论文：毫米波大功率匹配负载.doc

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1、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，本文设计了用于岛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，并无需模式变换育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11.1介电常数的概念11.2水的介电常数11.3驻

2、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52.1微波测量52.2毫米波的概念52.3毫米波功率测量原理62.4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83.1水负载的计算模拟83.2功率匹配负载设计方案93.2.1设计要求93.2.2设计参数103.2.3高频仿真结果103.3高功率水负载后处理结果11木章小结15结论17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

3、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)研制的冋旋行波管，工作模式为圆波导TE01模，在阳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。H前，国内

4、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兀配负载，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冃的。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兀配负载。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

5、；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，來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冋旋管测量问题。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

6、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。另一方而，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

7、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。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£r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（乂称电容率）,以e表示，e=er*eO,e0为真空绝对介电常数，£0=8.85*e-12,F/mo一

8、个屯容板中充入介电常数为£的物质后屯容变大£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，