CN110011165B - 一种高能量提取效率的储能切换法微波脉冲压缩装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微波脉冲压缩技术领域，涉及一种高能量提取效率的储能切换法微波脉冲压缩装置，包括输入波导、输入耦合膜片、谐振腔、自击穿开关、滑动短路器、波导H‑T结构，输入波导连接输入耦合膜片，输入耦合膜片连接谐振腔，谐振腔右端连接滑动短路器，自击穿开关置于谐振腔内，谐振腔侧面连接波导H‑T结构，波导H‑T结构与其自身的输出波导之间设置提取腔。本发明的有益效果为：本发明高能量提取效率的储能切换法微波脉冲压缩装置通过在波导H‑T结构与输出波导中间增加一个提取腔，可有效抵消波导H‑T结构产生的微波反射，从而提高储能切换法微波脉冲压缩装置的能量提取效率和功率增益。提取腔结构的增加不影响谐振腔的谐振频率和品质因数。

Description

一种高能量提取效率的储能切换法微波脉冲压缩装置
技术领域
本发明属于微波脉冲压缩技术领域，涉及一种高能量提取效率的储能切换法微波脉冲压缩装置。
背景技术
微波脉冲压缩技术是获得高功率微波输出的一种有效手段，其主要技术途径是先将长脉冲低功率微波脉冲输入到高品质因数谐振腔中储能，然后再从谐振腔中快速提取能量，从而实现微波功率放大。典型的微波脉冲压缩技术包括：能量倍增器法(SLAC EnergyDoubler,SLED)、功率二进倍增法(Binary Pulse Compression,BPC)、延迟线分配法(DelayLine Distribution System,DLDS)以及储能切换法(Switched Energy Storage,SES)。其中，储能切换法脉冲压缩技术因其结构简单、功率增益高的优势而被广泛用来压缩大功率源输出的微波脉冲，以获得高功率微波脉冲输出。
最简单的储能切换法微波脉冲压缩装置如图1所示(宁辉.脉冲压缩方法产生高功率微波技术研究[D].北京：清华大学博士学位论文,2001.)，该装置采用矩形波导谐振腔，采用矩形电感膜片为输入耦合膜片，以双电极自击穿开关为触发开关，以波导H-T结构为微波提取结构。其工作原理可描述为：输入微波脉冲经输入耦合膜片耦合进入矩形波导谐振腔中储能，随着储能增多，谐振腔中电场增大，当电场增大到一定程度的时候，自击穿开关产生自击穿，此时谐振腔中储存的微波能量将快速从波导H-T结构提取输出，实现微波功率放大。
目前，采用矩形波导谐振腔的储能切换法微波脉冲压缩装置都使用波导H-T结构作为微波提取结构，然而波导H-T结构存在阻抗不匹配的问题，会对输出微波产生较大的反射，使得谐振腔储存的微波能量不能完全提取输出，降低能量提取效率和功率增益。
发明内容
本发明目的是提高储能切换法微波脉冲压缩装置的能量提取效率和功率增益。
为达到上述发明目的，本发明提出一种高能量提取效率的储能切换法微波脉冲压缩装置，包括输入波导、输入耦合膜片、谐振腔、自击穿开关、滑动短路器、波导H-T结构，输入波导连接输入耦合膜片，输入耦合膜片连接谐振腔，谐振腔右端连接滑动短路器，自击穿开关置于谐振腔内，谐振腔侧面连接波导H-T结构，波导H-T结构与其自身的输出波导之间设置提取腔。
本发明的有益效果为：本发明高能量提取效率的储能切换法微波脉冲压缩装置通过在波导H-T结构与输出波导中间增加一个提取腔，可有效抵消波导H-T结构产生的微波反射，从而提高储能切换法微波脉冲压缩装置的能量提取效率和功率增益。提取腔结构的增加不影响谐振腔的谐振频率和品质因数。
附图说明
图1为背景技术储能切换法微波脉冲压缩装置示意图。
图2为本发明高能量提取效率的储能切换法微波脉冲压缩装置示意图。
图3为本发明高能量提取效率的储能切换法微波脉冲压缩装置剖面示意图及尺寸。
图4为实施例中自击穿开关及矩形波导截面示意图及尺寸。
图5为实施例中带提取腔与不带提取腔的储能切换法微波脉冲压缩装置的提取效率对比图。
具体实施方式
实施例1
一种高能量提取效率的储能切换法微波脉冲压缩装置，如图2所示，包括输入波导1、输入耦合膜片2、谐振腔3、自击穿开关4、滑动短路器5、波导H-T结构6，输入波导1连接输入耦合膜片2，输入耦合膜片2连接谐振腔3，谐振腔3右端连接滑动短路器5，自击穿开关4置于谐振腔3内，谐振腔3侧面连接波导H-T结构6，波导H-T结构6与其自身的输出波导8之间设置提取腔7。
具体如下：
如图3所示，输入波导1、谐振腔3、波导H-T结构6和输出波导8为同一尺寸的矩形波导，宽边长度为a，窄边长度为b，通常采用工作频段的标准矩形波导。
输入波导1长度为l1，传输模式为TE10模，微波脉冲从输入波导1注入。
输入耦合膜片2为厚度为h的波导膜片，膜片窄边长度为b，与矩形波导窄边长度一致，宽边长度为d，d<a，输入耦合膜片2与输入波导1连接。
谐振腔3为一定长度的矩形波导腔，谐振腔3左端是输入耦合膜片2的右端面，谐振腔3右端是滑动短路器5的短路面，谐振腔3的工作模式为TE1,0,n模，谐振腔3长度为
Figure BDA0001963174650000031
其中，λg为矩形波导中TE10模的导波波长，
Figure BDA0001963174650000032
f为谐振腔3的工作频率，c为光速，n为模式周期数，l5为波导H-T结构6距离滑动短路器5短路面的距离。
滑动短路器5为可滑动的短路面结构，，其作用是调节谐振腔3的长度，从而调整谐振腔3的谐振频率，使其与输入微波脉冲频率一致；滑动短路面尺寸与矩形波导截面尺寸一致，滑动短路器5可滑动范围0-20mm。
波导H-T结构6为谐振腔3的H面上连接的一段矩形波导，矩形波导位置位于谐振腔3中工作模式TE1,0,n模的一个波节点处，其与滑动短路器5短路面的距离l5为
Figure BDA0001963174650000041
自击穿开关4位于谐振腔3中，其结构为谐振腔3的两个宽面中心处伸出的两个导电电极，上电极为一半径为r0，长度为h2的导体圆柱，再在圆柱顶端连接一个高度为h3的圆锥尖端导体，下电极为一半径为r0，长度为h1的导体，h1+h2+h3<b，如图4所示；自击穿开关4到波导H-T结构6中线的距离l3为l3＝7λg/4。
提取腔7与波导H-T结构6连接，提取腔7到谐振腔3的距离为l6，其窄边长度为b，与矩形波导窄边长度一致，宽边长度为w，w>a，提取腔7的长度为t。
输出波导8长度为l7，输出波导8与提取腔7连接。
工作原理如下：
工作时，先调节滑动短路器5使谐振腔3的工作频率与输入微波脉冲频率一致，调节方法为：输入微波脉冲从输入波导1注入，并监测反射微波脉冲波形，调节滑动短路器5的位置，当反射微波脉冲为全反射快速变换到反射为0的波形特性时，谐振腔3的工作频率与输入微波脉冲频率一致。谐振腔工作频率调节好后，再次从输入波导1注入微波脉冲，经过输入耦合膜片2耦合进入谐振腔3中储能，随着储存能量增多，谐振腔3中电场不断增大，当谐振腔3中电场增大到一定程度时，自击穿开关4产生自击穿，谐振腔3中储存的微波能量快速从波导H-T结构6中耦合输出，通过提取腔7的引入，可有效抵消波导H-T结构因阻抗不匹配而产生的微波反射，从而提高微波提取效率和输出增益，最终功率放大的微波脉冲从输出波导8中输出。
实施例2
一个高能量提取效率的储能切换法微波脉冲压缩装置，其工作频率为9.3GHz，矩形波导采用X波段标准矩形波导BJ100，各主要结构参数如下表所示。
结构参数 a b l<sub>1</sub> l<sub>2</sub> l<sub>3</sub> l<sub>4</sub> l<sub>5</sub> l<sub>6</sub> l<sub>7</sub> d h w t h<sub>1</sub> h<sub>2</sub> h<sub>3</sub> r<sub>0</sub>
尺寸(mm) 22.86 10.16 30 1066 78 50 112 36 30 11 2 32 15 2 2 2 1
由图5可知，带提取腔的储能切换法微波脉冲压缩装置的微波提取效率可以从不带提取腔时的93.5％提高到99.8％。

Claims (7)

1.一种高能量提取效率的储能切换法微波脉冲压缩装置，包括输入波导(1)、输入耦合膜片(2)、谐振腔(3)、自击穿开关(4)、滑动短路器(5)、波导H-T结构(6)，输入波导(1)连接输入耦合膜片(2)，输入耦合膜片(2)连接谐振腔(3)，谐振腔(3)右端连接滑动短路器(5)，自击穿开关(4)置于谐振腔(3)内，谐振腔(3)侧面连接波导H-T结构(6)，其特征在于，波导H-T结构(6)与其自身的输出波导(8)之间设置提取腔(7)；输入波导(1)、谐振腔(3)、波导H-T结构(6)和输出波导(8)为同一尺寸的矩形波导，宽边长度为a，窄边长度为b；输入波导(1)长度为l1，传输模式为TE10模，输入耦合膜片(2)为厚度为h的波导膜片，膜片窄边长度为b，宽边长度为d，d<a。
2.根据权利要求1所述高能量提取效率的储能切换法微波脉冲压缩装置，其特征在于，谐振腔(3)的工作模式为TE1,0,n模，谐振腔(3)长度为
Figure FDA0002546234760000011
其中，λg为矩形波导中TE10模的导波波长，
Figure FDA0002546234760000012
f为谐振腔(3)的工作频率，c为光速，n为模式周期数，l5为波导H-T结构(6)距离滑动短路器(5)短路面的距离。
3.根据权利要求1所述高能量提取效率的储能切换法微波脉冲压缩装置，其特征在于，滑动短路器(5)为可滑动的短路面结构，滑动短路面尺寸与矩形波导截面尺寸一致。
4.根据权利要求1所述高能量提取效率的储能切换法微波脉冲压缩装置，其特征在于，波导H-T结构(6)位于谐振腔(3)中工作模式TE1,0,n模的一个波节点处，其与滑动短路器(5)短路面的距离l5为
Figure FDA0002546234760000013
。
5.根据权利要求1所述高能量提取效率的储能切换法微波脉冲压缩装置，其特征在于，所述自击穿开关(4)为谐振腔(3)的两个宽面中心处伸出的两个导电电极，上电极为一半径为r0，长度为h2的导体圆柱，再在圆柱顶端连接一个高度为h3的圆锥尖端导体，下电极为一半径为r0，长度为h1的导体，h1+h2+h3<b；自击穿开关(4)到波导H-T结构(6)中线的距离l3为l3＝7λg/4。
6.根据权利要求1所述高能量提取效率的储能切换法微波脉冲压缩装置，其特征在于，提取腔(7)到谐振腔(3)的距离为l6，其窄边长度为b，宽边长度为w，w>a，提取腔(7)的长度为t。
7.根据权利要求4所述高能量提取效率的储能切换法微波脉冲压缩装置，其特征在于，滑动短路器(5)可滑动范围0-20mm。
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