CN111257651B - 一种高功率微波极化参数的测量方法 - Google Patents

一种高功率微波极化参数的测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于等离子体加热领域，具体为一种高功率微波极化参数的测量方法，将两个定向耦合器标定，用四个圆波导固定安装好三个传输线直角弯头，极化器安装于第一传输线弯头，两个定向耦合器安装于第二传输线直角弯头和第三传输线直角弯头，利用两个定向耦合器对微波经过极化器反射后的极化特性进行测量，对测量的数据与理论计算的数据进行对比，以此来检验极化器是否满足设计要求。该方法解决了极化器在高功率条件下测试的难题，为验证极化器的极化特性与理论计算结果是否相符提供了方法。该方法简单、可靠、易操作。

Description

一种高功率微波极化参数的测量方法
技术领域
本发明属于等离子体加热领域，具体涉及一种高功率微波极化特性的测量方法。
背景技术
在核聚变研究中，电子回旋共振加热在受控磁约束核聚变中是一种重要的加热和调控手段。极化器作为电子回旋共振加热系统中一个重要的部件，其主要作用是改变微波的极化特性，以实现波与等离子体的高效耦合。目前电子回旋共振加热系统中普遍采用极化器对微波(电子回旋波)实现任意极化来满足波与等离子体高效耦合所需要的极化波。
目前电子回旋共振加热系统单条传输线的微波功率达到了MW量级，而极化器是安装在传输线上工作的，极化器在正式投入系统使用之前，必须对其进行性能测试，以验证在高功率条件下极化器的极化特性与理论计算值是否相符，保证极化器安装于系统中能够高效、稳定的工作。由于微波功率高，目前没有方法可以直接对极化参数进行测量，但是在高功率条件下对微波极化特性进行测试又是必要的，因此需要一种能够在高功率条件下对微波极化特性测量的方法。为了解决上述问题，发明了一种高功率微波极化特性的测量方法，该测量方法能够在高功率条件下对极化器的极化特性进行测试。
发明内容
本发明的目的是提供一种高功率微波极化参数的测量方法，针对高功率条件下测试电子回旋波能否实现理想的极化模式。
本发明的技术方案如下：
一种高功率微波极化参数的测量方法，该方法包括如下步骤：
步骤1：对第一定向耦合器和第二定向耦合器进行初始标定；
步骤2：对微波极化参数测量系统进行安装
2.1)固定第一传输线直角弯头，使得第一传输线直角弯头的一个直角边与第一圆波导连接，另一个直角边与第二圆波导连接，第一圆波导的轴线与第二圆波导的轴线垂直相交于第一传输线直角弯头斜面的中心，第一传输线直角弯头的斜面朝右上，极化器安装在斜面上，入射波a经过第一圆波导传输到极化器上，经过反射之后微波方向改变，为竖直方向的微波b；
2.2)固定第二传输线直角弯头，使得第二传输线直角弯头的一个直角边与第二圆波导连接，另一个直角边与第三圆波导连接，第二圆波导的轴线与第三圆波导的轴线垂直相交于第二传输线直角弯头斜面的中心，第二传输线直角弯头的斜面朝右上，垂直耦合方向的第一定向耦合器安装在斜面上，微波b经过第二圆波导传输到第一定向耦合器上，经过反射之后微波方向改变，为水平方向的微波c；
2.3)固定第三传输线直角弯头，使得第三传输线直角弯头的一个直角边与第三圆波导连接，另一个直角边与第四圆波导连接，第三圆波导的轴线与第四圆波导的轴线垂直相交于第三传输线直角弯头斜面的中心，第三传输线直角弯头的斜面朝右下，水平耦合方向的第一定向耦合器安装在斜面上，微波c经过第三圆波导传输到第三传输线直角弯头上，经过反射之后微波方向改变，为竖直方向的微波d；
步骤3：测量极化器的特性
旋转极化器，记录下第一定向耦合器、第二定向耦合器的测量数据，当极化器从0度旋转到180度的时候，该组数据则测试完成；
还包括步骤4：对测量的数据与理论计算的数据进行对比，以此来检验极化器是否满足设计要求。
第一定向耦合器为竖直耦合方向。
第二定向耦合器为水平耦合方向。
在步骤3中，将极化器的初始方向设置为槽纹方向平行于入射波电场方向。
极化器旋转时按照逆时针方向旋转。
极化器是通过旋转来改变微波的极化特性。
测量极化器时，以M度作为一个测量点，极化器从0度旋转到180度，记录下每个测量点测量到的数据。
M为0.1～30。
所述的步骤4包括：
4.1)确定实验测量的微波经过极化器后水平方向功率占总功率的比率
设测量的数据分为第一定向耦合器采集的第
Figure BDA0001889874760000031
个测量点的数据为Exm和第二定向耦合器采集的第
Figure BDA0001889874760000032
个测量点的数据为Eym，则第m个测量点处测量的总功率Em为
Figure BDA0001889874760000033
在第m个测量点，测量得到的水平方向功率占总功率的比率为
Figure BDA0001889874760000034
4.2)确定理论计算的微波经过极化器后水平方向功率占总功率的比率
在第m个测量点，微波经过极化器反射后，反射波的水平方向电场分量为Exrm,竖直方向电场分量为Eyrm，理论计算的微波经过极化器后水平方向功率占总功率的比率为
Figure BDA0001889874760000035
比较ηm和γm，当
Figure BDA0001889874760000041
组数据全部吻合时，则表明过极化器满足设计要求。
本发明的显著效果如下：在高功率条件下对极化器的极化特性进行测试，通过两个定向耦合器安装于极化器后面的传输线直角弯头处对微波的竖直方向微波功率和水平方向的微波功率进行测量，其中一个定向耦合器只耦合竖直方向的微波功率，另一个定向耦合器只耦合水平方向的微波功率，根据微波在水平和垂直方向的微波功率按照公式计算处理后与理论计算的结果进行比较，从而验证极化器是否满足设计要求。该发明解决了极化器在高功率条件下测试的难题，为验证极化器的极化特性与理论计算结果是否相符提供了方法。该方法简单、可靠、易操作。
附图说明
图1为微波极化参数的测量系统示意图；
图中：1.第一圆波导；2.第一传输线线直角弯头；3.极化器；4.第二圆波导；5第二传输线直角弯头；6.第一定向耦合器；7.第三圆波导；8.第三传输线直角弯头；9.第二定向耦合器；10.第四圆波导。
具体实施方式
下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
电子回旋共振加热系统中，主波导为圆波导，电子回旋管输出的微波经圆波导、极化器和换向波导等传输器件传输到天线发射系统。电子回旋管输出的微波为水平线极化波，极化器的作用是改变微波的极化特性。极化器在正式应用于电子回旋加热系统前，需要在高功率实验平台上开展高功率实验测试，以验证极化器设计的是否合理。
微波源的输出窗口中心在第一圆波导1的轴线上。
步骤1：第一定向耦合器6和第二定向耦合器9进行初始标定；
将第一定向耦合器和第二定向耦合器先用量热法对其耦合系数标定；
步骤2：对微波极化参数测量系统进行安装
如图1所示。
2.1)固定第一传输线直角弯头2，使得第一传输线直角弯头2的一个直角边与第一圆波导1连接，另一个直角边与第二圆波导4连接，第一圆波导1的轴线与第二圆波导4的轴线垂直相交于第一传输线直角弯头2斜面的中心，第一传输线直角弯头2的斜面朝右上，极化器3安装在斜面上，入射波a经过第一圆波导1传输到极化器3上，经过反射之后微波方向改变，为竖直方向的微波b；
2.2)固定第二传输线直角弯头5，使得第二传输线直角弯头4的一个直角边与第二圆波导5连接，另一个直角边与第三圆波导7连接，第二圆波导2的轴线与第三圆波导7的轴线垂直相交于第二传输线直角弯头5斜面的中心，第二传输线直角弯头5的斜面朝右上，垂直耦合方向的第一定向耦合器6安装在斜面上，微波b经过第二圆波导4传输到第一定向耦合器6上，经过反射之后微波方向改变，为水平方向的微波c；
2.3)固定第三传输线直角弯头8，使得第三传输线直角弯头8的一个直角边与第三圆波导7连接，另一个直角边与第四圆波导10连接，第三圆波导7的轴线与第四圆波导10的轴线垂直相交于第三传输线直角弯头8斜面的中心，第三传输线直角弯头8的斜面朝右下，水平耦合方向的第一定向耦合器9安装在斜面上，微波c经过第三圆波导7传输到第三传输线直角弯头9上，经过反射之后微波方向改变，为竖直方向的微波d；
步骤3：测量极化器3的特性
旋转极化器3，记录下第一定向耦合器6、第二定向耦合器9的测量数据，当极化器从0度旋转到180度的时候，该组数据则测试完成；
定向耦合器耦合得到的微波功率为毫瓦量级，可以通过衰减器将耦合出来的功率衰减至合适的值，然后由采集单元采集数据。
在步骤3中
将极化器3的初始方向设置为槽纹方向平行入射微波的电场方向。
极化器3旋转时按照逆时针方向旋转。
极化器3的作用就是改变微波的极化特性旋转角和椭圆率，使得旋转角变化范围为-90°到90°椭圆率变化范围为-45°到45°。
测量极化器3时，以5度作为一个测量点，极化器3从0度旋转到180度，记录下每个测量点测量到的数据。
步骤4：对测量的数据与理论计算的数据进行对比，以此来检验极化器是否满足要求
4.1)确定实验测量的微波经过极化器后水平方向功率占总功率的比率
设测量的数据分为第一定向耦合器3采集的第m(1≤m≤37)个测量点的数据为Exm和第二定向耦合器6采集的第m(1≤m≤37)个测量点的数据为Eym，则在第m个测量点测量的总功率Em为
Figure BDA0001889874760000061
在第m个测量点，测量得到的水平方向功率占总功率的比率为
Figure BDA0001889874760000062
4.2)确定理论计算的微波经过极化器反射后水平方向功率占总功率的比率
在高功率微波测量系统中，微波入射到极化器3上的角度为45度，入射波反射之后，反射波和入射波之间的关系为：
Figure BDA0001889874760000063
其中，Exi是入射波的水平方向电场分量，Eyi是入射波的竖直方向电场分量，Exr反射波的水平方向电场分量，Eyr是反射波的竖直方向电场分量，ξ＝tan-1(tanΦcosθ)，Φ为极化器3的旋转角度，θ为微波入射到极化器3上的角度，τ是相位差，j为虚数单位。
在高功率微波测量系统中，微波源输出的微波为水平线极化波(Exi＝1,Eyi＝0)，则有：
Figure BDA0001889874760000071
在第m个测量点，微波经过极化器3反射后，反射波的水平方向电场分量为Exrm,竖直方向电场分量为Eyrm，则水平方向功率占总功率的比率为：
Figure BDA0001889874760000072
比较ηm和γm，当37组数据全部吻合时，则表明过极化器3满足设计要求。

Claims (6)

1.一种高功率微波极化参数的测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1：对第一定向耦合器(6)和第二定向耦合器(9)进行初始标定；
步骤2：对微波极化参数测量系统进行安装
2.1)固定第一传输线直角弯头(2)，使得第一传输线直角弯头(2)的一个直角边与第一圆波导(1)连接，另一个直角边与第二圆波导(4)连接，第一圆波导(1)的轴线与第二圆波导(4)的轴线垂直相交于第一传输线直角弯头(2)斜面的中心，第一传输线直角弯头(2)的斜面朝右上，极化器(3)安装在斜面上，入射波a经过第一圆波导(1)传输到极化器(3)上，经过反射之后微波方向改变，为竖直方向的微波b；
2.2)固定第二传输线直角弯头(5)，使得第二传输线直角弯头(4)的一个直角边与第二圆波导(5)连接，另一个直角边与第三圆波导(7)连接，第二圆波导(2)的轴线与第三圆波导(7)的轴线垂直相交于第二传输线直角弯头(5)斜面的中心，第二传输线直角弯头(5)的斜面朝右上，垂直耦合方向的第一定向耦合器(6)安装在斜面上，微波b经过第二圆波导(4)传输到第一定向耦合器(6)上，经过反射之后微波方向改变，为水平方向的微波c；
2.3)固定第三传输线直角弯头(8)，使得第三传输线直角弯头(8)的一个直角边与第三圆波导(7)连接，另一个直角边与第四圆波导(10)连接，第三圆波导(7)的轴线与第四圆波导(10)的轴线垂直相交于第三传输线直角弯头(8)斜面的中心，第三传输线直角弯头(8)的斜面朝右下，水平耦合方向的第一定向耦合器(6)安装在斜面上，微波c经过第三圆波导(7)传输到第三传输线直角弯头(9)上，经过反射之后微波方向改变，为竖直方向的微波d；
步骤3：测量极化器(3)的特性
所述的旋转极化器(3)，记录下第一定向耦合器(6)、第二定向耦合器(9)的测量数据，当极化器从0度旋转到180度的时候，该组数据则测试完成；
步骤4：对测量的数据与理论计算的数据进行对比，以此来检验极化器是否满足设计要求；
第一定向耦合器(6)为水平耦合方向，第二定向耦合器(9)为竖直耦合方向；
所述的步骤4包括：
4.1)确定实验测量的微波经过极化器后水平方向功率占总功率的比率
设测量的数据分为第一定向耦合器(3)采集的第
Figure FDA0003331398860000021
个测量点的数据为Exm和第二定向耦合器(6)采集的第
Figure FDA0003331398860000022
个测量点的数据为Eym，则在第m个测量点测量的总功率Em为
Figure FDA0003331398860000023
在第m个测量点，测量得到的水平方向功率占总功率的比率为
Figure FDA0003331398860000024
4.2)确定理论计算的微波经过极化器后水平方向功率占总功率的比率
在第m个测量点，微波经过极化器(3)反射后，反射波的水平方向电场分量为Exrm,竖直方向电场分量为Eyrm，则理论计算的微波经过极化器后水平方向功率占总功率的比率为
Figure FDA0003331398860000025
比较ηm和γm，当
Figure FDA0003331398860000026
组数据全部吻合时，则表明过极化器(3)满足设计要求。
2.如权利要求1所述的一种高功率微波极化参数的测量方法，其特征在于：在步骤3中，将极化器(3)的初始方向设置为槽纹方向平行于入射波电场方向。
3.如权利要求2所述的一种高功率微波极化参数的测量方法，其特征在于：极化器(3)旋转时按照逆时针方向旋转。
4.如权利要求3所述的一种高功率微波极化参数的测量方法，其特征在于：极化器(3)是通过旋转角度来改变微波的极化特性。
5.如权利要求4所述的一种高功率微波极化参数的测量方法，其特征在于：测量极化器(3)时，以M度作为一个测量点，极化器(3)从0度旋转到180度，记录下每个测量点测量到的数据。
6.如权利要求5所述的一种高功率微波极化参数的测量方法，其特征在于：M为0.1～30。
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