CN111490325A - 一种s波段百千瓦级稳态高功率隔离器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种S波段百千瓦级稳态高功率隔离器，包括：上组件、下组件，其中，上组件、下组件分别包括半电桥、半功分器、半移相段、半魔T、半法兰，上组件和下组件中间通过螺栓相连；组件间通过装配在纵向密封槽里面的密封圈橡胶密封；上下组件波导外壁上分别设置有主动水冷结构；上组件、下组件内部分别设置有上、下半移相段，磁场发射器分别位于上、下半移相段的外侧，所述隔离器各个端面处焊接有法兰；磁场发射器发射的磁场用于磁化隔离器上、下组件内部腔体中铁氧体片，并通过调节磁场大小，实现调节波正向传输与反向传输的相位差。通过以上设计，提高了隔离器的功率容量。

Description

一种S波段百千瓦级稳态高功率隔离器

技术领域

本发明涉及高功率微波技术领域，涉及一种新型稳态高功率隔离器。

背景技术

隔离器是高功率微波系统的关键器件，主要利用隔离器的正向传输、反向隔离特性，吸收微波系统终端反射的高功率微波能量。大功率微波源发射的高功率微波经过隔离器传送到系统终端，而终端反射的微波能量传送到隔离器后被吸收，不仅有效保护了大功率微波源，延长了微波源的使用寿命，还提高了整个微波系统的灵活性。隔离器广泛应用在雷达、电子对抗、通信领域，功率水平集中在十几到几十千瓦，脉宽仅仅几个毫秒量级。受控核聚变装置中的微波系统需连续运行百千瓦级的功率水平上，目前没有百千瓦级稳态隔离器满足系统需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何实现隔离器的高功率连续运行问题，本发明的隔离器吸收核聚变装置实验期间，由于等离子密度、温度等参数改变，导致等离子体负载和天线失配引起的反射功率，从而实现对微波源的有效保护和提高了微波系统在实验过程中灵活度，同时隔离器对反射功率的吸收作用，使系统摆脱微波源受反射功率阈值限制而引起的被动保护关断，极大提升了系统的性能，提高了系统的灵活度。本发明可以应用到各种高功率微波系统，如军用雷达系统、电子对抗系统，还可以应用到大功率微波科学实验研究领域。因此该发明填补了百千瓦级稳态高功率隔离器领域的空白。

本发明提出的技术方案为：一种S波段百千瓦级稳态高功率隔离器，包括：

上组件、下组件，其中，上组件、下组件分别包括半电桥、半功分器、半移相段、半魔T、半法兰，上组件和下组件中间通过螺栓相连；组件间通过装配在纵向密封槽里面的密封圈橡胶密封；上下组件波导外壁上分别设置有主动水冷结构；上组件、下组件内部分别设置有上、下半移相段，磁场发射器分别位于上、下半移相段的外侧，所述隔离器各个端面处焊接有法兰。

磁场发射器发射的磁场用于磁化隔离器上、下组件内部腔体中铁氧体片，并通过调节磁场大小，实现调节波正向传输与反向传输的相位差。

进一步的，上组件包括上半电桥、上半功分器、上半移相段、上半魔、上半法兰，沿上组件的轴设置有筋板，将上组件内部分为两个腔体；主体波导采用BJ26波导，端口采用台阶变换的方式过渡到BJ22波导，以便于和聚变装置的微波系统装配。

进一步的，整个上组件用一整块铜板，采用数控一次加工方式完成，上功分器用斜变换替代台阶变换，避免电磁场在台阶转角处叠加，每个腔体中分别采用焊接方式加载2条铁氧体，上组件中共有4四条铁氧体片，微波能量均匀对称分布在铁氧体片上；上组件纵向端面是平面结构，且沿纵向均匀分布直径φ10的第一螺孔和直径φ8的第二螺孔，用于上、下组件和外部磁场的装配；上组件外壁设计有冷却水槽；通过一体化焊接，将上半功分器、上半魔T垂直段波导、上半水冷盖板、上半法兰焊接在组件上。

进一步的，下组件包括下半电桥、下半功分器、下半移相段、下半魔T、下半法兰、下半魔T段是平面结构,无垂直波导开口；下组件的纵向端面设置有密封槽。

进一步的，主动水冷却结构，上、下组件的波导外壁都设计了冷却水槽，上、下组件共有8条独立水槽；铁氧体到水冷槽的垂直间距不大于2.5mm，上、下组件中的四个水槽在两端口通过一个汇流器汇聚成一路，再通过上下跨接连接器将上下水冷并联起来。

进一步的，磁场发射器包括下磁场发射器、上磁场发射器，分别位于隔离器的上、下组件外侧，每个发射器包括磁钢、A3盖板，A3盖板是铁磁材料，用以固定磁钢；A3盖板上开深度为1mm的限位槽，限制相邻两条磁钢因为引力或者斥力引起的位置改变，同时在A3盖板加工有螺栓孔，用以固定装配上、下A3铁磁盖板。

进一步的，上磁场发射器的磁场按：N极/S极/S极/N极顺序排列，下磁场发射器中与之对应的磁场按：S极/N极/N极/S极顺序排列，磁钢位于铁氧体片的正上方的水槽垂直上方，因此对应的铁氧体片的正上方形成一个完整的磁化磁场，磁化腔体中的铁氧体片。

进一步的，隔离器设置有纵向和横向两种密封，采用交叉密封方式的密封结构，上、下两个组件通过螺栓装配时压紧至紧密贴合，横向密封槽用来密封两个端面的法兰，纵向密封槽用来密封上、下组件；横向和纵向密封圈通过胶结方式连接在一起。

进一步的，每个半法兰上加工有两个螺孔、两个销孔和密封槽，密封槽包括平面槽和切面槽两部分。

本发明采用四端口差相移式结构，差相移式结构隔离器由3dB功分器、移相器、魔T和电桥四部分组成。传统隔离器采用各个组件单独加工，组件间通过法兰连接。不仅加工程序复杂，而且各个组件误差控制极难保持一致性，组件之间互相连接时，很容易存在的台阶、缝隙，在高功率运行时容易起弧打火。因此本发明采用上下组件的一体化集成设计方式，将整个隔离器在波导窄边中间沿纵向分为上、下两个组件，每个组件一体化一次加工，易于内腔加工精度保持一致性。每个组件涵盖半3dB功分器、半移相器、半魔T，上下组件中间通过螺栓相连。通过微波结构的优化设计、铁氧体材料的合理选取、外部构建适当的冷却结构实现器件的高功率、稳态运行功能。

有益效果：

本发明可以应用于各种高功率微波系统，如核聚变低杂波系统、雷达系统，可以有效保护微波源和提升系统的使用灵活性。该发明还同样可以应用于各种科学实验研究。本发明在2.45GHz/100kW高功率测试系统上得到验证。整个测试系统由100kW微波源、测试功率的定向耦合器、100kW大功率水负载以及相应探测保护设备组成。将隔离器放置在微波源和水负载之间，隔离器两端各安装一个定向耦合器，用来测量功率和损耗。整个测试过程中，隔离器完全能满足100kW稳态运行要求，高功率状态下损耗0.4dB。

附图说明

图1本发明的总体外观图；

图2本发明的上组件结构示意图；

图3本发明的下组件结构示意图；

图4本发明的剖面示意图；

图5本发明的磁场发射器示意图；

图6本发明的半法兰示意图；

图7本发明的汇流器；

图8本发明的跨接连接器；

图9本发明高功率测试原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

根据本发明的一个实施例，参见图1，本发明突破传统设计方式，采用上下组件的一体化集成设计方式，将整个隔离器在波导窄边中间沿纵向分为上、下组件，上、下组件中间通过螺栓相连；组件间通过装配在纵向密封槽里面的密封圈橡胶密封。上下组件波导外壁上分别构建主动冷却结构。磁场发射器分别位于上、下半相段的外侧。隔离器通过焊接在各个端面处的法兰实现与系统的装配。因此本发明分为上组件和下组件、冷却结构、磁场发射器、密封结构、端接法兰六个部分。

参见图2，上组件1包含上半电桥5、上半功分器6、上半移相段7、上半魔T8、上半法兰9。沿组件的轴向厚度为6mm的筋板10将组件各分为两个腔体。为了减少驻波、增加带宽，主体波导采用BJ26波导11，端口采用台阶变换的方式过渡到BJ22波导12，以便于和聚变装置的微波系统装配。整个上组件用一整块铜板，采用数控一次加工方式完成。为了提升功率容量，功分器用斜变换替代台阶变换，避免电磁场在台阶转角处叠加。每个腔体中分别采用焊接方式加载2条铁氧体26，上组件中有四条铁氧体片，微波能量均匀对称分布在铁氧体片上。上组件纵向端面是平面结构，且沿纵向均匀分布直径φ10的第一螺孔15和直径φ8的第二螺孔16，用于上、下组件和外部磁场的装配。参见图4，组件外壁设计有冷却水槽24。整个组件加工工序完成后，通过一体化焊接，将功分器调谐器13、魔T垂直段波导14、水冷盖板25、半法兰9焊接在组件上。

参见图3，下组件2和上组件1结构大体相同。下组件包括下半电桥18、下半功分器19、下半移相段20、下半魔T21、下半法兰17。不同在于半魔T段是平面结构,无垂直波导开口；下组件的纵向端面有密封槽23(图4中密封槽剖面23)。

冷却结构，参见图4，上、下组件的波导外壁都设计了冷却水槽24，上、下组件共有8条独立水槽。为了保证散热效果，铁氧体26到水冷槽的垂直间距不大于2.5mm，根据热分析结果，在冷却水供水压力0.4～0.6MPa时，每条铁氧体对应的水槽截面积不小于80mm²即可满足散热需求，结合整体布局，水冷槽截面尺寸为13mm×5mm。上、下组件中的四个水槽在两端口通过一个汇流器汇3聚成一路，所述汇流器如图7，再通过上下跨接连接器4将上下水冷并联起来，所述跨接连接器参见图8所示。

磁场发射器，参见图5，磁场发射器包括上磁场发射器27、下磁场发射器28，分别位于隔离器的上、下组件外侧。每个发射器包括磁钢29、A3盖板30、31。A3盖板是铁磁材料，磁钢29可以吸附在铁磁物质上，用以固定磁钢29。在A3盖板30、31上开深度为1mm的限位槽，限制相邻两条磁钢因为引力或者斥力引起的位置改变。同时在A3盖板30、31上加工有螺栓孔，用以固定装配上、下A3铁磁盖板30、31。

上磁场发射器的磁场按：N极/S极/S极/N极顺序排列，下磁场发射器中与之对应的磁场按：S极/N极/N极/S极顺序排列，磁钢29位于铁氧体片的正上方的水槽垂直上方，因此对应的铁氧体片的正上方形成一个完整的磁化磁场，磁化腔体中的铁氧体片26。

密封结构，参见图6，为了保证良好的密封，必须保证上、下两个组件通过螺栓装配时压紧至紧密贴合，设计为宽槽密封结构。由于隔离器需要纵向和横向两种密封，因此采用交叉密封的方式。横向密封槽32用来密封两个端面的法兰，纵向密封槽35用来密封上、下组件。横向和纵向密封圈通过胶结方式连接在一起。纵向密封橡橡胶圈长度比密封槽尺寸略短，保证在紧密装配后纵向密封橡胶刚好延展至端面，即保证了上、下组件间能够完全贴合，实现了上、下组件间的良好电接触性，又保障了良好的密封功能。

端接法兰，参见图6，为了保障隔离器整体与外部的连接强度，除魔T端口外，其余三个法兰采用两个半法兰分别加工后再分别焊接在上、下组件上。每个半法兰上加工有两个螺孔33、两个销孔34和密封槽。密封槽包括平面槽32和切面槽35两部分。为了保障隔离器整体与外部的连接强度，隔离器四个端口的法兰采用316l。

本发明的工作原理是：隔离器在微波系统中起着传输正向波、吸收反向波的作用。微波信号从功分器一个端口输入后，被等分成幅度相同相位相差90度的两路信号后分别进入移相器的两个腔体中，在外磁场的作用下，移相器两个腔体中有90度的相位差，因此微波信号经过移相器后，变成等幅同相的两路信号输入到魔T中，由魔T的特性可知，等幅同相信号从两个E面水平端口输入，信号只能从与之同一个平面的另外一个端口输出，而垂直端口被隔离。从而实现信号的定向传输功能。对于反射波信号，从魔T水平端口输入，被等分成等幅同相的两路信号进入移相器，利用铁氧体的非互易性，移相器两个腔体中有-90度的相位差，因此微波合成信号在3dB的另外一个端口输出，避免了反射信号对微波源的损坏。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (9)

1.一种S波段百千瓦级稳态高功率隔离器，其特征在于，包括：

上组件、下组件，其中，上组件、下组件分别包括半电桥、半功分器、半移相段、半魔T、半法兰，上组件和下组件中间通过螺栓相连；组件间通过装配在纵向密封槽里面的密封圈橡胶密封；上下组件波导外壁上分别设置有主动水冷结构；上组件、下组件内部分别设置有上、下半移相段，磁场发射器分别位于上、下半移相段的外侧，所述隔离器各个端面处焊接有法兰。

磁场发射器发射的磁场用于磁化隔离器上、下组件内部腔体中铁氧体片，并通过调节磁场大小，实现调节波正向传输与反向传输的相位差。

2.根据权利要求1所述的一种S波段百千瓦级稳态高功率隔离器，其特征在于：

上组件包括上半电桥、上半功分器、上半移相段、上半魔、上半法兰，沿上组件的轴设置有筋板，将上组件内部分为两个腔体；主体波导采用BJ26波导，端口采用台阶变换的方式过渡到BJ22波导，以便于和聚变装置的微波系统装配。

3.根据权利要求2所述的一种S波段百千瓦级稳态高功率隔离器，其特征在于：

整个上组件用一整块铜板，采用数控一次加工方式完成，上功分器用斜变换替代台阶变换，避免电磁场在台阶转角处叠加，每个腔体中分别采用焊接方式加载2条铁氧体，上组件中共有四条铁氧体片，微波能量均匀对称分布在铁氧体片上；上组件纵向端面是平面结构，且沿纵向均匀分布的第一螺孔和第二螺孔，用于上、下组件和外部磁场的装配；上组件外壁设计有冷却水槽；通过一体化焊接，将上半功分器、上半魔T垂直段波导、上半水冷盖板、上半法兰焊接在组件上。

4.根据权利要求2所述的一种S波段百千瓦级稳态高功率隔离器，其特征在于：

所述下组件包括下半电桥、下半功分器、下半移相段、下半魔T、下半法兰、下半魔T段是平面结构,无垂直波导开口；下组件的纵向端面设置有密封槽。

5.根据权利要求2所述的一种S波段百千瓦级稳态高功率隔离器，其特征在于：

主动水冷却结构中，上、下组件的波导外壁都设计了冷却水槽，上、下组件共有8条独立水槽；铁氧体到水冷槽的垂直间距不大于2.5mm，上、下组件中的四个水槽在两端口通过一个汇流器汇聚成一路，再通过上下跨接连接器将上下水冷并联起来。

6.根据权利要求2所述的一种S波段百千瓦级稳态高功率隔离器，其特征在于：

磁场发射器包括下磁场发射器、上磁场发射器，分别位于隔离器的上、下组件外侧，每个发射器包括磁钢、A3盖板，A3盖板是铁磁材料，用以固定磁钢；A3盖板上开深度为1mm的限位槽，限制相邻两条磁钢因为引力或者斥力引起的位置改变，同时在A3盖板加工有螺栓孔，用以固定装配上、下A3铁磁盖板。

7.根据权利要求6所述的一种S波段百千瓦级稳态高功率隔离器，其特征在于：

上磁场发射器的磁场按：N极/S极/S极/N极顺序排列，下磁场发射器中与之对应的磁场按：S极/N极/N极/S极顺序排列，磁钢位于铁氧体片的正上方的水槽垂直上方，因此对应的铁氧体片的正上方形成一个完整的磁化磁场，磁化腔体中的铁氧体片。

8.根据权利要求6所述的一种S波段百千瓦级稳态高功率隔离器，其特征在于：

隔离器设置有纵向和横向两种密封，采用交叉密封方式的密封结构，上、下两个组件通过螺栓装配时压紧至紧密贴合，横向密封槽用来密封两个端面的法兰，纵向密封槽用来密封上、下组件；横向和纵向密封圈通过胶结方式连接在一起。

9.根据权利要求6所述的一种S波段百千瓦级稳态高功率隔离器，其特征在于：

每个半法兰上加工有两个螺孔、两个销孔和密封槽，密封槽包括平面槽和切面槽两部分。

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