CN102510271A - 一种微波功率合成方法 - Google Patents

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常安碧
金晓
谭杰
黄华
罗敏
康强
向飞
李名加
王淦平
何琥
金晖
龚胜刚
罗光耀
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Abstract

本发明提供了一种微波功率合成方法，由包括脉冲功率源、相对论速调管放大器、同步控制系统和辐射天线系统来实现，多台脉冲功率源输出的电子束，经多路触发系统同步控制电子束出束时间间隔，再经过相对论速调管放大器产生一定宽度和功率的微波，该微波通过种子源使多束微波锁相，并通过移相器控制微波相位同步，然后经过辐射天线后向目标辐射，在目标物体上实现功率合成。采用本发明的高功率微波空间功率合成方法，可以通过低功率微波发射系统的简单排列或阵列进行功率合成，达到获取高功率微波的效果。

Description

一种微波功率合成方法
技术领域
本发明属于微波技术领域，具体涉及一种微波发射功率合成方法。
背景技术
我国开展微波技术研究已经有几十年了，但一直以来都停留在“单台微波源+天线系统”的技术层面。
单台微波源要输出更高功率微波受到了从高电压技术、绝缘技术、系统散热、器件技术、天馈结构到运输等诸多方面的限制，技术风险大且应用可行性差，因此，传统的“单台微波源+天线系统”技术路线将很难满足高功率微波的应用要求。
发明内容
针对传统的“单台微波源+天线系统”技术路线存在的技术风险大、应用可行性差、很难满足更高功率应用需求的技术现状，本发明提供一种新型高功率微波发射合成方法，该技术线既能降低技术风险、解决应用可行性问题，还能通过多系统的模块化扩展实现更高功率微波输出水平。
本发明的微波功率合成方法，由包括脉冲功率源、相对论速调管放大器、同步控制系统和辐射天线系统来实现，所述的微波功率合成方法包括如下内容：多台脉冲功率源输出的电子束，经多路触发系统同步控制电子束出束时间间隔，再经过相对论速调管放大器产生一定宽度和功率的微波，该微波通过种子源使多束微波锁相，并通过移相器控制微波相位同步，然后经过辐射天线后向目标辐射，在目标物体上实现功率合成。
所述的脉冲功率源为直线变压器驱动型脉冲功率源。
所述的电子束是这样产生的：直线变压器驱动型脉冲功率源由充电电源同时并分别通过多台变压器后给脉冲形成网络充电，多台激光器分别触发多台直线变压器驱动型脉冲功率源的主开关输出高压脉冲驱动多台相对论速调管放大器的二极管，在引导磁场的作用下二极管产生的电子束穿过器件。
所述的变压器配置独立的充电电源，充电电源在控制系统的引导下能同时对多台变压器充电。
所述的微波相位同步是这样实现的：种子源经过功分器后注入多台相对论速调管放大器的输入腔，除第一台相对论速调管放大器外，在其它输入腔上分别接上一个波导移相器，调节注入相对论速调管放大器的微波相位，使其与第一路微波同相位。
所述的功率合成既可以工作在脉冲功率源单次运行状态，也可以工作在脉冲功率源重复频率运行状态。
所述的引导磁场为恒流源引导磁场。
应用本发明的微波功率合成方法，可以通过低功率微波发射系统的简单排列或阵列，达到获取高功率微波；而低功率微波发射系统作为一种成熟技术，其实现难度低，技术风险小，工程代价也较低。另外，作为成熟的低功率微波发生系统，其体积较小，适合于机动性和灵活性要求。
附图说明
图1为两路脉冲功率源功率合成系统原理框图。
图2为两台脉冲功率源辐射合成电场分布图计算结果。
图3为两台脉冲功率源同步输出电压波形。
图4 为氖灯亮度显示的空间合成功率密度效果。
图5为两台脉冲功率源同时运行时天线内和辐射合成波形。
图6为两台脉冲功率源同时重频5Hz运行时单台源输出波形和合成波形。
具体实施方式
微波功率合成是指两台或两台以上独立的微波源进行单次或重复频率的同步运行，产生的微波经各自天线向目标辐射，通过锁频锁相技术控制微波相位同步，实现微波电场在目标物上的高效率同相叠加。
功率合成系统重要组成部分包括脉冲功率源、相对论速调管放大器、同步控制系统和辐射天线等，微波功率合成的实现方法是：总控系统控制两台脉冲功率源按要求输出率电子束，两路触发系统精确同步控制电子束出束时间间隔，经过相对论速调管放大器产生一定宽度和功率的微波，微波种子源使双束微波锁频锁相，并通过移相器控制微波相位同步，并经过天线后向目标辐射，在目标物上实施功率相干合成。
图1所示为两台脉冲功率源微波功率合成系统工作原理框图。
两台脉冲功率源由充电电源同时并分别通过两台变压器后给脉冲形成网络（简称：PFN）充电，两台激光器分别触发两台LTD源的主开关输出脉冲高压驱动两套RKA的二极管，在恒流源引导磁场的作用下二极管产生的电子束穿过器件。两套RKA采用一台速调管种子源经过功分器后注入两台RKA的输入腔，其中一路接上一个大功率波导移相器，调节注入RKA的微波相位，使其与另一路微波同相位。
每一路RKA输出微波经过TEM—TM01—TE11模式转换器后，通过天线向目标辐射，而且在输出微波的圆波导外导体壁上安装了一个双定向耦合器监测天线内的微波。合成效果的仿真计算结果如图2所示。从图2可以看出，两个辐射喇叭并排辐射时，空间合成场形成了3个明显的增强区和两个场强减弱区，其中两个喇叭的中轴线合成场强最大（两路辐射喇叭微波相位相同）。
图3为两台脉冲功率源同步输出二极管电压波形。从图可以看出，25个波形重叠的很好，几乎是一个波形。
将微波种子源功分并移相后分别驱动两台RKA，在脉宽100ns时间内两套RKA输出微波的相差波动小于±10度、脉宽200ns时间内的相差波动小于±20度，频率完全一致。由于两台脉冲功率源输出电压和微波参数比较一致，所以两台脉冲功率源输出微波的相位差波动比单个脉冲功率源输入与输出微波之间的相位波动小。通过调节RKA1线路中的波导移相器，使两路RKA输出的微波信号实现了频率和相位的锁定，两路输出微波达到喇叭轴线远场点的相对相差接近为零。
同时运行两台脉冲功率源时的相干合成空间功率合成功率密度强弱分布如图5。由图5所示的合成微波信号的实时波形和频谱波形可以看出，合成微波信号波形幅度比较均匀、频谱单一，再次旁证了两路RKA输出微波频率一致、相位基本一致。
从图4可以看出，两路脉冲功率源合成后得到了较好的干涉条纹效果。 
两台脉冲功率源同时重频5Hz运行时单台源输出波形和合成波形如图6所示。从图可以看出，重频5Hz运行时，合成波形比较稳定，说明两台脉冲功率源输出幅度和频率稳定。
综上所述，功率合成方法已得到实验证明，运用该技术可以推广到多台微波功率合成的实验研究和工程应用中。

Claims (7)

1.一种微波功率合成方法，由包括脉冲功率源、相对论速调管放大器、同步控制系统和辐射天线系统来实现，其特征在于，所述的微波功率合成方法包括如下内容：多台脉冲功率源输出的电子束，经多路触发系统同步控制电子束出束时间间隔，再经过相对论速调管放大器产生一定宽度和功率的微波，该微波通过种子源使多束微波锁相，并通过移相器控制微波相位同步，然后经过辐射天线后向目标辐射，在目标物体上实现功率合成。
2.根据权利要求1所述的微波功率合成方法，其特征在于：所述的脉冲功率源为直线变压器驱动型脉冲功率源。
3.根据权利要求1或2所述的微波功率合成方法，其特征在于：所述的电子束是这样产生的：直线变压器驱动型脉冲功率源由充电电源同时并分别通过多台变压器后给脉冲形成网络充电，多台激光器分别触发多台直线变压器驱动型脉冲功率源的主开关输出高压脉冲驱动多台相对论速调管放大器的二极管，在引导磁场的作用下二极管产生的电子束穿过器件。
4.根据权利要求3所述的微波功率合成方法，其特征在于：所述的变压器配置独立的充电电源，充电电源在控制系统的引导下能同时对多台变压器充电。
5.根据权利要求1所述的微波功率合成方法，其特征在于：所述的微波相位同步是这样实现的：种子源经过功分器后注入多台相对论速调管放大器的输入腔，除第一台相对论速调管放大器外，在其它输入腔上分别接上一个波导移相器，调节注入相对论速调管放大器的微波相位，使其与第一路微波同相位。
6.根据权利要求1所述的微波功率合成方法，其特征在于：所述的功率合成既可以工作在脉冲功率源单次运行状态，也可以工作在脉冲功率源重复频率运行状态。
7.根据权利要求3所述的微波功率合成方法，其特征在于：所述的引导磁场为恒流源引导磁场。
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