CN105277816A - 一种高功率微波耦合测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高功率微波耦合测量装置包括：法兰、主波导、耦合波导、电探针、绝缘支撑结构、同轴外导体以及射频同轴连接器；电探针、同轴外导体与绝缘支撑结构组成同轴结构的波导，通过绝缘支撑结构将电探针紧固于同轴外导体内；其中，主波导通过法兰直接与高功率微波源微波输出通路或者高功率微波接收天线相连；耦合波导，与主波导和同轴外导体连接，用于对主波导中的高功率微波信号进行少量耦合取样，并进一步馈入到由电探针和同轴外导体共同组成的同轴结构中；射频同轴连接器分别与同轴外导体和外部同轴电缆连接。采用本发明的技术方案，提高测量装置的功率容量和可靠性。

Description

一种高功率微波耦合测量装置
技术领域
本发明属于高功率微波测量技术领域，涉及一种高功率微波耦合测量装置。
背景技术
建立高功率微波耦合测量装置，对高功率微波产生技术具有重要意义。近年来，随着高功率微波技术的不断发展，高功率微波源产生的微波功率进一步提高，脉冲宽度进一步拓宽。由于传统高功率微波耦合测量装置在功率容量上存在一定局限，因此很难直接将其推广到更高能量高功率微波脉冲的诊断，在此情形下，发展更高功率容量的高功率微波测量装置显得十分迫切和必要。
现有技术1：一种同轴电探针测高功率微波的装置，微波学报，1997，13：83-87。如图1所示，包括法兰1、主波导2、电探针4、绝缘支撑结构5、同轴外导体6以及射频同轴连接器7。其中法兰1用于实现与微波源输出口或者微波接收天线的对接；主波导2为耦合器主线，用于传输高功率微波信号；电探针4用于对主波导2中的高功率微波信号进行耦合取样，并进一步馈入到由电探针4和同轴外导体6共同组成的同轴结构中；绝缘支撑结构(5)用于支撑电探针4；射频同轴连接器7用于与外部射频电缆相连。
工作时，主波导2通过法兰1直接连入高功率微波源微波输出通路中，产生于微波源的高功率微波信号传输到主波导2内，在继续向后传输的过程中，部分微波能量被电探针4耦合进入由电探针4和同轴外导体6组成的同轴结构内，并通过射频同轴连接器7进入同轴射频电缆传输，在经过后续进一步的衰减检波环节后，最终由同轴电缆输送至屏蔽室的示波器内。
该结构存在的主要问题为：电探针与主波导内壁平齐，主波导中传输的高功率微波会在电探针尖端引起局部场增强，导致射频击穿，因此该测量系统功率容量十分有限。
现有技术2：一种具有较高功率容量的高功率微波耦合测量装置，第12届高功率粒子束学术交流会，海拉尔，2010：112-116。如图2所示，包括法兰1、主波导2、耦合孔8、矩形波导9、隔离臂10、隔离窗11、匹配负载12、耦合臂13、波导衰减器14以及矩形波导端口15。主波导2两端经法兰1连接于微波源微波输出通路中，作为高功率微波信号传输的主线；耦合孔8用于对主线上的高功率微波信号进行少量取样，并耦合到矩形波导9内；取样微波信号向隔离臂10端传输的部分由匹配负载12吸收，而向耦合臂13端传输的部分经波导衰减器14衰减后由矩形波导端口15向外输出；隔离窗11用于对测量系统进行真空密封。由于使用了小孔耦合技术，该高功率微波耦合测量装置相对传统测量装置功率容量有所提高。
工作时，主波导2始端与高功率微波源输出端口经法兰1相互连接，产生于微波源的高功率微波信号传输到主波导2内，在继续向后传输的过程中，少量微波能量由耦合孔8耦合至矩形波导9内，并经耦合臂13进一步向前传输，经过波导衰减器14的进一步衰减后，微波信号最终由矩形波导端口15向外输出。在此过程中，与主波导2末端通过法兰1连接的高功率微波辐射系统可能反射少量微波，该部分微波场也会由耦合孔8耦合到矩形波导9内并进一步向隔离臂10端传输，最终被匹配负载12无反射地吸收。
该结构存在的主要问题为：测量装置的耦合孔数目和孔间距需要仔细设计和加工，加工误差可能会降低耦合器性能，很难实现较低的耦合度，使耦合到矩形波导中的微波场在向外输出之前，需要经过波导衰减的进一步衰减，同时还需要波同转换器进一步转化，这些中间环节增加了测量系统的不确定度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种高功率微波耦合测量装置，提高测量装置的功率容量和可靠性。
为解决上述问题，本发明提供一种高功率微波耦合测量装置，采用如下技术方案，包括：法兰、主波导、电探针、绝缘支撑结构、以及射频同轴连接器，主波导通过法兰直接与高功率微波源微波输出通路或者高功率微波接收天线相连，还包括；耦合波导和同轴外导体，其中，电探针、同轴外导体与绝缘支撑结构组成同轴结构的波导，通过绝缘支撑结构将电探针紧固于同轴外导体内；所述耦合波导为一段截止微波的空心波导，耦合波导与主波导和同轴外导体连接；所述电探针为一段长度可控的金属细杆，其位于在耦合波导内；射频同轴连接器分别与同轴外导体和外部同轴电缆连接。
一种高功率微波耦合测量装置，电探针到主波导内壁距离h与耦合测量装置的耦合度A关系如下：
f为微波频率，d为耦合波导内径，A为耦合测量装置耦合度。
本发明高功率微波耦合测量装置与已有技术相比，具有以下特点：
一、通过耦合波导可以减少耦合到其内部电探针处的射频场能量，因此有利于降低电探针尖端发生射频击穿的风险，提高测量装置的功率容量。
二、将耦合波导中微波馈入到同轴结构波导的电探针为一段长度可控的金属细杆，其金属细杆位于耦合波导内深度且与主波导内壁距离均大于零，调节电探针在耦合波导中的长度，可以线性改变耦合测量装置的耦合度，容易实现较低的耦合度，较低的耦合度可以使得微波信号在向外输出之前不需要衰减环节，同时采用射频同轴连接器使得微波信号在向外输出之前无需经过波同转换器，由于中间环节减少，系统测量不确定度降低。
附图说明
图1为现有技术1的一种同轴电探针高功率微波测量装置；
图2为现有技术2的一种高功率微波耦合测量装置；
图3本发明的高功率微波耦合测量装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的高功率微波耦合测量装置做详细描述。
如图3所示，本发明提供一种高功率微波耦合测量装置，其用于高功率微波脉冲信号的测量，包括：法兰1、主波导2、耦合波导3、电探针4、绝缘支撑结构5、同轴外导体6以及射频同轴连接器7；电探针4、同轴外导体6与绝缘支撑结构5组成同轴结构的波导，通过绝缘支撑结构5将电探针4紧固于同轴外导体6内。
其中，所述主波导2为圆波导或者矩形波导，用于传输高功率微波脉冲信号，通过法兰1与微波源输出通路或者微波接收天线对接。
所述耦合波导3，其为圆柱形波导，与主波导2和同轴外导体6连接，用于对主波导2中的高功率微波信号进行少量耦合取样，并进一步馈入到由电探针4和同轴外导体6共同组成的同轴结构中，耦合波导3为一段截止微波的空心波导，用于对主波导2中传输的微波信号进行截止，从而减少耦合进入到电探针4处的微波能量，有利于防止强场击穿；为防止主波导2与耦合波导3连接处的耦合孔发生射频击穿，对耦合孔进行了倒角处理。
所述电探针4为一段长度可控的金属细杆，其位于耦合波导3内，通过调节电探针4在耦合波导3中的长度，可以线性改变耦合测量装置的耦合度，电探针4到主波导2内壁距离h与耦合测量装置的耦合度A关系如下：
f为微波频率，d为耦合波导内径，A为耦合测量装置耦合厦。
射频同轴连接器7为标准连接接头，分别与同轴外导体6和外部同轴电缆连接。
工作时，主波导2通过法兰1与高功率微波源微波输出通路或者高功率微波接收天线相连，进入主波导2内的高功率微波信号在向后传输的过程中，由于耦合波导3的截止作用，有极少量的微波能量被耦合到达电探针4处，在转化为同轴射频信号以后，在由电探针4和同轴外导体6组成的同轴结构内传输，通过射频同轴连接器7传输至外部同轴电缆，最终送至屏蔽室的示波器内。
本发明的高功率微波耦合测量装置实施例一，主要用于高功率微波脉冲信号的在线测量，其工作于X波段，主波导为圆波导，各主要结构参数如下：D＝49.5mm，d＝6.1mm，s＝1.3mm，p＝4.1mm，h＝5.0mm，r＝0.5mm，其中，D为圆波导的内径，d为耦合波导的内径，s为电探针直径，p为同轴外导体内径，h为电探针到主波导内壁的距离，r为主波导与耦合波导连接处的耦合孔边缘倒角。
微波频率在9.0GHz～10.0GHz的带宽内，具有该组结构参数的高功率微波耦合测量装置耦合度A在-71.7dB～70.4dB之间线性变化。在3.0GW功率水平下，耦合孔处最大射频场强349kV/cm，电探针尖端最大射频场强31kV/cm，远低于真空击穿阈值1MV/cm。
本发明的高功率微波耦合测量装置实施例二，主要用于高功率微波脉冲信号的辐射场测量，其工作于X波段，主波导为矩形波导，各主要结构参数如下：a＝22.86mm，b＝10.16mm，d＝4.1mm，s＝1.3mm，p＝2.0mm，h＝2.5mm，r＝0.5mm，其中，a、b为矩形波导的宽和高，d为耦合波导的内径，s为电探针直径，p为同轴外导体内径，h为电探针到主波导内壁的距离，r为主波导与耦合波导连接处的耦合孔边缘倒角。微波频率在9.0GHz～10.0GHz的带宽内，具有该组结构参数的高功率微波耦合测量装置耦合度A在-54.9dB～54.2dB之间线性变化。当主波导接收到的微波功率为500kW时，耦合孔处最大射频场强27kV/cm，电探针尖端最大射频场强7.2kV/cm，均低于大气击穿阈值30kV/cm。
说明书中描述的只是该发明的具体实施方式。虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域内熟练的技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改。

Claims (2)

1.一种高功率微波耦合测量装置，包括法兰(1)、主波导(2)、电探针(4)、绝缘支撑结构(5)、同轴外导体(6)以及射频同轴连接器(7)，其中，主波导(2)通过法兰(1)直接与高功率微波源微波输出通路或者高功率微波接收天线相连；电探针(4)、同轴外导体(6)与绝缘支撑结构(5)组成同轴结构的波导，通过绝缘支撑结构(5)将电探针(4)紧固于同轴外导体(6)内，射频同轴连接器(7)分别与同轴外导体(6)和外部同轴电缆连接；其特征在于，还包括：耦合波导(3)；所述耦合波导(3)为一段截止微波的空心波导，耦合波导(3)与主波导(2)和同轴外导体(6)连接；所述电探针(4)为一段长度可控的金属细杆，其位于在耦合波导(3)内。
2.如权利要求1所述的一种高功率微波耦合测量装置，其特征在于，电探针(4)到主波导(2)内壁距离h与耦合测量装置的耦合度A关系如下：
f为微波频率，d为耦合波导内径，A为耦合测量装置耦合度。
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