CN105552506A - 毫米波段兆瓦级微波参数测量的小孔耦合定向耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于等离子体加热领域，涉及一种毫米波段微波参数测量的定向耦合器。它包括平面反射镜，平面反射镜正面加工耦合孔序列，耦合孔所在平面的正面是主波导，背面是副波导放置槽，放置副波导，副波导放置槽的两侧安装有冷却水管，密封盘置于平面反射镜上，密封盘内部加工副波导延长段，并设有吸收负载端口与微波探测设备安装口。其优点是，在同一平面镜上设计两套耦合机构，能够同时获得多种实时微波参数，包括微波功率、极化参数和脉宽，并可以根据实时微波波形监测回旋管是否有抖动、回旋管微波震荡模式和腔体温度是否正常；通过对小孔间距、直径尺寸和排列方式进行优化，来避免不必要的衍射和抑制高次谐波，防止高功率条件下发生打火现象。

Description

毫米波段兆瓦级微波参数测量的小孔耦合定向耦合器
技术领域
本发明属于等离子体加热领域，具体涉及一种用于电子回旋共振加热系统兆瓦级毫米波段微波参数测量的定向耦合器。
背景技术
电子回旋共振加热(ECRH)是磁约束聚变研究中一种重要的加热手段。ECRH系统是由回旋管(高功率微波源)、波纹波导、极化器、换向波导和天线等器件组成。ECRH系统单模功率在0.5MW–1MW，频率35GHz–170GHz。在托卡马克实验中，需要根据实验需求调整微波功率、脉宽以及极化方式等微波参数，而对以上参数实时准确测量，是有关实验进行数据分析处理的依据，也是监视整个系统运行状态的需要。
从功率测量角度讲，大功率微波功率的实时测量，目前最好的方法是应用定向耦合器，而小孔耦合最为常用。小孔耦合原理为：在主波导(波纹波导传输线)中传输的微波功率经过小孔耦合元件，将一小部分功率耦合到副波导中去，由于波的干涉和叠加，使功率仅沿副波导中的一个方向传输，由检波器检波，并输出测量结果，而在另一方向几乎没有(或极少)功率传输；从极化参数测量角度讲，由电磁场理论可知，任何极化波都可以分解成两个取向正交的线极化波之和，两极化波的相位差和振幅比就决定了合成微波的极化状态，同时也反映了功率信息。本发明基于小孔耦合理论，设计双耦合机构定向耦合器，可以同时接收微波的两个正交线极化分量，实时测量微波功率、极化和脉宽参数，用于等离子体实验分析及ECRH系统运行状态监测。
发明内容
本发明的目的是提供一种微波参数测量装置。针对电子回旋共振加热系统工作特点，以及微波参数测量的需要，设计一种基于小孔耦合原理的定向耦合器，用于微波功率、极化方向和脉宽参数的实时测量。
本发明是这样实现的，毫米波段兆瓦级微波参数测量的小孔耦合定向耦合器，它包括平面反射镜，平面反射镜正面加工耦合孔序列，耦合孔所在平面的正面是主波导，背面是副波导放置槽，放置副波导，副波导放置槽的两侧安装有冷却水管，密封盘置于平面反射镜上，密封盘内部加工副波导延长段，并设有吸收负载端口与微波探测设备安装口。
所述的耦合孔序列，双排耦合孔，每一排小孔呈直线排列，中间的孔径最大，其他小孔以其为对称中心直径依次减小。
它包括两个矩形副波导，分别为E面弯波导和H面弯波导，用来传输互相垂直的两个微波极化分量。
所述的密封盘与平面反射镜之间放置聚酯薄膜以及加装密封结构解决真空密封问题。
本发明的优点是，在同一平面镜上设计两套耦合机构，即采用双排孔设计，能够同时获得多种实时微波参数，包括微波功率、极化参数和脉宽，并可以根据实时微波波形监测回旋管是否有抖动、回旋管微波震荡模式和腔体温度是否正常；通过对小孔间距、直径尺寸和排列方式进行优化，来避免不必要的衍射和抑制高次谐波，防止高功率条件下发生打火现象。
附图说明
图1为定向耦合器与微波传播方向关系示意图；
图2为本发明所提供的毫米波段兆瓦级微波参数测量的小孔耦合定向耦合器结构示意图；
图3为毫米波段兆瓦级微波参数测量的小孔耦合定向耦合器平面反射镜上的耦合孔排列方式示意图。
图中，1主波导，2定向耦合器，3微波入射方向，4平面反射镜，5耦合孔序列，6副波导放置槽，7副波导，8密封盘，9微波检测设备安装端口，10吸收负载安装端口，11冷却水管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细介绍：
ECRH系统中，主波导1采用过模波纹波导，传输HE11模微波，微波经极化器和若干换向波导传输到天线发射系统。本定向耦合器2安装在换向波导上，如图1所示，与入射波3传播方向成45°角。
毫米波段兆瓦级微波参数测量的小孔耦合定向耦合器结构如图2所示，它包括平面反射镜4，平面反射镜4的正面加工有耦合孔序列5，耦合孔所在平面的正面是主波导1，背面是副波导放置槽6，放置副波导7，副波导放置槽6的两侧安装有冷却水管11，密封盘8置于平面反射镜4上，密封盘8与平面反射镜4之间放置聚酯薄膜以及加装密封结构解决真空密封问题。密封盘8内部加工副波导延长段，并具有安装吸收负载端口10与微波探测设备安装口9。
在平面镜4正面上(朝向主波导1与微波相接触的平面)加工耦合孔序列5，由于需要分别测量两个正交的极化分量，采用双排孔结构。图3为耦合孔排列方式示意图，耦合孔序列位于平面反射镜的几何中心。但此图仅反映两排小孔之间以及与平面镜的相对位置，真实的小孔数量需要根据微波频率等参数计算，方法为：根据耦合度和方向性的需要，计算小孔数量、间距、小孔半径和耦合孔壁厚度，小孔数量越多、孔壁越薄则耦合度越高。本发明中，两排耦合孔的各参数相同，每排小孔采用等间距排列，小孔间距需要小于半波长，以避免不必要的衍射；小孔直径中间最大，其他小孔以其为中心对称直径逐渐减小，这种设计有助于提高定向耦合器的性能，如增强频率选择性和抑制高次谐波等。
耦合孔所在平面的正面是主波导1，背面是副波导放置槽6，用于放置副波导7。采用双副波导，即E面弯波导和H面弯波导，每排孔耦合出的微波分别沿各自副波导传输。根据矩形波导电磁波传输特点，如图2所示，选取两矩形副波导相对位置，两副波导长边相互垂直，并分别平行于平面反射镜的长边与短边，用以传输互相垂直的两个微波极化分量。
定向耦合器冷却水管11安装位置如图1所示，定向耦合器共有两条水管，分别位于副波导两侧，沿副波导长边方向贯穿整个耦合器，用于冷却耦合机构。对于主波导中功率为MW量级的微波，耦合到副波导中的微波一般为mW量级，所以副波导中的微波能量较小，但考虑到ECRH运行时间与频率，对定向耦合器采取冷却措施有助于保证系统安全运行。
为防止传输系统打火及高效率传输，在功率较大的ECRH系统中，常采用真空传输线，定向耦合器需真空密封。图2所示，在密封盘8与耦合机构间放置聚酯薄膜，既能透射微波又能阻断副波导与外界的连通，同时在平面镜4与密封盘8间加装密封结构。密封盘内部加工副波导延长段，其输出端为安装吸收负载端口10与微波探测设备安装口9。吸收负载内装有一定倾斜角度的石墨，用以吸收反向微波，防止其干扰正向微波，而微波输出端口则用于正向微波参数测量。副波导延长段并非都为标准尺寸矩形波导，实际的计算中，为获得合适的耦合度和方向性，副波导尺寸有时会选取非标准尺寸矩形波导，这时副波导延长段设计为非标准到标准波导的过渡段，方便与外部标准测量设备连接。
定向耦合器的每个部件之间都通过多个内嵌式螺钉紧密连接，同时，为确保各部件不发生移位，部件之间通过安装定位销的方法进行固定。
正式使用前，需要分别开展低功率测量和高功率标定实验，获得极化方向、功率与微波接收信号的关系曲线后应用于ECRH加热实验中。

Claims (4)

1.毫米波段兆瓦级微波参数测量的小孔耦合定向耦合器，其特征在于：它包括平面反射镜(4)，平面反射镜(4)正面加工耦合孔序列(5)，耦合孔所在平面的正面是主波导(1)，背面是副波导放置槽(6)，放置副波导(7)，副波导放置槽(6)的两侧安装有冷却水管(11)，密封盘(8)置于平面反射镜(4)上，密封盘(8)内部加工副波导延长段，并设有吸收负载端口(10)与微波探测设备安装口(9)。
2.如权利要求1所述的毫米波段兆瓦级微波参数测量的小孔耦合定向耦合器，其特征在于：所述的耦合孔序列(5)，双排耦合孔，每一排小孔呈直线排列，中间的孔径最大，其他小孔以其为对称中心直径依次减小。
3.如权利要求1所述的毫米波段兆瓦级微波参数测量的小孔耦合定向耦合器，其特征在于：它包括两个矩形副波导，分别为E面弯波导和H面弯波导，用来传输互相垂直的两个微波极化分量。
4.如权利要求1所述的毫米波段兆瓦级微波参数测量的小孔耦合定向耦合器，其特征在于：所述的密封盘(8)与平面反射镜(4)之间放置聚酯薄膜以及加装密封结构解决真空密封问题。
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