利用場匹配理論建立多層窗片結構輸出窗的傳輸級聯矩陣，設計出了可承受40kW的Ku波段寬帶回旋行波管雙窗片結構輸出窗。用三維仿真軟件HFSS進行模擬，并與MATLAB數值計算結果進行比較，兩者結果吻合較好。在15~17GHz的頻帶內，圓形雙窗片結構輸出窗的反射數小于-17.7dB，傳輸系數大于S21>-0.08dB。對實驗樣品的冷測實驗表明:在15~17GHz的頻帶內反射系數小于-17.5dB。

　　回旋行波管與普通行波管相比，具有高功率的特點;與普通速調管、回旋速調管相比，具有高功率、寬頻帶的特點。它在雷達、通信以及電子戰等領域有著十分重要的應用前景，因此在國際、國內倍受重視。輸出窗是回旋行波管的關鍵部件之一。輸出窗設計的好壞往往決定整管研制的成敗。如果輸出窗的反射過大，在高功率條件下返回到回旋行波管高頻系統的功率增加，過大的反射將會引起工作模式和寄生模式的振蕩，從而導致整管注-波互作用效率降低和輸出模式純度變差，甚至使整管不能正常工作。此外，如果輸出窗的功率容量設計不足，在傳輸高平均功率時，容易造成輸出窗因溫度過高，熱應力過大而損壞。因此，有必要對回旋行波管的輸出窗進行研究，降低其反射，展寬其輸出帶寬，提高其功率容量，進而提高回旋行波管的性能。文獻和文獻分別利用場匹配法、等效電路法對回旋速調管單層窗片結構輸出窗進行了研究。但單層窗片結構輸出窗，由于其頻帶較窄，不能很好地滿足回旋行波管寬帶輸出的要求;文獻利用等效電路理論和網絡傳輸矩陣理論對盒型窗和三層窗片結構矩形波導輸出窗進行了研究，得到了很好的結果。

　　針對研制Ku波段寬帶高平均功率回旋行波管對寬帶(S11參數小于15dB的帶寬大于1.5GHz)、高功率容量(大于20kW)輸出窗的需求。采用雙層窗片結構圓波導輸出窗作為回旋行波管的輸出窗，可以有效地擴展輸出窗的帶寬。此外，為了提高回旋行波管的功率容量，一般采用過模圓波導輸出結構，但這造成了輸出窗的尺寸較大。如果單獨利用高頻系統分析軟件對其進行仿真設計，會耗費大量的機時。本文首先利用場匹配理論建立傳輸級聯矩陣的方法對多層結構輸出窗進行分析計算(該方法不僅可以完成多層窗片矩形窗的設計，而且可以完成多層窗片圓波導輸出窗的設計)，給出一種雙窗片結構輸出窗設計參數，然后再利用高頻軟件進行仿真驗證，極大地縮短了設計周期。最后加工了實驗樣品，并對其進行了冷測實驗。

1、理論分析

　　波導中工作模式在輸出窗內外的場分布及反射和透射系數可以用場匹配理論建立傳輸級聯矩陣的辦法來分析。文獻對矩形多層窗片結構波導窗進行了理論分析與設計。本文利用場匹配理論和傳輸級聯矩陣的方法建立多層窗片結構輸出窗的普遍理論。該理論方法不僅可以用來研究矩形多層窗片結構波導窗，而且還可以用來研究多層窗片結構圓波導輸出窗，具有更廣泛的適用性。假設入射波為TEmn波，輸出窗半徑不發生變化，i個窗片都是同一材料。i個窗片就有2i個分界面，每個分界面就是兩個不同介質區域的交界面，對第l和l+1區的橫向電場和橫向磁場分別為

3、冷測試驗

　　輸出窗冷測實驗，采用的是單端口反射法，使用矢網分析儀測量。圖9是實驗原理。圖10為冷測實驗所得S11參數，在15GHz和17GHz之間，S11參數小于-17.5dB。由圖4和圖10比較可知仿真計算結果與冷測結果較吻合。

圖9 冷測試驗原理圖

圖10 冷測所得S11參數

4、結論

　　本文利用場匹配理論建立傳輸級聯矩陣的方法對多層窗片結構輸出窗進行了理論分析和數值計算。設計了一種40kW級Ku波段TE11模回旋行波管的寬帶雙窗片結構輸出窗。經HFSS仿真，S11參數小于-1717dB時工作帶寬達到2GHz。對加工的實物樣品進行了測試，S11參數小于-1715dB時工作帶寬為2GHz。理論仿真和實物測試結果一致性較好。以上的研究工作為研制Ku波段TE11模回旋行波管提供了技術支持。