CN104183894A - 一种截止式微波功率衰减器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高功率微波功率侧梁精度高，能够减小在衰减量标定环节引入的不确定度的截止式微波功率衰减器。其包括电连接器，截止波导组件和电极；所述的截止波导组件包括若干通过不同长度对应不同衰减量的截止波导；所述的电连接器分别配合连接在不同截止波导的两端，电连接器芯线位于截止波导的一侧分别连接用于发射和接收电磁波的激励电极。其能够通过若干不同长度对应不同衰减量的截止波导，作为功率衰减原件的截止波导能够针对不同衰减要求对长度进行对应选择，解决了传统衰减器制造重复性较差问题，截止波导作为线性器件在衰减过程中不会引起波型畸变，波型保真性能优异，适用于强电磁环境条件下高功率微波功率精确测量。

Description

一种截止式微波功率衰减器

技术领域

本发明涉及微波辐射场功率测量技术领域，具体为一种截止式微波功率衰减器。

背景技术

随着高功率微波技术在高能粒子加速器、等离子加热、高功率雷达等领域的应用，人们对高功率微波的测量技术提出了越来越高的要求。然而，高功率微波通常具有峰值功率高、脉宽较短、单脉冲或者脉冲串、其测量环境存在强电磁干扰甚至射线干扰等特点，给功率的准确测量造成困难。

现有的高功率微波测量手段是将高功率首先衰减到中功率或低功率后进行直接测量。这种高功率微波测量装置通常由微波定向耦合器(例如波导型定向耦合器)或衰减器和微波功率检波器组成。

测量装置中使用的传统微波功率衰减器主要为吸收型衰减器，其衰减量主要取决于衰减器内部的微波吸收材料，这种衰减器存在如下问题：第一，由于制作工艺限制不同批次间吸收材料的一致性较差，基于吸收材料制作的衰减器可重复性并不理想。第二，在强电磁辐射和射线环境下传统微波功率衰减器的吸收材料还易老化引起衰减量变化，造成微波功率测量误差。第三，在高功率微波测量装置中使用的是大衰减量衰减器，使用前须对衰减器的衰减量进行标定，通常使用矢量网络分析仪进行大衰减量标定过程中引入的标定不确定度较大，测量系统精度也因此受到限制。现有技术当中，矢量网络分析仪对小衰减量标定较准确，但是当衰减量大于40dB时其不确定度显著上升，在实际应用中大衰减量衰减器标定依旧是个难题，从而制约了微波辐射场功率测量系统的准确性。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种高功率微波功率侧梁精度高，能够减小在衰减量标定环节引入的不确定度的截止式微波功率衰减器。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种截止式微波功率衰减器，包括电连接器，截止波导组件和电极；所述的截止波导组件包括若干通过不同长度对应不同衰减量的截止波导；所述的电连接器分别配合连接在不同截止波导的两端，电连接器芯线位于截止波导的一侧分别连接用于发射和接收电磁波的激励电极。

优选的，电连接器包括法兰盘，标准N型接头和密封连接在标准N型接头内的聚四氟乙烯环；标准N型接头设置在法兰盘上，电连接器芯线沿轴向固定贯穿设置在聚四氟乙烯环上。

进一步，截止波导两端分别设置有与法兰盘配合的法兰连接盘。

优选的，激励电极包括磁激励电极，磁激励电极一端与电连接器芯线连接，另一端通过弹性电接触装置与法兰连接盘电接触。

进一步，用于发射和接收电磁波的磁激励电极共面设置，磁激励电极与电连接器围城的多边形面的法线方向与磁力线平行。

再进一步，截止波导内部平行与其横截面设置有栅格状的模式过滤器，模式过滤器由平行设置在同一平面的金属栅格组成，金属栅格呈水平布置。

优选的，激励电极包括电激励电极，电激励电极一端与电连接器芯线连接，另一端呈自由端设置，用于发射和接收电磁波的电激励电极共轴设置。

进一步，电连接器芯线在连接截止波导的一侧延伸出一段长度，激励电极通过螺纹配合与电连接器芯线的延伸段连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明中所述的衰减器的衰减量主要由截止波导物理结构决定，从而能够通过若干不同长度对应不同衰减量的截止波导，作为功率衰减原件的截止波导能够针对不同衰减要求对长度进行对应选择，解决了传统衰减器制造重复性较差问题，截止波导作为线性器件在衰减过程中不会引起波型畸变，波型保真性能优异，适用于强电磁环境条件下高功率微波功率精确测量。

进一步的，通过法兰盘和标准N型接头的设置，能够提高本发明的连接通用性和快捷性，提高了适用范围以及使用效率；并且能够方便快捷的通过与法兰连接盘的配合，保证了电连接器与各个截止波导的通配性和稳定可靠连接。

进一步的，本发明设计了不同模式激励结构组件和不同长度的截止波导组件，能够根据电磁仿真结果确定最佳的激励电极尺寸，从而能够根据需求选择相应衰减模式及衰减量，并且利用螺纹配合进行连接，灵活性高，通用性强。

进一步的，通过增加的模式过滤器能使得工作波形正常通过而对非工作波形则有很大的反射和衰减作用，确保了截止波导内的波型纯净。

附图说明

图1是本发明实例中所述结构的衰减量变化曲线。

图2是本发明采用磁激励电极时的组成结构主视图。

图3是图2的侧视图。

图4是本发明中电连接器与磁激励电极连接方式示意图。

图5是本发明采用电激励电极时的组成结构主视图。

图6是图5的侧视图。

图7是本发明中电连接器与电激励电极连接方式示意图。

图8是本发明采用磁激励电极并设置模式过滤器时的组成结构主视图。

图9是图8的侧视图。

图10是图8中模式过滤器的结构示意图。

图中：标准N型接头1，聚四氟乙烯环2，法兰盘3，法兰连接盘4，电连接器芯线5，磁激励电极6，截止波导7，弹性电接触装置8，电激励电极9，模式过滤器10。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明一种截止式微波功率衰减器，如图2和图5所示，其包括电连接器，截止波导组件和电极；截止波导组件包括若干通过不同长度对应不同衰减量的截止波导7；电连接器分别配合连接在不同截止波导7的两端，电连接器芯线5位于截止波导7的一侧分别连接用于发射和接收电磁波的激励电极。其中，电连接器包括法兰盘3，标准N型接头1和密封连接在标准N型接头1内的聚四氟乙烯环2；标准N型接头1设置在法兰盘3上，电连接器芯线5沿轴向固定贯穿设置在聚四氟乙烯环2上。截止波导7两端分别设置有与法兰盘3配合的法兰连接盘4。不同的截止波导7能够通过统一的法兰连接盘4实现对相同的电连接器中法兰盘3的配合，能够重复进行使用。

如图2、图3和图4所示，激励电极采用磁激励电极6，磁激励电极6一端与电连接器芯线5连接，另一端通过弹性电接触装置8与法兰连接盘4电接触。用于发射和接收电磁波的磁激励电极6共面设置，磁激励电极6与电连接器围城的多边形面的法线方向与磁力线平行。所围城的多边形面如图2所示，其中，磁激励电极6与电连接器芯线5通过螺纹进行连接。

如图8和图9所示，截止波导7内部平行与其横截面设置有栅格状的模式过滤器10，如图10所示，模式过滤器10由平行设置在同一平面的金属栅格组成，金属栅格呈水平设置，即需要使金属栅格的方向与工作模式的电场方向垂直。格栅的数量较多时对非工作模式的衰减更多，同时对工作模式也会有一定衰减，能够根据实际情况调节数量，本优选实施例以5个栅格为例进行说明。从而能使得工作波形正常通过而对非工作波形则有很大的反射和衰减作用，确保了截止波导内的波型纯净。

如图5、图6和图7所示，激励电极采用电激励电极9，电激励电极9一端与电连接器芯线5连接，另一端呈自由端设置，用于发射和接收电磁波的电激励电极9共轴设置。本优选实施例中，电激励电极9为圆柱状，；电连接器芯线5在连接截止波导7的一侧延伸出一段长度，激励电极通过螺纹配合与电连接器芯线5的延伸段连接。

本发明所述微波功率衰减器工作原理为：电磁波经电连接器输入，以高频电连接器为例进行说明，当选择磁激励电极6时在截止波导7中激励起圆波导主模TE₁₁模，当选择电激励电极9时在截止波导7中激励起圆波导中最低圆周对称模式TM₀₁模，而后均经截止波导7衰减后输出。衰减器衰减曲线见图1所示，衰减量与电极间距离呈线性变化(衰减量大于20dB后)，线性衰减段斜率能通过如下相关的电磁理论计算得到，因此本发明衰减量可以表示为基础衰减量与线性衰减量之和，通过这种设计解决了常规大衰减量衰减器标定引入的不确定度较大问题。

电磁波在截止波导内，其电场强度随距离呈指数衰减。当截止波导7输入端的激励电极激励起单一振荡模式电磁波时，电磁波的电场强度E_l沿波导呈指数衰减：

E_l＝E₀e^-αl

式中：

E₀——输入端某参考面的场强；

α——衰减常数，单位为dB/m；

l——接受电极到选取参考面的距离，单位为m。

当接受电极从l₁移到l₂时，衰减增量A为：

A＝20lg(E_l1/E_l2)

当αΔl＜＜1dB时，

A≈8.686αΔl

式中，衰减量A的单位为dB。

理想条件下，当截止波导的σ＝∞，衰减常数α为：

$\mathrm{\α}=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_c}\sqrt{1-{\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_c}{\mathrm{\λ}}\right)}^2}$

式中：

λ_c——波导的截止波长，由截止波导半径及电磁波的工作模式决定；

λ——工作波长。

起始段会有非线性衰减，可以从图1的衰减曲线中看出来，这是因为在截止波导内激励起工作模式同时也会激励起少量非工作模式，而非工作模式的衰减常数较工作模式大，在传输一定距离后非工作模式基本消失，因此可以定义基础衰减量20dB(这个也是可以根据实际情况定义一般至少是15dB，如果对线性衰减要求较高可以适当提高)，20dB以后截止波导内仅有工作模式衰减量与截止波导长度也就呈线性关系，同时在磁激励结构中设计了模式过滤器来过滤非工作模式，来确保衰减器线性工作。由于激光测长等技术的应用，长度测量的精确度很高，因此，截止式衰减器可以达到很高的准确度。从原理上还能看出该衰减器衰减量不受限制，在实现大衰减量上也较传统衰减器有很大优势，同时其衰减量可通过截止波导的长度、半径等参数计算得到，避免了传统衰减器在经矢量网络分析仪标定过程中引入标定不确定度。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种截止式微波功率衰减器，其特征在于，包括电连接器，截止波导组件和电极；所述的截止波导组件包括若干通过不同长度对应不同衰减量的截止波导(7)；所述的电连接器分别配合连接在不同截止波导(7)的两端，电连接器芯线(5)位于截止波导(7)的一侧分别连接用于发射和接收电磁波的激励电极。

2.根据权利要求1所述的一种截止式微波功率衰减器，其特征在于，所述的电连接器包括法兰盘(3)，标准N型接头(1)和密封连接在标准N型接头(1)内的聚四氟乙烯环(2)；标准N型接头(1)设置在法兰盘(3)上，电连接器芯线(5)沿轴向固定贯穿设置在聚四氟乙烯环(2)上。

3.根据权利要求2所述的一种截止式微波功率衰减器，其特征在于，所述的截止波导(7)两端分别设置有与法兰盘(3)配合的法兰连接盘(4)。

4.根据权利要求1所述的一种截止式微波功率衰减器，其特征在于，所述的激励电极包括磁激励电极(6)，磁激励电极(6)一端与电连接器芯线(5)连接，另一端通过弹性电接触装置(8)与法兰连接盘(4)电接触。

5.根据权利要求4所述的一种截止式微波功率衰减器，其特征在于，用于发射和接收电磁波的磁激励电极(6)共面设置，磁激励电极(6)与电连接器围城的多边形面的法线方向与磁力线平行。

6.根据权利要求5所述的一种截止式微波功率衰减器，其特征在于，截止波导(7)内部平行与其横截面设置有栅格状的模式过滤器(10)，模式过滤器(10)由平行设置在同一平面的金属栅格组成，金属栅格呈水平布置。

7.根据权利要求1所述的一种截止式微波功率衰减器，其特征在于，所述的激励电极包括电激励电极(9)，电激励电极(9)一端与电连接器芯线(5)连接，另一端呈自由端设置，用于发射和接收电磁波的电激励电极(9)共轴设置。

8.根据权利要求4或7所述的一种截止式微波功率衰减器，其特征在于，电连接器芯线(5)在连接截止波导(7)的一侧延伸出一段长度，激励电极通过螺纹配合与电连接器芯线(5)的延伸段连接。