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摘要：本发明公开一种回旋行波管输出窗设计方法，属于微波毫米波技术领域。本发明首先建立了输出窗理想无反射各层窗片的厚度计算公式和输出窗的反射系数S11理论计算公式；然后基于输出窗的各层窗片厚度与输出窗的反射系数S11间的映射关系，建立评估输出窗性能的适应度函数，并利用全局优化算法计算得到输出窗各层窗片的理论最优厚度；而后建立仿真模型进行仿真验证或仿真优化得到带宽满足设计要求的输出窗；最后将仿真模型求解得到输出窗吸收的能量作为热源，使用网格加密的方式对输出窗进行热分析，再对热分析结果进行后处理，直至得到功率容量满足设计要求的输出窗。本发明设计自由度高、计算速度快、通用性高，可实现高性能综合设计。

主权项：1.一种回旋行波管输出窗设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.基于回旋行波管的工作模式、带宽和功率容量，设置输出窗的工作参数和拓扑结构；其中，所述工作参数，包括输出窗的工作模式TEmn、最小工作频率f1、最大工作频率f2、输出窗半径R；所述拓扑结构指输出窗的基本结构，包括输出窗的层数和各层的材料；S2.设输出窗有N层窗片，根据公式1计算理想无反射各层窗片的厚度： 式中，tk为第k层窗片的厚度，εrk为第k层窗片介电常数，k＝1,2,…,N，λ为波导波长，Xmn为工作模式TEmn对应的贝塞尔函数的特征根，p取整数；S3.设从输出窗的输入端至输出端的交界面的序号依次为第1、2…2N，第i个交界面的传输矩阵Mi表达式为： 式中，i＝1,2,…,2N，表示输出窗交界面的编号；ui为第i个交界面的相对磁导率；βmni、βmni+1分别是第i和i+1个交界面上的传播常数；z表示轴向坐标；则具有N层窗片的输出窗的传输级联矩阵为： 式中，a2N+1＝M11M22-M12M21M22、b2N+1＝0分别为空气中的总入射波、总反射波的幅值；a1＝1、b1＝-M21M22分别为第1个交界面的总入射波、总反射波的幅值；M2N、M2N-1…M2、M1分别为第2N、2N-1…2、1个交界面的传输矩阵；M11、M12、M21和M22分别表示第2N、2N-1…2、1个交界面的传输矩阵乘积矩阵的第1行第1列的元素、第1行第2列的元素、第2行第1列的元素和第2行第2列的元素；建立输出窗的反射系数S11理论计算公式：S11＝10lg|M21M22|2＝10lg|r|4式中，r为功率反射系数，具体为： 式中，τ为透射系数，具体为： 式中，εi+1、εi分别是第i和i+1个交界面上的相对介电常数；S4.基于输出窗各层窗片厚度tk与输出窗的反射系数S11理论计算公式间的映射关系，建立评估输出窗性能的适应度函数；利用全局优化算法计算得到输出窗各层窗片的理论最优厚度。S5.基于输出窗的拓扑结构、输出窗半径和各层窗片的理论最优厚度，在CST仿真软件中建立输出窗的仿真模型；根据回旋行波管的工作模式和功率容量，设定激励模式和场幅值；对仿真模型进行电磁仿真，得到反射系数S11仿真值；若仿真模型的带宽满足设计要求则进行下一步；若不满足，则基于CST仿真软件中的遗传算法，对输出窗各层厚度进行优化，直至仿真模型的带宽满足设计要求。S6.基于仿真模型求解得到正常工作状态下输出窗吸收的能量，将输出窗吸收的能量作为热源，并基于网格加密的方式对输出窗进行热分析，得到热分析结果；对热分析结果进行后处理得到输出窗上最大温度和最小温度的实际温度差；若实际温度差比输出窗的最大临界温度差小，则输出窗功率容量达到设计需求；若实际温度差比输出窗的最大临界温度差大，则选择热交换系数更高的外围导体材料直至实际温度差比输出窗的最大临界温度差小，达到输出窗功率容量设计需求，完成输出窗设计。

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