CN108808201B - 一种用于过模导波系统的选模定向耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于过模导波系统的选模定向耦合器，属于高功率微波传输系统领域。该选模定向耦合器包括圆波导、设置于圆波导外侧的两个矩形波导、以及干涉仪，所述两个矩形波导的窄边分别与圆波导通过耦合小孔阵列连接；所述干涉仪为波导魔T结构，波导魔T的1、2端口分别与矩形波导的输出端口相连，构成耦合通道1和2，另外两个分支波导构成主模功率监测通道与寄生模式功率监测通道。本发明可以实现对角向非对称模式的有效抑制，提高在线功率测量的精度，同时还实现了对寄生模式成分的在线评估和功率监测。

Description

一种用于过模导波系统的选模定向耦合器
技术领域
本发明属于高功率微波传输系统领域，具体涉及一种结合多孔阵列耦合与干涉仪技术的波导定向耦合器。
背景技术
高功率微波(High Power Microwave，HPM)技术是从二十世纪七十年代发展起来的一门新兴技术，在军事、科研、工业等领域有着广泛的应用前景。针对脉宽、频率、功率以及模式等参数的在线监测是任何实用性高功率微波系统中必不可少的技术环节。目前,高功率微波测量脉宽可以由数字示波器直接读取，频率可采用色散曲线、混频等方法比较准确的测得。然而功率、模式的测量特别是在线实时测量仍是比较困难的问题。
造成上述技术困难的主要原因是，高功率微波系统对功率容量的特殊需求，具体的说，为了保障功率容量，从微波源高频系统到后续的传输链路均工作在过模传输状态下，寄生模式的出现难以避免。如高功率回旋管中的工作模式理论上通常为圆波导TE01模式，但在实际设计中由于模式竞争、传输系统的非均匀性等问题，普遍存在TE21、TE02、TE11等寄生模式；而相对论返波管一般工作在TM01模式，但在传输系统中普遍存在TM02、TE11等寄生模式。
定向耦合器是高功率微波在线功率测量的一种常用方法，它通过在传输波导侧壁开孔的方式，耦合部分微波功率，在保证不击穿的情况下利用检波器或示波器进行功率测定。定向耦合器耦合度的准确评估对传输总功率测定准确度有着极大的影响。然而，在传统定向耦合器设计中仅仅考虑波导基模或主传输模式的耦合情况，忽略了传输通道中寄生模式对功率耦合度的影响，极大地影响了功率监测的准确性。以图1所示耦合器为例，在同一耦合孔阵列下，该定向耦合器对传输通道中寄生模式TE21的耦合度比主模TE01还大了近3dB，这意味着若传输波导中存在较高的TE21模成分，在不做任何技术处理的情况下，直接采用标定给出的TE01模耦合度无法准确判断传输波导中的微波功率。
针对上述技术问题，电子科技大学提出了利用轴向开孔阵列组合的方法，研制了Ka波段圆波导定向耦合器，实现了TE02、TE03等轴对称模式的耦合抑制。国防科学技术大学研制的X波段选模定向耦合器实现了对圆波导TM02模的耦合抑制。
从公开报道的资料可知，当前的高功率定向耦合器研究更多的针对轴对称寄生模式的抑制，对于角向非对称模式的抑制技术较少涉及，同时对于寄生模式本身的功率监测尚缺乏有效的技术手段。
发明内容
针对现有的选模耦合器，更多的针对旋转轴对称模(TE02，TM02)的抑制，而且无法评估寄生模式成分的问题，本发明提出了一种适用于过模导波系统在线功率监测的选模定向耦合器。本发明可以实现对角向非对称模式(以TE21为例)的有效抑制，提高在线功率测量的精度，同时还实现了对寄生模式成分的在线评估和功率监测。
本发明采取的技术方案是：一种用于过模导波系统的选模定向耦合器，包括圆波导、设置于圆波导外侧的两个矩形波导、以及干涉仪，所述两个矩形波导的窄边分别与圆波导通过耦合小孔阵列连接；所述干涉仪为波导魔T结构，波导魔T的1、2端口分别与矩形波导的输出端口通过弯波导相连，构成耦合通道1和2，另外两个分支波导构成主模功率监测通道与寄生模式功率监测通道。
进一步地，所述的两组耦合小孔阵列完全相同，每一组耦合小孔阵列都有八个耦合小孔，耦合小孔的厚度为0.5mm，相邻耦合小孔之间的距离d＝2.456mm，中间一对耦合小孔的半径最大，半径为0.87mm，向两端的耦合小孔半径依次为0.81mm、0.68mm、0.51mm。
进一步地，所述的矩形波导是BJ320型标准矩形波导，截面尺寸为7.112mm×3.556mm。
进一步地，所述的圆波导半径R＝16mm。
进一步地，所述的干涉仪的四个端口截面尺寸均为7.112mm×3.556mm。
本发明提供了一种用于过模导波系统的选模定向耦合器，在主模功率监测通道中实现了对杂模TE21的寄生耦合抑制，从而保障对主模TE01输出功率的高精度在线测量。同时，本发明寄生模式功率监测通道能够抑制TE01模式，从而实现对寄生模式TE21功率的高精度在线测量。设计结果表明：在34GHz-36GHz频率范围内主模功率监测通道对TE01模的耦合度为-56dB，对TE21模的耦合度低于-95dB；寄生模式功率监测通道中对TE21模的耦合度为-53dB，对TE01模的耦合度低于-99dB。与现有的定向耦合器相比，本发明的选模定向耦合器具有以下优点：杂模耦合抑制度高于39dB，同时可以实现对传输链路中主模式和寄生模式功率的同步高精度测量。
附图说明
图1为定向耦合器输出端口处TE01与TE21模式耦合度随频率的变化关系。
图2为本实施例的用于过模导波系统的选模定向耦合器装置的结构示意图。
图3为TE01模在过模圆波导截面1的电场分布图。
图4为TE01模在耦合通道1端口与耦合通道2端口处信号相位随频率的变化关系。
图5为TE21模在过模圆波导截面1的电场分布图。
图6为TE21模在耦合通道1端口与耦合通道2端口处信号相位随频率的变化关系。
图7为本实施例的选模定向耦合器中主模功率监测通道3.3处的主模TE01和杂模TE21的输出信号随频率的变化关系。
图8为本实施例的选模定向耦合器中寄生模式功率监测通道3.4处的主模TE01和杂模TE21的输出信号随频率的变化关系。
具体实施方式
为了更好地说明本发明方法的目的和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
图2为本发明实施例选模定向耦合器结构示意图，包括包括圆波导1、设置于圆波导1外侧的两个矩形波导(2.3、2.4)、以及干涉仪。其中圆波导1为过模圆波导，半径R＝16mm，其主要功能是作为主传输通道实现高功率微波的传输，采用与应用系统相同尺寸的波导结构，便于定向耦合器在高功率微波传输线的无缝接入。
所述两个矩形波导(2.3、2.4)的窄边分别与圆波导通过耦合小孔阵列(2.1、2.2)连接，两列耦合小孔阵列角向偏转φ＝90°。所述两组耦合小孔阵列完全相同，每一组耦合小孔阵列都有八个通孔，每个耦合小孔之间的距离d＝2.456mm，中间一对耦合小孔的半径最大，半径为0.87mm，向两端的耦合小孔半径依次为0.81mm、0.68mm、0.51mm，耦合小孔的厚度为0.5mm。所述的两个矩形波导为BJ320型的标准矩形波导，截面尺寸为7.112mm×3.556mm。
所述干涉仪为波导魔T结构，波导魔T的1(3.1)、2(3.2)端口分别与矩形波导的输出端口(2.5、2.6)通过弯波导相连，构成耦合通道1和2，另外两个分支波导(3.3、3.4)分别构成主模功率监测通道与寄生模式功率监测通道，。
本发明的工作原理：图3为TE01模在过模圆波导截面1的电场分布图，由图可以看出，过模圆波导1中TE01模在矩形波导(2.3、2.4)中发生耦合处的电场方向一致，在矩形波导端口(2.5、2.6)处的输出信号电场方向相同。图4为TE01模在矩形波导端口(2.5、2.6)处输出信号相位随频率的变化关系，由图可以看出，两个通道耦合输出的信号相位相同。图5为TE21模在过模圆波导截面1的电场分布图，由图可以看出，过模圆波导1中TE21模在矩形波导(2.3、2.4)中发生耦合处的电场方向相反，在矩形波导端口(2.5、2.6)处的输出信号电场方向相反。图6为TE21模在矩形波导端口(2.5、2.6)处输出信号相位随频率的变化关系，由图可以看出，两个通道耦合输出的信号相位相差180°。由于两组耦合孔阵列完全相同，耦合通道1和2输出的信号幅值相同。
由魔T的互易原理，当魔T的波导端口(3.1、3.2)输入等幅同相的信号时，在主模功率监测通道(3.3)输出信号叠加输出，在寄生模式功率监测通道(3.4)无输出信号。同理，当魔T的波导端口(3.1、3.2)输入等幅反相的信号时，在寄生模式功率监测通道(3.4)输出信号叠加输出，在主模功率监测通道无输出信号。由上述分析，当过模圆波导中的TE01模式通过耦合小孔阵列耦合出的两路信号进入干涉仪的波导端口(3.1、3.2)，由于这两路信号等幅同相，将在干涉仪的主模功率监测通道叠加输出，而在寄生模式功率监测通道无信号输出。同时寄生模TE21耦合出的两路信号进入干涉仪3的波导端口(3.1、3.2)时，由于这两路信号等幅反相，将在干涉仪的寄生模式功率监测通道叠加输出，而在主模功率监测通道无信号输出。这样在主模功率监测通道中实现了对杂模TE21的寄生耦合抑制，从而保障对主模TE01输出功率的高精度在线测量。同时，本发明寄生模式功率监测通道能够抑制TE01模式，从而实现对寄生模TE21功率的高精度在线测量。
以下结合仿真计算对本发明的技术效果作进一步描述：
图7为本实施例的选模定向耦合器中主模功率监测通道(3.3)处的主模TE01和杂模TE21的输出信号随频率的变化关系。由图中可以看出，在34GHz-36GHz频率范围内主模功率监测通道对TE01模的耦合度为-56dB，对TE21模的耦合度低于-95dB，对杂模耦合抑制度高于39dB。
图8为本实施例的选模定向模耦合器中寄生模式功率监测通道(3.4)处的主模和杂模的输出信号随频率的变化关系。由图中可以看出，在34GHz-36GHz频率范围内寄生模式功率监测通道对TE01模的耦合度低于-99dB，对TE21模的耦合度为-53dB。可以对寄生模式实现高精度功率测量。
由此，本发明提供的适用于过模导波系统的选模定向耦合器与现有的定向耦合器相比，采用了耦合小孔阵列与干涉仪的结构，保证了耦合信号强度，可以实现对寄生模式的高抑制度，以及实现传输链路主模式和寄生模式功率的同步高精度测量。值得在业内进行推广。
上述实例是为了说明本发明方法的技术构思以及特点，只能用于本发明进行具体的描述，使熟悉该技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，对于角向非对称模式TE31，TE41等等的寄生耦合抑制都可以用到本发明提到的方法。并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明方法所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于过模导波系统的选模定向耦合器，包括圆波导、设置于圆波导外侧的两个矩形波导、以及干涉仪，所述两个矩形波导的窄边分别与圆波导通过两组耦合小孔阵列连接；所述两组耦合小孔阵列角向偏转90°，且两组耦合小孔阵列尺寸相同；所述干涉仪为波导魔T结构，波导魔T的1、2端口分别与矩形波导的输出端口相连，构成耦合通道1和2，另外两个分支波导构成主模功率监测通道与寄生模式功率监测通道。
2.如权利要求1所述的一种用于过模导波系统的选模定向耦合器，其特征在于：波导魔T的1、2端口分别与矩形波导的输出端口通过弯波导相连。
3.如权利要求1所述的一种用于过模导波系统的选模定向耦合器，其特征在于：所述两组耦合小孔阵列都有八个耦合小孔，中间一对耦合小孔的半径最大，两端小孔的半径依次减小。
4.如权利要求1所述的一种用于过模导波系统的选模定向耦合器，其特征在于：所述的矩形波导是BJ320型标准矩形波导，截面尺寸为7.112mm×3.556mm。
5.如权利要求1所述的一种用于过模导波系统的选模定向耦合器，其特征在于：所述的圆波导半径R＝16mm。
6.如权利要求1或2或4所述的一种用于过模导波系统的选模定向耦合器，其特征在于：所述的干涉仪的四个端口截面尺寸均为7.112mm×3.556mm。
7.如权利要求3所述的一种用于过模导波系统的选模定向耦合器，其特征在于：耦合小孔的厚度为0.5mm，相邻耦合小孔之间的距离d＝2.456mm，中间一对耦合小孔的半径最大为0.87mm，向两端的耦合小孔半径依次为0.81mm、0.68mm、0.51mm。
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