CN107748307A - 一种高功率毫米波模式实时分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率毫米波模式实时分析系统，采用对称型设计思路，2个对称分布的三端口定向耦合器分别集成于第一反射镜和第二反射镜，第一反射镜安装在第一换向弯头，第二反射镜安装在第二换向弯头，第一反射镜与第一微波信号检测回路单元通过第一矩形波导连接，第二反射镜与第二微波信号检测回路单元通过第二矩形波导连接，模式分析单元用于根据接收第一微波信号检测回路单元和第二微波信号检测回路单元发出的主波纹波导中各处场强强度的电信号，得到主波纹波导中的模式信息。本发明提供的高功率毫米波模式实时分析系统研制难度低、可靠性高、通用性强。

Description

一种高功率毫米波模式实时分析系统

技术领域

本发明属于无线通信领域，更具体地，涉及一种高功率毫米波模式实时分析系统。

背景技术

高功率毫米波中除了所传输的主模式信号以外，通常还会存在一定比例的杂模信号。这些杂模信号一般转换为热能沉积于系统中，当杂模比例过高时过量的热能若无法被冷却系统及时带走，会引起部件的热变形或损坏。同时，在系统实际运行过程中，运行参数不合理或振动造成的传输线准直变差等会引起杂模比例的进一步提高，若无法实时对杂模变化进行监测并采取相应的保护措施，将会严重影响系统的安全运行和相关物理实验的开展。

目前已有的对于高功率毫米波模式信息进行实时分析的方法都基于传输系统换向弯头或反射镜处的微波耦合单元或测温单元，但该方法研究尚处于起步阶段，相关实施方案如下：

一种方案是利用位于微波换向弯头处的二维耦合孔阵列将毫瓦量级微波功率耦合到外围波导中，以得到全波信息；再利用每一种模式对应波导波长不同的原理，采用选模定向耦合器将微波的主模及杂模进行分别测量以得到波的模式信息。

另一种方案是通过位于微波换向弯头处的5端口定向耦合器，配合检波回路得到二维空间5个点的场分布信息；然后考虑传输系统中微波模式的正交集合，通过求解线性方程组可得到主模及杂模的比例。

以上所介绍的两种方案均基于小孔耦合的原理，这两种方案所采用的模式分析单元结构复杂，对器件加工工艺要求很高，研制难度较大。当复杂结构中任何一个环节出现问题，将会导致无法测量或测量结果不准确，不能很好的满足系统长时间运行过程中对器件可靠性的要求；同时，仅针对单一频率设计使得其通用性受限。

还有一种方案是利用珀尔帖设备的制冷效应，将微波在换向弯头处损耗引起的热沉积转换为电压信号，通过二维阵列可以得到弯头不同位置处的热沉积分布，进而得到微波在弯头处的功率分布；然后利用这两组二维珀尔帖设备阵列得到的微波功率分布数据，通过非线性优化的方法得到微波模式信息。但该方案是对微波在换向弯头反射镜处的热沉积分布进行测量，需要考虑热扩散及换热系数等问题，导致分析模型较为复杂；且该方案仅处于设计阶段，其准确性和可靠性还有待进一步验证。

由此可见，现有对高功率毫米波模式进行实时分析的技术中存在设计方案复杂、研制难度大、可靠性低、仅针对单一频率设计而导致的通用性差的技术问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高功率毫米波模式实时分析系统，由此解决现有对高功率毫米波模式进行实时分析的技术中存在设计方案复杂、研制难度大、可靠性低、仅针对单一频率设计而导致的通用性差的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种高功率毫米波模式实时分析系统，包括：耦合单元、第一换向弯头、第一反射镜、第二换向弯头、第二反射镜、第一微波信号检测回路单元、第二微波信号检测回路单元、模式分析单元、第一矩形波导和第二矩形波导，

所述耦合单元包括2个对称分布的三端口定向耦合器，分别集成于第一反射镜和第二反射镜，第一反射镜安装在第一换向弯头，第二反射镜安装在第二换向弯头，第一反射镜与第一微波信号检测回路单元通过第一矩形波导连接，第二反射镜与第二微波信号检测回路单元通过第二矩形波导连接，模式分析单元用于根据接收第一微波信号检测回路单元和第二微波信号检测回路单元发出的主波纹波导中各处场强强度的电信号，得到主波纹波导中的模式信息。

进一步的，2个对称分布的三端口定向耦合器均有一个耦合孔列位于反射面正中心，另外两个耦合孔列则分别位于反射面正中心处的水平方向和垂直方向。

进一步的，第一微波信号检测回路单元和第二微波信号检测回路单元均包括3个微波信号检测回路，耦合单元中的每个耦合孔列对应一个微波信号检测回路，微波信号检测回路包括依次连接的过渡波导、隔离器、衰减器、喇叭天线和检波器。

进一步的，过渡波导用于将三端口定向耦合器耦合的微波信号传输到微波信号检测回路；隔离器用于信号隔离以保护微波信号检测回路中的微波器件；衰减器用于幅值补偿，使得6个微波信号检测回路的特性参数一致，保证分析结果的准确性；喇叭天线和检波器用于将微波信号转换为电信号。

进一步的，微波信号检测回路使用校准回路调节衰减器的参数，使得每个微波信号检测回路的衰减一致。

进一步的，三端口定向耦合器的耦合孔径采用切比雪夫函数分布得到。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明的高功率毫米波模式实时分析系统中耦合单元采用了对称分布的两个三端口定向耦合器，结构更简单，研制难度低，能满足高功率毫米波系统对模式分析单元提出的可靠性高的要求。此外由于设计耦合器的过程中选取了合适的分布函数来设计耦合孔径，定向耦合器的工作带宽得到了保证，可以灵活运用于对一定频率范围内的高功率毫米波的模式信息进行分析，通用性强。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种高功率毫米波模式实时分析系统的整体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的两个三端口定向耦合器示意图；

图3为本发明实施例提供的定向耦合器配备的微波信号检测回路示意图；

图4为本发明实施例提供的对电子回旋波实时模式分析系统使用低功率测试平台进行标定的示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1为主波纹波导的微波输入端口，2为第一换向弯头，3为第一反射镜，4为波纹波导中间传输环节，5为第二换向弯头，6为第二反射镜，7为主波纹波导的微波输出端口，8为第一微波信号检测回路单元，9为第二微波信号检测回路单元，10为第一隔离端匹配负载，11为第二隔离端匹配负载，12为模式分析单元，13为测试波源，14为模式转换环节，15为波纹波导，16为匹配负载，17为第一矩形波导，18为第二矩形波导。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，一种高功率毫米波模式实时分析系统，包括：耦合单元、微波输入端口1、第一换向弯头2、第一反射镜3、第二换向弯头5、第二反射镜6、第一微波信号检测回路单元8、第二微波信号检测回路单元9、第一隔离端匹配负载10、第二隔离端匹配负载11、模式分析单元12、第一矩形波导17和第二矩形波导18，

所述耦合单元包括2个对称分布的三端口定向耦合器，分别集成于第一反射镜3和第二反射镜6，第一反射镜3安装在第一换向弯头(2)，第二反射镜6安装在第二换向弯头5，第一反射镜3与第一微波信号检测回路单元8通过第一矩形波导17连接，第二反射镜6与第二微波信号检测回路单元9通过第二矩形波导18连接，模式分析单元12用于根据接收第一微波信号检测回路单元8和第二微波信号检测回路单元9发出的主波纹波导中各处场强强度的电信号，得到主波纹波导中的模式信息。

从微波输入端口1射入波纹波导15中的高功率长脉冲微波束通过各耦合孔列的耦合变成低功率微波信号后进入反射镜后连接的第一微波信号检测回路单元8与第二微波信号检测回路单元9，依次经由其中的过渡波导、隔离器、衰减器、喇叭天线和检波器后转换为能反映对应主波纹波导中各处场强强度的电信号，然后送入模式分析单元12对电信号进行处理，过程中需要综合考虑两个换向弯头反射镜之间的波纹波导中间传输环节4的微波传输特性以及传输系统的正交模式集，通过对信号的线性叠加可计算得到主波纹波导中的模式信息。此外为了防止定向耦合器隔离端漏出的微波产生损害，在两个定向耦合器的隔离段均配备了第一隔离端匹配负载10与第二隔离端匹配负载11，用以吸收微波。

如图2所示，两个于本系统中使用的三端口定向耦合器呈现出镜像对称的特征，即两者除了其中一列耦合孔排布位置不同以外，其他尺寸数据完全相同。这两个耦合器上的各自三排耦合孔列彼此完全相同，由于采用等间距不等强度设计方案，各耦合孔列以中间的小孔为对称中心，表现出越往两端孔径越小的趋势，且每个耦合孔中心之间的间距均相同。这两个耦合器上均有一排耦合孔列位于器件平面的几何中心，另外两排耦合孔列均与其平行分布，但分别保持水平方向和垂直方向上的距离R₁和R₂。图上标注的A、B、C、D和n₁、n₂用于配合图1来展示这两个耦合器安装在系统中时的空间关系，方便确定如何进行安装。

对于共计6个微波检测回路，考虑到其中各器件之间的差异，均需要对它们进行校准。如图3所示，在每个微波检测回路输入端配置标准波源，而为了保证校准精度，在每个回路的输出端配置高精度台式万用表接收从检波器输出的电压信号；同时每路回路校准前均会采用功率计对波源输出功率进行标定，以补偿检测回路校准中由波源输出功率差异造成的偏差。通过调节衰减器参数使每个回路整体衰减一致来完成校准，并在实际使用时套用该衰减器参数。

如图4所示的标定系统用于在该实时模式分析系统投入正式使用前对其进行整体标定，在微波输入端口1前接上从频率范围为90～110GHz的波源13出射并通过模式转换(TE₁₀模-TE₁₁模-HE₁₁模)环节14后耦合到波纹波导15中的微波；波纹波导15采用导波场论设计，可高效传输HE₁₁模；模式实时分析单元分别置于两个换向弯头中；为防止微波泄漏，在测试平台末端配备匹配负载16以吸收微波功率。平台搭建完成后，开展模式实时分析单元的低功率实验研究，将模式分析结果与基于相位重建的模式分析结果进行比较，在此基础上完成模式实时分析单元的整体标定。

此外，本发明不仅仅局限于波导系统，对于准光系统，把两个三端口定向耦合器直接集成于反射镜中即可，配合其他单元同样可以实现对一定频率范围内的高功率毫米波的模式进行实时分析。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种高功率毫米波模式实时分析系统，其特征在于，包括：耦合单元、第一换向弯头(2)、第一反射镜(3)、第二换向弯头(5)、第二反射镜(6)、第一微波信号检测回路单元(8)、第二微波信号检测回路单元(9)、模式分析单元(12)、第一矩形波导(17)和第二矩形波导(18)，

所述耦合单元包括2个对称分布的三端口定向耦合器，分别集成于第一反射镜(3)和第二反射镜(6)，第一反射镜(3)安装在第一换向弯头(2)，第二反射镜(6)安装在第二换向弯头(5)，第一反射镜(3)与第一微波信号检测回路单元(8)通过第一矩形波导(17)连接，第二反射镜(6)与第二微波信号检测回路单元(9)通过第二矩形波导(18)连接，模式分析单元(12)用于根据接收第一微波信号检测回路单元(8)和第二微波信号检测回路单元(9)发出的主波纹波导中各处场强强度的电信号，得到主波纹波导中的模式信息。

2.如权利要求1所述的一种高功率毫米波模式实时分析系统，其特征在于，所述2个对称分布的三端口定向耦合器均有一个耦合孔列位于反射面正中心，另外两个耦合孔列则分别位于反射面正中心处的水平方向和垂直方向。

3.如权利要求1或2所述的一种高功率毫米波模式实时分析系统，其特征在于，所述第一微波信号检测回路单元(8)和第二微波信号检测回路单元(9)均包括3个微波信号检测回路，耦合单元中的每个耦合孔列对应一个微波信号检测回路，微波信号检测回路包括依次连接的过渡波导、隔离器、衰减器、喇叭天线和检波器。

4.如权利要求3所述的一种高功率毫米波模式实时分析系统，其特征在于，所述过渡波导用于将三端口定向耦合器耦合的微波信号传输到微波信号检测回路；隔离器用于信号隔离以保护微波信号检测回路中的微波器件；衰减器用于幅值补偿，使得6个微波信号检测回路的特性参数一致，保证分析结果的准确性；喇叭天线和检波器用于将微波信号转换为电信号。

5.如权利要求3所述的一种高功率毫米波模式实时分析系统，其特征在于，所述微波信号检测回路使用校准回路调节衰减器的参数，使得每个微波信号检测回路的衰减一致。

6.如权利要求1或2所述的一种高功率毫米波模式实时分析系统，其特征在于，所述三端口定向耦合器的耦合孔径采用切比雪夫函数分布得到。