CN110875507A - 基于3d打印的四路高功率微波合成器制造方法和合成器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于3D打印的四路高功率微波合成器制造方法和合成器，根据电磁耦合波理论推导耦合度的强弱与波导半径、微波频率、微波模式和缝宽的关系，采用时域有限差分算法对合成器建模并根据耦合波理论进行仿真，最后通过3D打印一次成型合成器，制造了高合成效率的四路高功率合成器，实现合成多个不同频段的微波源输出的微波和共天线向外辐射的功能；即在扩展系统输出微波频段的同时，提高了微波的合成效率和输出总功率。本发明采用的3D打印技术一次成型地制造四路高功率合成器，有效解决了传统方法制造合成器的打火问题，应用于输出功率为MW量级微波毫米波源的HPM辐射系统。

Description

基于3D打印的四路高功率微波合成器制造方法和合成器

技术领域

本发明属于高功率微波合成技术领域，具体涉及基于3D打印的四路高功率微波合成器制造方法和合成器。

背景技术

高功率微波(High-Power Microwave，HPM)通常是指峰值功率大于10MW，频率在1GHz-300GHz的电磁波。高功率微波在定向能装置、高功率雷达等方面都有着广阔的应用。

为了获取更高的脉冲功率或脉冲重复频率，有必要对HPM合成技术进行探索和研究。假如有两台HPM源且工作频段相同，如果想将两台HPM源产生的HPM同时辐射出去，则必须研制两套与之配套的天线；若能将两台HPM源产生的HPM在波导内先合成然后再用同一幅天线辐射出去则大大降低设备成本。这种合成并非通常意义上的功率合成，而是脉冲宽度合成或脉冲重复频率合成，即实现两路HPM由两个端口馈入，一个端口输出。

随着高功率微波技术的发展，具有多个波段输出特性和更高输出功率水平的高功率微波系统越来越受到人们的重视，发射分系统作为其中的一个关键组成部分之一，在很大程度上决定着系统的方案选择。但目前大部分成熟的高功率微波源多工作在单频段，且输出功率有物理极限。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供基于3D打印的四路高功率微波合成器制造方法和合成器，制造高合成效率的四路高功率合成模块，实现合成多个不同频段的微波源输出的微波和共天线向外辐射的功能。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：基于3D打印的四路高功率微波合成器制造方法，包括以下步骤：

S1：根据电磁耦合波理论推导耦合度的强弱与波导半径、微波频率、微波模式和缝宽的关系，分析四路合成器的耦合机理，给出最佳模式和最佳匹配方式；

S2：采用时域有限差分算法对合成器建模并根据耦合波理论进行仿真；

S3：通过3D打印一次成型，制作合成器的实物模型。

按上述方案，所述的步骤S1中，具体步骤为：

S11：设两路连续长缝耦合结构包括两只背靠背的圆波导，分别为波导1和波导2，两波导的物理尺寸相同，两波导中间开有一条连续的长度为z的耦合缝，波导1的两侧端口分别为端口1和端口2，波导2的两侧端口分别为端口3和端口4，端口1和端口4在同侧，端口2和端口3在同侧；设波导1为副波导，波导2为主波导，向端口1输入单一模式的初始激励a₁(0)，向端口4输入的信号为零；设电磁波的传播常数为β，波导1和波导2内的传播常数分别为β₀₁和β₀₂，根据耦合波理论，对于单一模式，波导1和波导2满足固定相移系数相等的条件即同一模式微波在两波导内同方向传输的同步条件为：

β₀₁＝β₀₂＝β；

对此固定模式，设波导1和波导2间的耦合系数分别为k₁₂和k₂₁，同方向的耦合波满足

|k₁₂|＝|k₂₁|；

则电磁波的群速度传播常数β_e为

波导1和波导2内电压信号a₁(z)及a₁(z)随耦合缝长度z的变化规律为

a₁(z)＝a₁(0)cosβ₀₂ze^-jβz，

a₂(z)＝a₁(0)sinβ₀₂ze^-jβz；

微波沿z方向即波导的长度方向传输，则波导1和波导2中的微波功率分别为

若耦合缝的长度z＝l，满足谐振条件的特定长度为l，则：

则波导2的输出端有微波输出：

[a₂(l)]²＝[a₁(0)]²，

而波导1的输出端无功率输出：

[a₁(l)]＝0，

能量全部由副波导耦合进入主波导；即如果有单一模式的微波由副波导的端口1输入，在满足相关条件下，实现由主波导的端口3输出。根据互逆原理，如果主波导的端口4注入的微波模式与副波导相同，则该列微波全部耦合进入副波导并由端口2输出；

S12：根据极化正交耦合波理论，圆波导的

模式分为水平极化和垂直极化两种状态，若耦合结构满足

垂直极化模式的耦合，则在同等条件下水平极化

模式的耦合系数与垂直极化

模式的耦合系数不同，因此在满足耦合条件的结构中垂直极化的

模式微波由副波导完全耦合进入主波导输出，而由主波导注入的水平极化

模式微波由与之直接相连的输出口输出，实现微波由两个端口输入一个端口输出的功能。

进一步的，所述的步骤S2中，具体步骤为：

S21：采用时域有限差分算法对合成器建模；

S22：在合成器的各个端口分别设置不同频率、功率、极化和入射波矢的电磁波源，根据耦合波理论仿真得到不同参数下的波导尺寸和材料的输出结果。

进一步的，所述的步骤S3中，具体步骤为：

S31：根据模型进行预处理，计算光敏树脂和支撑材料的位置；

S32：通过3D打印机喷射细小光敏树脂液滴并通过紫外线固化，使材料薄层聚集在构建托盘上，形成3D模型和零件；

S33：打印结束后去除支撑材料。

进一步的，在步骤S2与S3之间，还包括以下步骤：根据仿真的结果，利用传统机械加工方法制作四路合成器，配合返波管测试合成效果，对比仿真结果继续优化参数。

基于3D打印的四路高功率微波合成器，包括依次连接的输入段、耦合段和输出段，其中输入段不少于四路；

输入段包括一个主通道和一个副通道，主通道为直段圆波导，副通道为旋转轴呈90°弯曲的圆波导；输入段用于注入微波；

耦合段包括两个外形尺寸完全相同的背靠背的圆波导，一个圆波导为主波导，一个圆波导为副波导，主波导与副波导之间有一条连续长缝；耦合段用于将微波能量由副波导耦合进入主波导；

输出段包括至少四个背靠背的圆波导，其中一个为长波导，至少三个为短波导，短波导通过副波导与副通道连接，长波导通过主波导与主通道连接，为合成器的公共输出端；输出段用于输出微波。

进一步的，合成器的各部件的连接面刻有密封槽，用于满足在高真空环境下使用的条件。

本发明的有益效果为：

1.本发明的基于3D打印的四路高功率微波合成器制造方法和合成器利用不同极化输入波来构建四路合成器、利用通道合成的方法，制造了高合成效率的四路高功率合成器，实现合成多个不同频段的微波源输出的微波和共天线向外辐射的功能；即在扩展系统输出微波频段的同时，提高了微波的合成效率和输出总功率。

2.本发明对高功率微波装置中的多个辐射源进行功率合成，实现了对不同敏感频点的装备进行同时毁伤、干扰的功能；并通过增加单频点的能量实现功率容量提升，实现了大功率微波无线能量传输的多源功率合成功能。

3.本发明采用的3D打印技术一次成型地制造四路高功率合成器，有效解决了传统方法制造合成器的打火问题。

4.本发明采用的时域有限差分算法建模简单，计算速度快。

附图说明

图1是本发明实施例的流程图。

图2是本发明实施例的三维结构图。

图3是本发明实施例的两路合成器的示意图。

图4是本发明实施例的两路合成器的建模图。

图5是本发明实施例的主波导输入仿真结果图。

图6是本发明实施例的副波导输入仿真结果图。

图7是本发明实施例的X波段仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1，本发明的实施例包括以下步骤：

S1：根据电磁波耦合模方程，分析四路合成器的耦合机理，给出最佳模式和最佳匹配方式；采用磁耦合方式，分析不同输入极化模式对耦合效率的影响，推导耦合度的强弱与波导半径、微波频率、微波模式和缝宽的关系，寻求四路最佳极化输入方式：

S11：参见图3，设两路连续长缝耦合结构包括两只背靠背的圆波导，分别为波导1和波导2，两波导的物理尺寸相同，两波导中间开有一条连续的长度为z的耦合缝，波导1的两侧端口分别为端口1和端口2，波导2的两侧端口分别为端口3和端口4，端口1和端口4在同侧，端口2和端口3在同侧；根据电磁耦合波理论，若两只波导内传输的两列波满足相关同步条件，则两列波在两只波导内来回转换。

设波导1为副波导，波导2为主波导，向端口1输入单一模式的初始激励a₁(0)，向端口4输入的信号为零；设电磁波的传播常数为β，波导1和波导2内的传播常数分别为β₀₁和β₀₂，根据耦合波理论，对于单一模式，波导1和波导2满足固定相移系数相等的条件即同一模式微波在两波导内同方向传输的同步条件为：

β₀₁＝β₀₂＝β；

对此固定模式，设波导1和波导2间的耦合系数分别为k₁₂和k₂₁，同方向的耦合波满足

|k₁₂|＝|k₂₁|；

则电磁波的群速度传播常数β_e为

波导1和波导2内电压信号a₁(z)及a₁(z)随耦合缝长度z的变化规律为

a₁(z)＝a₁(0)cosβ₀₂ze^-jβz，

a₂(z)＝a₁(0)sinβ₀₂ze^-jβz；

微波沿z方向即波导的长度方向传输，则波导1和波导2中的微波功率分别为

若耦合缝的长度z＝l，满足谐振条件的特定长度为l，则：

则波导2的输出端有微波输出：

[a₂(l)]²＝[a₁(0)]²，

而波导1的输出端无功率输出：

[a₁(l)]＝0，

能量全部由副波导耦合进入主波导；即如果有单一模式的微波由副波导的端口1输入，在满足相关条件下，实现由主波导的端口3输出。根据互逆原理，如果主波导的端口4注入的微波模式与副波导相同，则该列微波全部耦合进入副波导并由端口2输出。

S12：根据极化正交耦合波理论，圆波导的

模式分为水平极化和垂直极化两种状态，若耦合结构满足

垂直极化模式的耦合，则在同等条件下水平极化

模式的耦合系数与垂直极化

模式的耦合系数不同，因此在满足耦合条件的结构中垂直极化的

模式微波由副波导完全耦合进入主波导输出，而由主波导注入的水平极化

模式微波只有极少部分耦合进入副波导，大部分能量由与之直接相连的输出口输出，实现微波由两个端口输入一个端口输出的功能。

S2：参见图4，在电磁仿真软件中采用时域有限差分算法(FDTD算法)对合成器建模，模拟耦合结构的场分布，并根据耦合波理论仿真分析缝宽、缝长、波导尺寸和材料对耦合效率的影响，以及功率容量和主通道相对于副通道的隔离度对耦合过程的影响，给出便于工程实现的波导尺寸和材料，实现与返波管输出波导尺寸匹配：

S21：采用时域有限差分算法对合成器建模；

S22：在合成器的端口1和端口4分别设置不同频率、功率、极化和入射波矢的电磁波源，根据耦合波理论：当微波频率和模式固定时，波导半径越大，同等耦合缝宽条件下耦合度越弱，能量全部耦合所需耦合缝越长；当波导半径固定时，耦合缝越窄，则能量全部耦合所需耦合缝越长；仿真得到不同参数下的缝宽、缝长、波导尺寸和材料的输出结果。

如设定工作频率为9.3GHz，选择圆波导半径为25mm，仿真结果如图5和图6所示，仿真结果显示主波导传输水平极化

模式时，电磁波由端口3输出，能量传输效率保持在99％以上；当副波导输入垂直极化

模式时，在200MHz带宽范围内能量耦合效率达到96％以上；上述结果表明FDTD算法可以很好的仿真合成器的效果，为后续加工提供了理论设计支持。

在步骤S2与S3之间，还包括以下步骤：根据仿真的结果，利用传统机械加工方法制作四路合成器，配合返波管测试合成效果，对比仿真结果继续优化参数。仿真结果如图7所示，四路合成器的反射系数优于-25dB，合成效率优于91％，功率极限达到30MW；其中功率极限主要受制于波导内表面的光滑程度。

S3：通过3D打印一次成型，制作合成器的实物模型：

S31：根据三维模型进行预处理，通过计算机内的预建软件计算光敏树脂和支撑材料的位置；

S32：通过3D打印机喷射细小光敏树脂液滴并通过紫外线固化，使材料薄层聚集在构建托盘上，形成3D模型和零件；

S33：打印结束后手动或用水去除支撑材料，无需后续固化，可直接对3D打印机生成的模型和零件进行处理和使用。

3D打印是指利用光固化或纸层叠等PolyJet技术将液体或者粉末状材料通过电脑控制层层叠加起来，从而将计算机模型变为实物的过程。根据实际需求和应用领域的不同，3D打印技术也各有不同，常见的3D打印技术包括熔融沉积技术、电子束融化成型技术、立体平板印刷技术和增材制造技术等。本发明实施例采用美国STRATASYS公司生产的桌面级3D打印机OBJET 30制作合成器，打印精度为600×600×900dpi，即42.3×42.3×28μm，其中沿Z轴方向的层向精度为28μm，沿X轴和Y轴方向的精度为2.3μm，可打印的最大尺寸为294×192×148.6mm，该机器可以加工复杂空间结构。

参见图2，通过基于3D打印的四路高功率微波合成器制造方法的制造的四路高功率微波合成器，包括依次连接的输入段、耦合段和输出段，其中输入段不少于四路；输入段包括一个主通道和一个副通道，主通道为直段圆波导，副通道为旋转轴呈90°弯曲的圆波导；输入段用于注入微波；耦合段包括两个外形尺寸完全相同的背靠背的圆波导，一个圆波导为主波导，一个圆波导为副波导，主波导与副波导之间有一条连续长缝；耦合段用于将微波能量由副波导耦合进入主波导；输出段包括至少四个背靠背的圆波导，其中一个为长波导，至少三个为短波导，短波导通过副波导与副通道连接，长波导通过主波导与主通道连接，为合成器的公共输出端；输出段用于输出微波。合成器的各部件的连接面刻有密封槽，用于满足在高真空环境下使用的条件。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于3D打印的四路高功率微波合成器制造方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：根据电磁耦合波理论推导耦合度的强弱与波导半径、微波频率、微波模式和缝宽的关系，分析四路合成器的耦合机理，给出最佳模式和最佳匹配方式；

S2：采用时域有限差分算法对合成器建模并根据耦合波理论进行仿真；

S3：通过3D打印一次成型，制作合成器的实物模型。

2.根据权利要求1所述的基于3D打印的四路高功率微波合成器制造方法，其特征在于：所述的步骤S1中，具体步骤为：

S11：设两路连续长缝耦合结构包括两只背靠背的圆波导，分别为波导1和波导2，两波导的物理尺寸相同，两波导中间开有一条连续的长度为z的耦合缝，波导1的两侧端口分别为端口1和端口2，波导2的两侧端口分别为端口3和端口4，端口1和端口4在同侧，端口2和端口3在同侧；设波导1为副波导，波导2为主波导，向端口1输入单一模式的初始激励a₁(0)，向端口4输入的信号为零；设电磁波的传播常数为β，波导1和波导2内的传播常数分别为β₀₁和β₀₂，根据耦合波理论，对于单一模式，波导1和波导2满足固定相移系数相等的条件即同一模式微波在两波导内同方向传输的同步条件为：

β₀₁＝β₀₂＝β；

对此固定模式，设波导1和波导2间的耦合系数分别为k₁₂和k₂₁，同方向的耦合波满足

|k₁₂|＝|k₂₁|；

则电磁波的群速度传播常数β_e为

波导1和波导2内电压信号a₁(z)及a₁(z)随耦合缝长度z的变化规律为

a₁(z)＝a₁(0)cosβ₀₂ze^-jβz，

a₂(z)＝a₁(0)sinβ₀₂ze^-jβz；

微波沿z方向即波导的长度方向传输，则波导1和波导2中的微波功率分别为

若耦合缝的长度z＝l，满足谐振条件的特定长度为l，则：

则波导2的输出端有微波输出：

[a₂(l)]²＝[a₁(0)]²，

而波导1的输出端无功率输出：

[a₁(l)]＝0，

能量全部由副波导耦合进入主波导；即如果有单一模式的微波由副波导的端口1输入，在满足相关条件下，实现由主波导的端口3输出。根据互逆原理，如果主波导的端口4注入的微波模式与副波导相同，则该列微波全部耦合进入副波导并由端口2输出；

S12：根据极化正交耦合波理论，圆波导的

模式分为水平极化和垂直极化两种状态，若耦合结构满足

垂直极化模式的耦合，则在同等条件下水平极化

模式的耦合系数与垂直极化

模式的耦合系数不同，因此在满足耦合条件的结构中垂直极化的

模式微波由副波导完全耦合进入主波导输出，而由主波导注入的水平极化

模式微波由与之直接相连的输出口输出，实现微波由两个端口输入一个端口输出的功能。

3.根据权利要求2所述的基于3D打印的四路高功率微波合成器制造方法，其特征在于：所述的步骤S2中，具体步骤为：

S21：采用时域有限差分算法对合成器建模；

S22：在合成器的各个端口分别设置不同频率、功率、极化和入射波矢的电磁波源，根据耦合波理论仿真得到不同参数下的波导尺寸和材料的输出结果。

4.根据权利要求3所述的基于3D打印的四路高功率微波合成器制造方法，其特征在于：所述的步骤S3中，具体步骤为：

S31：根据模型进行预处理，计算光敏树脂和支撑材料的位置；

S32：通过3D打印机喷射细小光敏树脂液滴并通过紫外线固化，使材料薄层聚集在构建托盘上，形成3D模型和零件；

S33：打印结束后去除支撑材料。

5.根据权利要求4所述的基于3D打印的四路高功率微波合成器制造方法，其特征在于：在步骤S2与S3之间，还包括以下步骤：根据仿真的结果，利用传统机械加工方法制作四路合成器，配合返波管测试合成效果，对比仿真结果继续优化参数。

6.基于权利要求1至5中任意一项所述的基于3D打印的四路高功率微波合成器制造方法的合成器，其特征在于：包括依次连接的输入段、耦合段和输出段，其中输入段不少于四路；

输入段包括一个主通道和一个副通道，主通道为直段圆波导，副通道为旋转轴呈90°弯曲的圆波导；输入段用于注入微波；

耦合段包括两个外形尺寸完全相同的背靠背的圆波导，一个圆波导为主波导，一个圆波导为副波导，主波导与副波导之间有一条连续长缝；耦合段用于将微波能量由副波导耦合进入主波导；

输出段包括至少四个背靠背的圆波导，其中一个为长波导，至少三个为短波导，短波导通过副波导与副通道连接，长波导通过主波导与主通道连接，为合成器的公共输出端；输出段用于输出微波。

7.根据权利要求6所述的合成器，其特征在于：合成器的各部件的连接面刻有密封槽，用于满足在高真空环境下使用的条件。

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