CN107039738B - 一种用于波束方向和功率监测的毫米波耦合装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于波束方向和功率监测的毫米波耦合装置，属于核聚变等离子体高功率毫米波加热技术。该装置包括耦合器本体和两个相互垂直的波纹波导；耦合器本体的一侧面为用于反射毫米波的金属椭圆反射镜面，内部设置有两个魔T，每个魔T的2、3端口分别连通一段长度相同的矩形波导；矩形波导的另一端分别设置有一列耦合通孔，且耦合通孔连通金属椭圆反射镜面与矩形波导宽边。本发明结合多孔耦合特性、干涉仪原理，在测量波纹波导中毫米波传输功率的同时也可以判断毫米波入射方向的偏移以及偏移的角度。同时还具有宽带宽、方向性高、结构紧凑等优点。

Description

一种用于波束方向和功率监测的毫米波耦合装置
技术领域
本发明属于核聚变等离子体高功率毫米波加热技术。具体涉及一种多孔阵列耦合技术的波导耦合结构。
背景技术
在磁约束受控聚变研究中，电子回旋共振加热(ECRH)因具有加热局域性强、波与等离子体耦合效率髙以及天线可远离等离子体等特点，被广泛的用于等离子体加热、电流驱动、磁流体动力学不稳定性抑制等方面。因此，ECRH系统既是重要的加热手段，又是理想的控制手段，在国际热核聚变实验堆(ITER)和我国正在建设的EAST装置等大型可控核聚变装置中都受到了广泛应用。
ECRH系统是利用回旋管产生的高功率毫米波对等离子体进行加热，具有很高的可靠性、较高的加热效率、很好的加热局域性和可控制性。系统主要由波源系统(回旋管、高压电源等)、传输系统(波纹波导、斜角弯头等)、天线系统、系统总控等组成。其中传输系统长度约百米，为了保证功率容量、减小传输损耗，通常利用波纹波导中的HE11模式进行毫米波传输。由于传输距离长、系统又由多个器件组成，因而容易发生波束的偏移，但等离子体加热对注入的毫米波有着严格的要求，因此对传输系统中HE11模式的功率、波束方向、极化方向、模式纯度等进行测量十分重要。
波导耦合法是测量高功率毫米波功率的一种常用方法，因为这种测量方法不仅操作简单、测量精度高，而且对测量环境的要求较低。其基本原理是将高功率毫米波传输系统中的传输功率通过耦合孔耦合出一小部分，再利用功率测量仪器测出耦合出的功率；最后根据耦合度C计算出系统的传输功率。
传统的耦合器件(如波导定向耦合器)通常是直接在波导壁上设计耦合孔，然而波纹波导的内壁是波纹槽，直接开孔将会破坏波纹结构，造成电打火，同时，HE11模式的电场、磁场都集中在波导中间，理论情况下不会耦合出信号到副波导中，因此需要在斜角弯头等器件上设计耦合结构。理论情况下HE11模式在波纹波导的轴线上以45度斜入射到斜角弯头反射镜面的中心，然而传输过程中HE11模式可能偏移轴线，增大传输损耗、降低模式纯度，所以需要在斜角弯头反射镜面处设计一种可以测量HE11模式传输功率以及入射角度并判断角度偏差大小的耦合装置。
赵青等人在专利“一种用于高功率测量的毫米波小孔耦合器”(申请号：201310156678.4，申请日期：2013.04.28，申请公布号：CN 103280619A)中介绍了一种单/双孔的毫米波耦合器结构。这种耦合器结构简单、易于加工，但带宽窄，方向性差，功能单一，不能测量波纹波导斜角弯头中毫米波的入射方向。
发明内容
在背景技术的基础上，本发明提出了一种用于波束方向和功率监测的毫米波耦合装置，在测量传输功率的同时也可以测量毫米波波束的入射方向，还具有宽带宽、方向性高、结构紧凑等优点。
本发明采取的技术方案是：一种用于波束方向和功率监测的毫米波耦合装置，包括耦合器本体和两个相互垂直的波纹波导。耦合器本体的一侧面为用于反射毫米波的金属椭圆反射镜面，内部设置有两个魔T，每个魔T的2、3端口分别连通一段长度相同的矩形波导；所述矩形波导的另一端分别设置有一列耦合通孔，且耦合通孔连通金属椭圆反射镜面与矩形波导宽边。
所述四列耦合通孔平行于椭圆反射镜面的长轴，且连通一个魔T的两列耦合通孔关于椭圆反射镜面的轴对称。
进一步地，所述耦合器本体材料为铜或者铜合金。
进一步地，所述的四列耦合通孔的通孔数量相同，相邻两通孔之间距离相同，且每列耦合通孔左右对称设置。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种用于测量波纹波导中HE11模式波束方向和传输功率的毫米波耦合装置，结合多孔耦合特性、干涉仪原理，在测量波纹波导中毫米波传输功率的同时也可以判断毫米波入射方向的偏移以及偏移的角度。设计结果表明：该装置在中心频率140GHz时，魔T输出端口的耦合度为-70dB，在125GHz～152GHz频率范围内，耦合度大于-73dB，带宽大于27GHz，相对带宽为19.29％。当入射角度为45度，在左右方向无角度偏差时，两个魔T的4端口均无输出信号，端口1输出信号为-70dB，并且端口4的输出信号随偏差角度的变化明显(当偏差0.1度时，端口4的输出信号为-114.6dB，当偏差0.2度时，端口4的输出信号为-102.6dB，偏差角度相差0.1度，输出信号变化大于10dB)，方便监测入射方向。
与现有的波纹波导耦合装置相比，本发明提供的装置具有以下优点：相对带宽从2.86％增加为19.29％，得到大大提升；利用干涉仪原理，集成了波束方向监测结构，在测量传输功率的同时可以监测波束入射方向的偏移，并求出偏移角度；整个装置集成在铜圆柱体内，结构简单、紧凑。
附图说明
图1为引用专利的功率测量耦合器的结构图；
图2为本实施例的用于方向和功率监测的毫米波耦合装置的整体结构示意图；
图3为本实施例耦合本体结构示意图；
图4为本实施例魔T的结构示意图；
图5为本实施例耦合器本体沿长轴的剖视图；
图6为本实施例耦合器本体的俯视图；
图7为本实施例的毫米波耦合装置中魔T5(1)端口1与端口4处的输出信号强度随入射角度的变化关系；
图8为本实施例的毫米波耦合装置中魔T5(2)端口1与端口4处的输出信号强度随左右偏移角度的变化关系；
图9为本实施例的毫米波耦合装置中魔T5(2)端口1处的输出信号随频率的变化关系。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
参考图2、图3，本实施例包括波纹波导1、耦合器本体2。波纹波导1由两个与反射镜呈45度且相互垂直的内壁为波纹槽的圆波导组成，两个波纹波导的公共部分与耦合器本体2具有金属椭圆反射镜面的一侧面相接，且金属椭圆反射镜的短轴位于两个波纹波导相互垂直的接触面上。
耦合器本体一侧面为用于反射毫米波的金属椭圆反射镜面，其内部长轴处设置有两个魔T5，每个魔T的2、3端口分别连通一段长度相同的矩形波导4；所述矩形波导的另一端分别设置有一列耦合通孔3，且耦合通孔连通金属椭圆反射镜面与矩形波导宽边；其中魔T5(2)以及与魔T5(2)连通的矩形波导总长度为105mm；魔T5(1)以及与魔T5(1)连通的矩形波导总长度为56mm。同时四列耦合通孔平行于椭圆反射镜面的长轴，且连通一个魔T的两列耦合通孔关于椭圆反射镜面的轴对称。其中上下两列关于椭圆镜面的长轴对称，左右两列关于椭圆镜面的短轴对称。每列耦合孔都为9个，相邻两通孔间距为2.19mm，其中中间孔最大，半径为0.257mm，通孔从两端到中间的半径依次为：0.252mm、0.237mm、0.243mm、0.201mm，耦合通孔的深度为0.5mm。所述的四个矩形波导为标准WR-7型的标准矩形波导，尺寸为1.651mm×0.8255mm。其中图4为魔T的结构图，四个端口尺寸均为1.651mm×0.8255mm。图5为本发明耦合器本体沿长轴的剖视图。
图6为本发明耦合器本体的俯视图。图中反射镜短轴长度为63.5mm，长轴为上下两列孔阵列的中心孔到反射镜中心的距离N＝30mm；左右两列孔阵列的中心孔到反射镜中心的距离为L＝50mm。
本发明的工作原理：
该毫米波定向耦合器基于小孔耦合原理，通过耦合通孔将波纹波导中的HE11模式耦合到矩形波导中，产生TE10模式后再通过相同的距离传输到魔T的端口2、端口3。为了提高耦合信号强度，采用等间距的9孔耦合阵列进行耦合，并采用切比雪夫分布提高带宽。由魔T的互易原理，当魔T5(1)的端口4无信号输出，端口1有信号输出时，说明端口2与端口3的输入信号同相，即说明波纹波导中的HE11模式入射到反射镜面时，入射角度为45度；当魔T5(2)的端口4无信号输出，端口1有信号输出时，说明端口2与端口3的输入信号同相，即说明波纹波导中的HE11模式入射到反射镜面时，在左右方向上没有偏差。当魔T5(1)与魔T5(2)均为端口4无信号输出，端口1有信号输出时，说明波纹波导中的HE11模式入射到反射镜面时，是以45度角入射在反射镜面的中心上。通过监测魔T5(1)、T5(2)的端口4与端口1就可以判断波纹波导中HE11模式的入射波是否以45度角斜入射到反射镜面的中心；通过测量魔T5(1)与魔T5(2)的端口1的输出信号就可以得出传输线上波纹波导中HE11模式的输出信号大小。
以下结合仿真计算对本发明的技术效果作进一步描述：
图6为本发明提供的毫米波耦合装置魔T5(1)端口1与端口4处输出信号强度随入射角度的变化关系。由图可以看出，45度角入射时魔T5(1)端口1处输出信号为-70dB，端口4无输出信号。随着入射角度的偏差，端口1信号减小，端口4信号增大，通过监测端口1与端口4的输出信号，可以判断波纹波导中HE11模式的入射方向与反射镜面的夹角是否为45度。
图7为本发明提供的毫米波耦合装置魔T5(2)端口1与端口4处输出信号强度随左右入射角度偏差的变化关系。同图6所示，通过监测端口1与端口4的输出信号，可以判断波纹波导中HE11模式的入射方向与反射镜面的夹角在左右方向上是否有偏差。
图8为本发明提供的毫米波耦合装置魔T5(1)端口1处输出信号强度随频率的变化关系。由图可以看出，中心频率140GHz时，输出信号为-70dB，在125GHz～152GHz频率范围内，端口1输出信号均在-70dB-3dB范围内，带宽达到27GHz，相对带宽为19.29％。
本发明提供的用于方向和功率监测的耦合装置与现有的用于高功率测量的耦合器相比，采用了四种耦合孔阵列与两个魔T结构，增加了耦合信号强度，利用干涉仪原理提高了方向监测的灵敏度，可以在测量功率的同时对波束的入射方向也进行监测，兼具了体积紧凑、结构简单、功能多样的优点，值得在业内推广。

Claims (3)

1.一种用于波束方向和功率监测的毫米波耦合装置，包括耦合器本体和两个相互垂直的波纹波导，其特征在于：所述耦合器本体一侧面为用于反射毫米波的金属椭圆反射镜面，其内部设置有两个魔T，每个魔T的2、3端口分别连通一段长度相同的矩形波导；所述矩形波导的另一端分别设置有一列连通金属椭圆反射镜面与矩形波导宽边、且平行于椭圆反射镜面长轴的耦合通孔，连通一个魔T的两列耦合小孔关于椭圆反射镜面的轴对称；其中上下两列耦合小孔关于椭圆反射镜面的长轴对称且关于椭圆反射镜面的中心对称，左右两列耦合小孔关于椭圆反射镜面的短轴对称，且关于椭圆反射镜面的中心对称；
所述两个相互垂直的波纹波导与反射镜呈45度设置且其内壁为波纹槽，两个波纹波导的公共部分与耦合器本体具有金属椭圆反射镜面的一侧面相接，且金属椭圆反射镜的短轴位于两个波纹波导相互垂直的接触面上。
2.如权利要求1所述的一种用于波束方向和功率监测的毫米波耦合装置，其特征在于：所述耦合器本体材料为铜或者铜合金。
3.如权利要求1所述的一种用于波束方向和功率监测的毫米波耦合装置，其特征在于：四列所述耦合通孔的通孔数量相同，相邻两通孔之间距离相同，且每列耦合通孔左右对称设置。
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