的，根据信号源输出功率电平的大小，可分为小功率和大功率两类微波测量系统。

2.2毫米波的概念

毫米波（millimeterwave）：

波长为1～10毫米的电磁波称毫米波，它位于微波与远红外波相交叠的波长范围，因而兼有两种波谱的特点。

毫米波的理论和技术分别是微波向高频的延伸和光波向低频的发展。

毫米波与较低频段的微波相比

特点是：

1可利用的频谱范围宽，信息容量大。

2易实现窄波束和高增益的天线，因而分辨率高，抗干扰性好。

3穿透等离子体的能力强。

④多普勒频移大，测速灵敏度高。

缺点是：

1大气中传播衰减严重。

②器件加工精度要求高。

　　与光波相比，它们利用大气窗口（毫米波与亚毫米波在大气中传播时，由于气体分子谐振吸收所致的某些衰减为极小值的频率）传播时的衰减小，受自然光和热辐射源影响小。

毫米波在通信、雷达、制导、遥感技术、射电天文学和波谱学方面都有重大的意义。

利用大气窗口的毫米波频率可实现大容量的卫星-地面通信或地面中继通信。

利用毫米波天线的窄波束和低旁瓣性能可实现低仰角精密跟踪雷达和成像雷达。

在远程导弹或航天器重返大气层时，需采用能顺利穿透等离子体的毫米波实现通信和制导。

高分辨率的毫米波辐射计适用于气象参数的遥感。

用毫米波和亚毫米波的射电天文望远镜探测宇宙空间的辐射波谱可以推断星际物质的成分。

2.3毫米波功率测量原理

毫米波功率测量原理如图3所示，首先对标准加热电阻施加于额外功率，对流量恒定的循环水加热，通过热电偶测量出水温差，计算出循环水吸收的热量以校准微波功率测量系统，以尽可能的消除测量误差，其次所测量的毫米波功率通过对水负载的水介质进行加热，由热电偶对负载中进出口水温差的测量来计算所吸收的毫米波功率大小。

因此水负载的匹配性能差将造成毫米波功率被反射增加，不但影响回旋管工作的稳定性，还降低了负载对毫米波功率的吸收效果。

为了减小误差提高功率测量的精度。

关键是解决功率负载的匹配问题，同时需要考虑负载的功率容量。

图3毫米波功率测量原理图

2.4水负载设计图（见附录）

本章小结

在第二章的学习中，我了解了一些关于毫米波的概念和毫米波测量原理。

毫米波：

波长为1～10毫米的电磁波称毫米波，其有两种波谱的特点，它有信息容量大、分辨率高、抗干扰性好、穿透等离子体的能力强、多普勒频移大、测速灵敏度高等特点。

也有衰减严重、器件加工精度要求高等不足。

在绘制水负载设计图的过程中，我全面的了解了水负载的结构特性，进水管、负载法兰、陶瓷焊边、外水套、托架、陶瓷锥、入水环、弯头等结构我都能很好的掌握。

第三章HFSS高频模拟水负载结果

3.1水负载的计算模拟

水对毫米波是一种表面吸收体，波的穿透深度要小于1毫米的量级，吸收毫米波的过程有可能使水气化。

在气化过程可能会引起陶瓷锥的炸裂，或者产生的气泡引起对毫米波反射。

控制陶瓷锥表面的循环水的流量可以避免水温上升从而导致气化。

水的流量和吸收功率的关系为：

（2）

其中，

为吸收的毫米波功率，

为水的比热，

为水的密度，

为水的流量，

为水的温升。

我们取

，

，可计算出要求的水流量为

。

水负载的具体结构参数应由水负载反射最小确定。

实际的水负载系统采用商用软件HFSS进行优化。

负载的网格剖分情况如图4所示。

水负载中高频场分布如图5所示。

从图中可以看到陶瓷窗锥面使得水与高能微波的接触面积远大于波导的横截面，极大地提高负载的功率容量。

其次，我们还可以清楚地看到高频率场以近似平面波的形式透过锥体陶瓷锥面，这说明水负载对入射的高能微波的模式并不敏感，甚至可以工作在多模条件下。

图4HFSS仿真模型

图5水负载中高频场分布

水负载的高频反射特性如图6所示。

仿真结果表明，高平均功率水负载在整体工作频带内具有较低的驻波比特性。

且TE01模和TE02模的传输特性相近，在中心频率35GHz附近4GHz带宽内其驻波比小于1.15,这说明水负载具有多模宽带匹配特性。

图6水负载对入射波的反射驻波比随频率的变化

水负载对高峰值功率，短脉冲回旋的功率测量必须具有快速响应特点，在温升5摄氏十度，响应时间可同通过精确控制水的流量、水负载中吸收毫米波的水的有效体积，以及脉冲能量和重复频率即有效值

确定。

若取有效功率

合理设计水负载的结构，可保证水的有效体积为

，可以算出响应时间35s,其计算过程在这里不作赘述，参看有关文献。

高平均功率水负载的功率容量受到其它方面因素的限制，其中介质内空气击穿，将会导致陶瓷窗片炸裂。

本设计的模拟过程，在1W的输入功率条件下，水负载系统中最大电场强度为

。

由于输入功率和系统中的场强之间的关系近似为

。

在连续波10kW的输入功率条件下，系统最大场强约

，低于真空击穿电压

近两个数量级。

对于短脉冲，高峰值功率200kW的输入功率，最大电场强度为

也远低于真空击穿电压，所以该负载系统测量10kW量级的平均功率或者高峰值200kW、短脉冲工作的毫米波功率测量都不会出现击穿现象。

3.2功率匹配负载设计方案

3.2.1设计要求

1．水负载用于35GHz,驻波比小于1.01

2.利用HFSS，对高功率水负载进行后处理。

估算出输入功率为30KW时的热分布情况，从而估算出水的流速。

3.2.2设计参数

1、水的相对介电常数：

25oC条件下，频率在35GHz时，Real（

）=20.3593Imag（

）=29.6948

2、陶瓷材料的选取：

Relativepermittivity9.42DielectricLosstangent0.00045

3.2.3高频仿真结果

1.由图7可知，在33GHz-37GHz之间，S11在-50dB以下。

图7S11

2．由图8可知，在33GHz-37GHz之间，S21参数在-485dB以下。

图8S21

3．由图9可知，在33GHz-37GHz之间，驻波比在1.007以下。

图9VSWR

4．场强分布图

图10Mag_E

3.3高功率水负载后处理结果

1、为了便于对场强进行后处理分析，我们提取出了场强数值平方曲线图（所取直线为模型中陶瓷上表面与YZ平面的交线）如图11，从而表征功率分布关系。

图11Mag_E*Mag_E

2、分析图11，场强平方图上取四点1、2、3、4，从而把曲线分为三段，利用HFSS分别对整条曲线及三段曲线进行积分得出图12、13、14、15

图12对电场平方图整段积分

3、由图12可知，对电场幅值平方曲线进行线积分值为63526.93

图13对点1和点2之间部分进行积分

4、如图13可知，对电场幅值平方曲线中第一段（图11中1点和2点之间的部分）进行线积分结果为88819.42

图14对点2和3之间部分进行积分

5、如图14可知，对电场幅值平方曲线第二段（图11中2点和3点之间的部分）进行线积分结果为137446.44

图15对3点和4点之间部分积分

6、如图15可知，对电场幅值平方曲线第三段（图11中3点和4点之间的部分）进行线积分结果为41608.68。

由以上三组数据可以计算出三段（1点与2点，2点与3点，3点与4点之间）功率耗散占总功率的百分比分别为35％，43.3%,6.5%

假设输入功率为30KW

经计算得出单位面积热损耗分别为：

160W/cm2,360W/cm2，160W/cm2

面积分别为65.19cm2,35.35cm2,12.17cm2

分布图如下

图16热耗散图

本章小结

在第三章的学习中，我了解了一些关于HFSS高频模拟水负载吸收功率的一些知识，首先，我知道了如何简单的操作HFSS高频模拟软件，并且利用软件建立模型，全面的分析高频场的场强变化、驻波比的变化，最终利用该软件完成了对35GHz,驻波比小于1.01的水负载在25oC条件下，频率在35GHz时的高频模拟状况。

并假设输入功率30KW时的热损耗。

结论

经过了理论、数据、图形和HFSS高频模拟软件等的综合分析与判断，我们设计出了参数是35GHz,驻波比小于1.01的水负载，设计制作的功率负载以实际应用于回旋管功率测量，在工作频率范围内最大测试峰值功率约为200kw，平均功率5kw，功率测试过程稳定性好。

实验结果表明所设计的功率水负载对高平均功率输出状态下回旋管工作稳定性基本没有影响，工作良好，无微波泄漏、温度高过高、打火等异常现象发生，完全达到了预期设计目标。

基于回旋行波管功率测试的需要，开展了大功率辐射式波导水负载的研制工作，其研制的主要技术难点有：

工作模式为高阶圆电模TE01模，大功率容量、低驻波系数实现、水密封性等。

通过科研攻关，已研制成功Ka波段大功率辐射式波导水负载，并已应用与回旋行波管的大功率测试，其相对频率带宽大于15%，峰值功率容量大于150kw，平均功率容量大于5kw。

该水负载采用特殊材料烧制出特殊结构，防止于金属波导内，具有体积小，重量轻、结构紧凑、安全方便的优点.