利用場匹配理論和傳輸級聯(lián)矩陣建立多層介質(zhì)窗的分析方法，對回旋行波管輸入窗進行解析分析。在理論分析的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值計算得到回旋行波管寬帶輸入窗的初步結(jié)構(gòu)和尺寸，然后再利用三維高頻分析軟件HFSS 進行仿真和驗證。通過優(yōu)化設(shè)計，在W 波段獲得了傳輸系數(shù)大于- 0. 04 dB，反射系數(shù)小于- 20 dB 的帶寬大于8 GHz 的寬帶輸入窗。冷測實驗表明冷測結(jié)果與設(shè)計參數(shù)較為吻合。

　　高功率毫米波回旋行波管在成像雷達、毫米波通信系統(tǒng)以及電子戰(zhàn)等領(lǐng)域有著十分重要的應(yīng)用前景，因此在國際、國內(nèi)倍受重視。在毫米波波段，回旋行波管與普通行波管相比，具有高功率的特點，在W 波段，普通行波管的輸出功率一般不到100 W，而回旋行波管在此波段則能產(chǎn)生100 kW以上的輸出功率; 與大多數(shù)普通速調(diào)管和回旋速調(diào)管相比，其具有頻帶寬的特點，大多數(shù)普通速調(diào)管和回旋速調(diào)管一般輸出3 dB 帶寬不超過1%，而回旋行波管的輸出帶寬則超過3%。輸入窗是回旋行波管的關(guān)鍵部件之一，它的作用是實現(xiàn)回旋行波管管體內(nèi)的真空環(huán)境與大氣的隔絕，同時能在低反射、寬頻帶的條件下輸入驅(qū)動信號。輸入窗設(shè)計的好壞對整管的帶寬和增益有較大影響。如果輸入窗的反射過大，輸入帶寬較窄，將大大降低整管的增益和帶寬。因此，有必要對回旋行波管的輸入窗進行研究，降低其反射，展寬其輸入帶寬，進而提高回旋行波管的性能。

　　對于Kα 波段的回旋行波管和回旋速調(diào)管，其輸入窗的一般采用矩-圓-矩盒型窗結(jié)構(gòu)，并取得了成功應(yīng)用。但在W 波段，若采用矩-圓-矩盒型窗結(jié)構(gòu)藍寶石輸入窗，則輸入窗片的厚度將變得非常薄，只有0. 1 mm 左右，這給藍寶石輸入窗的加工和焊接帶來很大難度。鑒于此，采用多層窗片結(jié)構(gòu)是W波段回旋行波管輸入窗的理想方案，該結(jié)構(gòu)輸入窗不僅滿足低反射、寬帶寬的要求，而且藍寶石輸入窗片的厚度達到0. 5 mm 左右，易于加工和焊接，整管的真空氣密性得到了保障。本文首先利用場匹配理論建立傳輸級聯(lián)矩陣的方法對多層窗片結(jié)構(gòu)輸入窗進行解析分析計算，完成雙窗片結(jié)構(gòu)藍寶石輸入窗初始結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的設(shè)計。再利用三維高頻分析軟件HFSS 對初始結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)進行仿真優(yōu)化，同時加工了測試樣品，通過冷測實驗進行驗證，大大縮短了輸入窗的設(shè)計周期。

1、理論分析

　　為了展寬回旋行波管輸入窗的輸入帶寬，本文采用雙層窗片結(jié)構(gòu)的輸入窗，以達到增加輸入窗帶寬的目的。圖1 為雙窗片結(jié)構(gòu)輸入窗的3 維模型。

圖1 雙窗片結(jié)構(gòu)輸入窗3 維模型

　　輸入窗的傳輸波導(dǎo)中工作模式在輸入窗內(nèi)外的場分布及透射和反射系數(shù)可以通過場匹配理論建立傳輸級聯(lián)矩陣的辦法來分析。對n 層窗片結(jié)構(gòu)的輸入窗，可以看成2n + 1 個介質(zhì)填充波導(dǎo)的2n個介質(zhì)交界面。對于第p 個填充區(qū)域，其磁導(dǎo)率和介電常數(shù)為μp和εp。

結(jié)論

　　本文首先利用場匹配理論建立傳輸級聯(lián)矩陣的方法對多層窗片結(jié)構(gòu)輸入窗進行解析分析計算，再利用三維高頻分析軟件HFSS 進行建模仿真優(yōu)化，在W 波段完成了輸入帶寬大于8 GHz 的雙窗片結(jié)構(gòu)藍寶石輸入窗的設(shè)計。同時根據(jù)設(shè)計參數(shù)加工了測試樣品。通過冷測實驗，在W 波段該樣品的反射系數(shù)小于- 20 dB 的輸入帶寬大于8 GHz。以上的研究工作為W 波段高功率回旋行波管輸入窗的研制提供了技術(shù)支持。