CN103515677A

CN103515677A - 高功率微波移相器

Info

Publication number: CN103515677A
Application number: CN201310446475.9A
Authority: CN
Inventors: 常超; 陈昌华; 黄文华; 郭乐田; 张治强; 熊正峰; 李佳伟; 李爽; 朱梦
Original assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Current assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Priority date: 2013-09-26
Filing date: 2013-09-26
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2033-09-26
Also published as: CN103515677B

Abstract

本发明涉及通信器件技术领域，具体涉及一种高功率微波移相器。该高功率微波移相器包括：矩形波导、位于所述矩形波导一个E面的圆波导以及位于所述矩形波导其他面的模转变及圆极化单元；所述圆波导内设置有可沿所述圆波导轴线方向运动的短路活塞；所述模转变及圆极化单元用于将TE10模微波转变为极化正交、具有相同幅度且相位差为90度的两个TE11模微波输入所述圆波导。由于本发明实施例所提供的高功率微波移相器无需借助铁氧体材料即可实现移相，因此可以减小移相器的尺寸、降低移相器的损耗；同时，由于该高功率微波移相器可以全部为金属材质，因此可以实现高功率容量。

Description

高功率微波移相器

技术领域

本发明涉及通信器件技术领域，具体涉及一种高功率微波移相器。

背景技术

高功率微波（High-Power Microwave，缩写为HPM）一般是指频率在300MHz到300GHz、峰值功率大于100MW或平均功率大于1MW的强电磁辐射。高功率微波的主要应用包括：通过电子回旋共振机制对受控热核等离子体加热；用于高功率短脉冲雷达，实现较宽频带下精确分辨被探测和跟踪的目标；为地球和太空之间传输能量，为宇宙飞船发射到太空轨道或者轨道之间变换提供能量；用于高能粒子射频加速器，进行高能物理、核物理科学研究以及用于HPM定向能量武器等领域。

微波移相器是微波、毫米波技术领域中一种常见的器件，在雷达系统、通信系统、电子对抗系统等多个领域具有广泛的应用，微波移相器性能的优劣会对系统性能产生重要影响。常规低功率容量的波导式移相器包括压缩波导式移相器以及加载介质旋转式移相器等；压缩波导式移相器是通过在波导E面中线开纵向窄缝，从而可以压缩波导的E面尺寸；而加载介质旋转式移相器是通过波导内加入不同长度的介质，通过介质调节微波的不同移相常数而实现移相。在高功率微波研究领域，由于其具有强电磁场的特点，现有技术中的高功率微波移相器是采用钇铁石榴石（YIG）等铁氧体材料，通过改变外加磁场或电场的幅度，改变铁氧体材料的传播常数，从而实现相位的调节。

然而，由于铁氧体材料在强电磁场作用下很容易发生击穿，因此现有技术中高功率微波移相器的功率容量非常有限，实验中测得基于钇铁石榴石的高功率移相器的击穿阈值在2.2MV/m左右，功率容量在兆瓦以下；而且钇铁石榴石（YIG）等铁氧体材料不可避免地会造成功率损耗，因此可能会影响移相器的工作效率；同时，由于铁氧体材料尺寸较大，因此，此类移相器通常整体体积庞大；此外，由于材料所限，现有技术中的高功率微波移相器通常工作在低频（如1GHz左右），而在高频例如X波段，则很难实现或者制造高功率微波移相器。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种紧凑型的高功率微波移相器，用于解决现有技术中高功率微波移相器尺寸大、功率容量低等问题。

（二）技术方案

本发明技术方案如下：

一种高功率微波移相器，包括：

矩形波导、位于所述矩形波导一个E面的圆波导以及位于所述矩形波导其他面的模转变及圆极化单元；

所述圆波导内设置有可沿所述圆波导轴线方向运动的短路活塞；

所述模转变及圆极化单元用于将TE10模微波转变为极化正交、具有相同幅度且相位差为90度的两个TE11模微波输入所述圆波导。

优选的，所述矩形波导由相对设置的第一E面和第二E面以及相对设置的第一H面和第二H面组成；所述圆波导位于所述第一E面；

所述模转变及圆极化单元包括：

位于所述第二E面的短路圆波导段、位于所述第一H面的短路矩形波导段以及位于所述第二H面的短路圆柱波导段。

优选的，所述矩形波导和圆波导为临界过模波导。

优选的，所述矩形波导输入端口和输出端口之间的隔离度大于30dB，所述输入端口的反射系数小于-30dB。

优选的，所述矩形波导内设置有分别位于所述第一H面两端的匹配金属片；所述圆波导内设置位于所述短路活塞与矩形波导之间的匹配金属环。

优选的，所述短路活塞为扼流式短路活塞。

优选的，所述扼流式短路活塞包括同轴且依次设置的第一圆柱、第二圆柱以及第三圆柱；所述第一圆柱与第三圆柱半径相同且比所述第二圆柱半径大四分之一导波波长的奇数倍；所述第一圆柱、第二圆柱以及第三圆柱高度相同且均为四分之一导波波长的奇数倍。

优选的，所述矩形波导、圆波导、短路圆波导段、短路矩形波导段、短路圆柱波导段匹配金属片以及匹配金属环均为金属材质。

优选的，还包括与所述短路活塞连接的驱动机构，所述驱动机构用于驱动所述短路活塞沿所述圆波导轴线方向运动。

优选的，所述驱动结构为高速数字电控伺服电机。

（三）有益效果

本发明实施例所提供的高功率微波移相器，通过在矩形波导的一个E面上设置圆波导，在矩形波导其他面设置模转变及圆极化单元，并且在圆波导内设置可运动的短路活塞，通过模转变及圆极化单元将TE10模微波转变为极化正交、具有相同幅度且相位差为90度的两个TE11模微波输入圆波导，通过短路活塞的移动，实现不同的相位移动。由于本发明实施例所提供的高功率微波移相器无需借助铁氧体材料即可实现移相，因此可以减小移相器的尺寸、降低移相器的损耗；同时，由于该高功率微波移相器可以全部为金属材质，因此可以实现高功率容量。

附图说明

图1是本发明实施例中一种高功率微波移相器的结构示意图；

图2是图1中高功率微波移相器沿Y-Z平面的剖面图；

图3是图1中高功率微波移相器未加短路活塞时的结构示意图；

图4是图3中高功率微波移相器沿Y-Z平面的剖面图；

图5是图3中高功率微波移相器沿X-Z平面的剖面图；

图6是图3中高功率微波移相器沿X-Y平面的剖视图；

图7是图1中高功率微波移相器中矩形导波输入端口反射系数的频率响应。

图中：1：矩形波导；11：输入端口；12：输出端口；2：圆波导；3：短路活塞；4：短路圆波导段；5：短路矩形波导段；6：短路圆柱波导段；7：匹配金属片；8：匹配金属环。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例中所提供的高功率微波移相器主要包括：矩形波导、位于矩形波导一个E面的圆波导以及位于矩形波导其他面的模转变及圆极化单元；圆波导内设置有可沿圆波导轴线方向运动的短路活塞；模转变及圆极化单元用于将TE10模微波转变为极化正交、具有相同幅度且相位差为90度的两个TE11模微波输入圆波导，驱动位于圆波导中的短路活塞运动，从而可以实现不同的相位移动。下面结合图1-图6对本实施例中的高功率微波移相器加以详细的说明。

上述矩形波导包括相对设置的一对E面（电场面）即第一E面和第二E面，以及相对设置的一对H面（磁场面）即第一H面和第二H面组成，矩形波导的主模为TE10模；如图1-图6中所示，圆波导2与矩形波导1的第一E面耦合，圆波导2内设置有可沿圆波导2轴线方向运动的短路活塞3；本实施例中示例性的提供了一种上述模转变及圆极化单元的具体结构；即模转变及圆极化单元包括：位于矩形波导1第二E面的短路圆波导段4、位于矩形波导1第一H面的短路矩形波导段5以及位于矩形波导1第二H面的短路圆柱波导段6。通过短路圆波导段4、短路矩形波导段5以及短路圆柱波导段6的调节作用，保证输入圆波导2内的是两个极化正交、具有相同幅度且相位差为90度的TE11模微波。

当TE10模微波通过矩形波导1的输入端口11进入矩形波导1后，为了使微波全部进入圆波导2，需要保证矩形波导1的输入端口11和输出端口12之间高度离度，且输入端口11的几乎没有反射；本实施例中，矩形波导1的输入端口11和输出端口12之间的隔离度大于30dB，输入端口11的反射系数小于-30dB。进一步的，本实施例中提供了一种能够实现上述参数要求的结构，即在矩形波导1内设置分别位于第一H面两端的匹配金属片7，在圆波导2内设置位于短路活塞3与矩形波导1之间的匹配金属环8；利用匹配金属环8和匹配金属片7起到辅助降低微波反射系数、提高端口之间的隔离度、匹配微波传输的作用，从而实现两个矩形波导1端口之间高隔离度大于30dB，并且输入端口11的反射系数小于-30dB。

由于在发明的高功率微波移相器中，矩形波导1、圆波导2、短路圆波导段4、短路矩形波导段5、短路圆柱波导段6匹配金属片7以及匹配金属环8可以全部设置为金属材质，即整个高功率微波移相器内部只有金属材料，这些结构不会带来显著的电场增强，同时，不存在在强电磁场作用下容易发生击穿的问题，因此能够实现高功率容量，而且相比与现有技术中的高功率微波移相器，可以工作在更高频率；此外，由于不存在铁氧体材料造成的损耗，因此可以避免影响移相器的工作效率。

进一步的，本实施例中，上述矩形波导1和圆波导2为临界过模波导，临界过模波导是非标准尺寸的波导，刚好截止高阶模式，只有基波传播，因此采用大尺寸的临界过模波导可以进一步提高功率容量。

上述短路活塞3可以为接触式短路活塞或者扼流式短路活塞。由于接触式短路活塞与圆波导2直接接触，短路活塞3的频繁移动很容易使圆波导2内壁磨损，甚至在磨损处可能会引起打火现象；而扼流式短路活塞由于和圆波导2无机械接触，因而移动活塞时不会磨损金属内壁，因此本实施例中优选使用扼流式短路活塞；该扼流式短路活塞可以有多种实现结构；例如，本实施例中的扼流式短路活塞包括同轴设置的第一圆柱、第二圆柱以及第三圆柱，第二圆柱位于第一圆柱和第三圆柱之间；第一圆柱与第三圆柱的半径相同且比圆波导2的半径略小，从而保证与圆波导2不接触；第一圆柱与第三圆柱半径比第二圆柱半径大四分之一导波波长的奇数倍；第一圆柱、第二圆柱以及第三圆柱高度相同且均为四分之一导波波长的奇数倍；虽然短路活塞3比圆波导2的半径略小，但是没有微波能够通过短路活塞3与圆波导2之间的缝隙，因此微波会被全部反射回来。

进一步的，本实施例中的高功率微波移相器还包括与短路活塞3连接的驱动机构，驱动机构用于驱动短路活塞3沿圆波导2轴线方向运动；驱动结构可以为设置在圆波导2外部的高速数字电控伺服电机或者步进电机等等；例如，可以通过高速电控伺服电机控制短路活塞3的运动，精确、快速地调节输出至矩形波导1的输出端口12的微波相位；例如，当短路活塞3移动二分之一倍导波波长的距离时，将能够实现360度的相位移动。

本实施例还提供示例性的提供了一种述高功率微波移相器的具体实现结构参数：

例如，以X波段中心频率9.3GHz为例，采用图1所示的坐标系进行说明，矩形波导1沿X-Z平面的横截面尺寸为29.2mm×14.95mm；短路矩形波导段5的长度为22.3mm、宽度为15.7mm、与矩形波导1的倒角半径为2mm；短路圆柱波导段6的半径为8.3mm、圆心（X，Y）=（18.78mm，0）、与矩形波导1的倒角半径为2mm；短路圆波导段4的长度为29.1mm、半径为11mm、圆心（X，Y）=（1.17mm，0）、与矩形波导1的倒角半径为3mm；圆波导2的半径为11.7mm、圆心（X，Y）=（0.97mm，0）；匹配金属片7的宽度为2.48mm、长度为6.86mm；匹配金属环8与矩形波导1第一E面上表面的距离为5.05mm，匹配金属环8的高度为2.88mm、环外半径为11.7mm、内半径为9.03mm；短路活塞3的第一圆柱以及第三圆柱的半径为11mm、高度为8mm，第二圆柱的半径为3mm、高度为8mm。

在9.3GHz为中心频率，注入1W功率时，高功率微波移相器内部表面最大电场幅度Em0=4.2kV/m，在功率400MW下，内部表面最大电场幅度Em=84MV/m；且矩形波段1的输入端口11的反射系数<-30dB；图7是矩形波段1的输入端口11反射系数的频率响应。

上述高功率微波移相器的工作原理是：当TE10模微波通过矩形波导1的输入端口11进入矩形波导1后，由于矩形波导1的输入端口11与输出端口12之间高度隔离，且输入端口11没有反射，微波全部进入位于第一E面的圆波导2，模式为两个极化正交的TE11模微波，两个TE11模微波间具有90度的相位差，因此为特定圆极化方向的微波；以圆波导2内左旋圆极化波为例，通过短路活塞3的反射，圆极化波的旋转方向将反转，左旋圆极化波在变成右旋圆极化波后，全部到达矩形波导1的输出端口12。通过外部高速伺服电机精确控制短路活塞3的运动，调节短路活塞3所处的位置，从而精确调节矩形波导1的输出端口12的输出相位，实现高速移相；该高功率微波移相器具有紧凑、高速、百兆瓦级的微波功率容量等优点，可以用于医用加速器、高功率微波传输和发射系统等技术领域，具有很高的实用价值。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。

Claims

1.一种高功率微波移相器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的高功率微波移相器，其特征在于，所述矩形波导由相对设置的第一E面和第二E面以及相对设置的第一H面和第二H面组成；所述圆波导位于所述第一E面；

所述模转变及圆极化单元包括：

3.根据权利要求2所述的高功率微波移相器，其特征在于，所述矩形波导和圆波导为临界过模波导。

4.根据权利要求2或3所述的高功率微波移相器，其特征在于，所述矩形波导输入端口和输出端口之间的隔离度大于30dB，所述输入端口的反射系数小于-30dB。

5.根据权利要求4所述的高功率微波移相器，其特征在于，所述矩形波导内设置有分别位于所述第一H面两端的匹配金属片；所述圆波导内设置位于所述短路活塞与矩形波导之间的匹配金属环。

6.根据权利要求5所述的高功率微波移相器，其特征在于，所述矩形波导、圆波导、短路圆波导段、短路矩形波导段、短路圆柱波导段匹配金属片以及匹配金属环均为金属材质。

7.根据权利要求1-3或5-6任意一项所述的高功率微波移相器，其特征在于，所述短路活塞为扼流式短路活塞。

8.根据权利要求7所述的高功率微波移相器，其特征在于，所述扼流式短路活塞包括同轴且依次设置的第一圆柱、第二圆柱以及第三圆柱；所述第一圆柱与第三圆柱半径相同且比所述第二圆柱半径大四分之一导波波长的奇数倍；所述第一圆柱、第二圆柱以及第三圆柱高度相同且均为四分之一导波波长的奇数倍。

9.根据权利要求7所述的高功率微波移相器，其特征在于，还包括与所述短路活塞连接的驱动机构，所述驱动机构用于驱动所述短路活塞沿所述圆波导轴线方向运动。

10.根据权利要求9所述的高功率微波移相器，其特征在于，所述驱动结构为高速数字电控伺服电机。