CN103954856B - 波导阵列天线高功率性能测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波导阵列天线高功率性能测试装置，包括微波源，环形器，真空室，真空规管，待测天线单元，波导弧光探测器，陶瓷窗，波导弯头，定向耦合器，阻抗失配器和水负载等。微波源输出大功率微波；环行器用于吸收反射波，保护微波源；真空室用于建立、维持、并改变待测天线单元所处环境的真空度；真空规管用于测量真空室内部的真空度；波导弧光探测器用于探测待测天线单元内部的打火；陶瓷窗实现真空室与微波传输线的气体密封和能量传输；波导弯头用于改变微波传播方向；定向耦合器通过对微波信号进行取样，测量入射和反射功率大小；阻抗失配器的作用是人为引入传输失配，制造所需比例的反射功率；水负载用于吸收近乎全部的入射功率。

Description

波导阵列天线高功率性能测试装置

技术领域

本发明涉及天线测量装置领域，具体为一种波导阵列天线高功率性能测试装置。

背景技术

低杂波驱动电流已经被实验证明为托卡马克型受控磁约束核聚变装置上最为有效的非感应驱动电流的方法，天线是低杂波系统中非常重要的分系统，其作用是将大功率微波能量以特定的辐射功率谱耦合到托卡马克等离子体中，用于加热等离子体和驱动等离子体电流。

国内外低杂波天线发展到现阶段，天线单元基本馈能结构，均是由其内置的，与波导宽边平行的若干金属板（E面结）将微波功率分配至若干子波导，由子波导阵列将微波能量辐射进托卡马克等离子体中，由于低杂波天线在实验中处于与托卡马克主真空室连通的真空环境中，通过大功率微波时，天线单元内壁吸附的大量气体分子会释放出来，影响天线单元内部真空度，而真空度降低会造成天线单元内部发生气体击穿、打火，此外，托卡马克实验过程中，由于等离子体不是匹配负载，从天线辐射出的微波能量不能完全被等离子体耦合吸收，会有部分微波能量从等离子体反射回天线，这部分反射回来的微波与天线内部的入射微波，在天线单元内部某些特定区域叠加，增大了天线内部打火的概率，而一旦发生上述两种原因引起的打火，反射功率瞬间就会大幅增大，甚至产生功率全反射，为了保护微波器件不受反射功率损伤，控制系统会将此路微波源暂时关闭，造成微波功率不能正常耦合进托卡马克等离子体，影响物理实验顺利进行。

以往对天线进行的都是低功率测量，即利用矢量网络分析仪和一些非标测量件与天线对接，获得天线低功率水平技术指标，诸如反射系数、传输系数、相位等，没有对天线进行真空环境下的高功率性能测试，由于天线的高功率性能直接影响到低杂波在托卡马克核聚变装置上作用的发挥，有必要对其进行完备准确的测量，获得天线最真实的高功率性能指标。

发明内容

本发明的目的是提供一种波导阵列天线高功率性能测试装置，以弥补现有技术的缺陷。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

波导阵列天线高功率性能测试装置，其特征在于：包括有供待测天线单元放置的真空室，真空室上安装有测量真空室内部真空度的真空规管，真空室一侧设置有微波源、环形器、第一陶瓷窗、第一波导弯头、第二波导弯头，所述微波源依次连接环形器、第一陶瓷窗、第一波导弯头的一端，第一波导弯头的另一端与第二波导弯头的一端连接，第二波导弯头另一端连接至真空室内待测天线单元的一端；真空室另一侧设置有水负载、阻抗失配器、定向耦合器、第二陶瓷窗、第三波导弯头、第四波导弯头，真空室内待测天线单元另一端与第三波导弯头一端连接，第三波导弯头另一端与第四波导弯头一端连接，第四波导弯头另一端依次连接第二陶瓷窗、定向耦合器、阻抗失配器、水负载；

所述微波源输出大功率微波功率，微波功率依次经过环形器、陶瓷窗，再被第一波导弯头、第二波导弯头改变传播方向后，进入真空室中待测天线单元的一端，微波功率沿待测天线单元传播至第三波导弯头，经第三波导弯头、第四波导弯头改变传播方向后，经过第二陶瓷窗传播至定向耦合器，由定向耦合器对微波功率进行取样，测量入射和反射功率大小，定向耦合器中微波功率传播至阻抗失配器，通过阻抗失配器人为引入传输失配，制造所需比例的反射功率，阻抗失配器中微波功率最后传播至水负载，以水负载作为终端匹配装置，吸收近乎全部的微波入射功率。

所述的波导阵列天线高功率性能测试装置，其特征在于：所述第二波导弯头、第三波导弯头上分别安装有波导弧光探测器。

本发明中，微波源输出大功率微波；环行器的作用是吸收反射波，保护微波源；真空室及其配套部件包括：真空室、泵、阀、管道等，用来建立、维持、并改变待测天线单元所处环境的真空度；真空规管用于快速、实时测量真空室内部的真空度；波导弧光探测器用于探测待测天线单元内部的打火；陶瓷窗实现真空室与微波传输线的气体密封，并保证微波能量顺利通过；波导弯头用于改变微波传播方向，并实现波导弧光探测器能够正对待测天线单元内部，实时准确的探测打火；定向耦合器通过对微波信号进行取样，测量入射和反射功率大小；阻抗失配器的作用是人为引入传输失配，模拟托卡马克实验中微波能量从等离子体反射回天线的情形，制造所需比例的反射功率（如：10%、20%等）；水负载作为终端匹配装置，用于吸收近乎全部的入射功率。

本发明的优点是：利用本发明对低杂波天线这一关键设备进行高功率测试，获得可靠、准确的实验数据，对其进行分析整理，准确评估真空室真空度，微波入射与反射功率，对天线单元通波能力的影响，获得实验条件下天线单元的高功率性能指标。

附图说明

图1为天线单元示意图。

图2为待测天线单元示意图。

图3为本发明结构示意图。

具体实施方式

天线单元在实验过程中会大量出气，为了尽快将子波导内的气体分子转移到外部真空环境中，一般在子波导两侧宽边的中心轴线上，布设一排圆形通气孔，如图1所示，图1中1为子波导，2为子波导隔板，3为通气孔。相邻通气孔之间的距离，通气孔的大小经计算确定，做到既要尽量减小流阻，使气体分子尽快排出天线单元，以维持天线单元内部的较高真空度，又不能影响高功率微波的正常传输。

此外，天线单元的输出端是数个子波导构成的阵列，为了能够准确测量天线单元在真空环境中的高功率性能，需要重新加工一个天线单元，作为待测天线单元，其馈能结构与真实天线单元有所不同，真实的天线单元是由子波导阵列将微波能量辐射进等离子体，待测天线单元是由E面结将微波功率分配至若干子波导，再通过E面结将若干子波导内传输的微波功率合成，以标准波导输出微波功率，以便与后续微波器件连接，最终将微波能量输送给水负载，如图2所示，图2中1为子波导，2为子波导隔板，4为输入端，5为输出端。待测天线单元的主要物理尺寸均与真实天线单元一致，如子波导宽边、窄边尺寸、子波导隔板厚度、相邻通气孔间距、通气孔半径等，以保证高功率性能测试的准确性。

如图3所示。本发明波导阵列天线高功率性能测试装置，包括有供待测天线单元11放置的真空室12，真空室12上安装有测量真空室12内部真空度的真空规管13，真空室12一侧设置有微波源6、环形器7、第一陶瓷窗81、第一波导弯头91、第二波导弯头92，微波源6通过微波传输线依次连接环形器7、第一陶瓷窗81、第一波导弯头91的一端，第一波导弯头91的另一端与第二波导弯头92一端连接，第二波导弯头92另一端连接至真空室12内待测天线单元11的一端；真空室12另一侧设置有水负载16、阻抗失配器15、定向耦合器14、第二陶瓷窗82、第三波导弯头93、第四波导弯头94，真空室内待测天线单元11另一端与第三波导弯头93一端连接，第三波导弯头93的另一端与第四波导弯头94的一端连接，第四波导弯头94另一端依次连接第二陶瓷窗82、定向耦合器14、阻抗失配器15、水负载16；

微波源6输出大功率微波功率，微波功率依次经过环形器7、陶瓷窗81，再被第一波导弯头91、第二波导弯头92改变传播方向后，进入真空室12中待测天线单元11的一端，微波功率沿待测天线单元11传播至第三波导弯头93，经第三波导弯头93、第四波导弯头94改变传播方向后，经过第二陶瓷窗82传播至定向耦合器14，由定向耦合器14对微波功率进行取样，测量入射和反射功率大小，定向耦合器14中微波功率传播至阻抗失配器15，通过阻抗失配器15人为引入传输失配，制造所需比例的反射功率，阻抗失配器15中微波功率最后传播至水负载16，以水负载16作为终端匹配装置，吸收近乎全部的微波入射功率。

第二波导弯头92、第三波导弯头93上分别安装有波导弧光探测器10。本发明中，微波传输系统依次连接有：微波源，环形器，陶瓷窗，2只波导弯头，待测天线单元，2只波导弯头，陶瓷窗，定向耦合器，阻抗失配器，水负载；待测天线单元位于真空室及其配套部件所建立并维持的真空环境中，波导弧光探测器装置安装在与待测天线单元连接的两只波导弯头上，真空规管测量端嵌入真空室内部，用来测量真空室真空度，并由与之配套的采集显示设备实时反映真空度的变化。

利用本发明对待测天线单元的测试步骤如下：

步骤1：首先不将阻抗失配器接入微波传输系统，即定向耦合器输出端直接连接水负载，利用真空室及其配套部件建立并维持待测天线单元处于高真空环境中。

步骤2：开启微波源，使其输出较低功率微波能量，随后缓慢增大微波源输出功率，测试在此真空度条件下，待测天线单元的通波能力，记录可能发生的打火，当微波源输出到达满功率并维持若干秒后，关断微波源。

步骤3：利用真空室及其配套部件调节待测天线单元所处环境真空度，逐步降低真空室真空度，每降低一次，重复步骤2，直至真空度降至所需测量的最低真空度。

步骤4：依次接入不同功率反射系数的阻抗失配器，如5％，10％，15％，20％反射比例，利用真空室及其配套部件建立并维持待测天线单元处于高真空环境中，重复步骤2，3。

按照上述测试步骤，获得实验数据，对其分析整理，即可检验不同真空室真空度，不同微波入射与反射功率条件下，天线单元的通波能力，获得真实托卡马克实验条件下天线单元的高功率性能指标。

Claims (2)

1.波导阵列天线高功率性能测试装置，其特征在于：包括有供待测天线单元放置的真空室，真空室上安装有测量真空室内部真空度的真空规管，真空室一侧设置有微波源、环形器、第一陶瓷窗、第一波导弯头、第二波导弯头，所述微波源依次连接环形器、第一陶瓷窗、第一波导弯头的一端，第一波导弯头的另一端与第二波导弯头的一端连接，第二波导弯头另一端连接至真空室内待测天线单元的一端；真空室另一侧设置有水负载、阻抗失配器、定向耦合器、第二陶瓷窗、第三波导弯头、第四波导弯头，真空室内待测天线单元另一端与第三波导弯头一端连接，第三波导弯头另一端与第四波导弯头一端连接，第四波导弯头另一端依次连接第二陶瓷窗、定向耦合器、阻抗失配器、水负载；

所述微波源输出大功率微波功率信号，微波功率信号依次经过环形器、陶瓷窗，再被第一波导弯头、第二波导弯头改变传播方向后，进入真空室中待测天线单元的一端，微波功率信号沿待测天线单元传播至第三波导弯头，经第三波导弯头、第四波导弯头改变传播方向后，经过第二陶瓷窗传播至定向耦合器，由定向耦合器对微波功率信号进行取样，测量入射和反射功率大小，定向耦合器中微波功率信号传播至阻抗失配器，通过阻抗失配器人为引入传输失配，制造所需比例的反射功率，阻抗失配器中微波功率最后传播至水负载，以水负载作为终端匹配装置，吸收近乎全部的微波入射功率。

2.根据权利要求1所述的波导阵列天线高功率性能测试装置，其特征在于：所述第二波导弯头、第三波导弯头上分别安装有波导弧光探测器。