CN112531312B - 一种用于提高功率输出的微波合成装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于提高功率输出的微波合成装置，属于微波技术领域。包括主波导和多个相同的副波导，多个副波导沿主波导的轴向分布，主波导与副波导的材质均为金属，且主波导的微波模式与副波导的微波模式相同；各个副波导的一端均设有输入端口，其输出端口均设有用于防止能量输出的短路面，且各个副波导的短路面位于同侧；主波导与副波导输入端口的同侧设有用于防止能量输出的短路面；副波导与主波导共有的连接面上开设有将主波导内腔与副波导内腔连通的耦合缝，耦合缝用于将多个副波导内的微波源耦合进入主波导内从而增大输出功率。本发明的能将多台高功率微波源高效耦合，进而达到放大功率的目的。

Description

一种用于提高功率输出的微波合成装置
技术领域
本发明属于微波技术领域，更具体地，涉及一种用于提高功率输出的微波合成装置。
背景技术
微波是无线电波，通常是定义在300MHz-300GHz频率范围内的电磁波，它是一个比普通无线电波段的波长更短(频率更高)的波段，故名微波。它的波长大概在1mm到1m之间，根据波长的大小将它分为分米波，厘米波和毫米波。随着微波技术的发展，1mm波长以下的亚毫米波也称为微波。波的频率是由波源决定的，因此同一频率的波在不同介质中的频率是不变的，但波长和传播速度是变化的。微波在其传播过程中，若所遇物体的几何尺寸大于或可与波长相比拟时，就会产生反射，波长越短，传播特性越与几何光学相似。普通无线电波会被高空中的电离层所吸收或被反射回来，而微波则能够穿过电离层传播至外层空间。电视广播、卫星通信、宇宙航行、射电天文学，以及受控热核反应中的等离子体的参数测量等，都是利用了微波的这一特性才能得以实现的；而且利用微波还可以将太空中太阳能发电站的电能传送到地面，以供实用。微波的频率很高，因此可利用的频带较宽、信息容量大，这些优点让微波通信获得了广泛的应用与发展，尤其在战争时期，微波得到了迅猛的发展，例如雷达、导弹系统的运用[2-6]正是微波原理的发展，在历史的发展下，微波逐渐由军用转民用，已经成为现代通信传输的三大支柱之一。微波的频率很高，因此，低频范围(普通无线电波段)内所使用的元(器)件，对于微波已不再适用，而必须研制适用于微波的元(器)件。微波可以深入到某些物质的内部、并与分子和原子产生相互作用，利用这一特性可以探测物质的内部结构。某些物质吸收微波后会产生热效应，因此可利用微波作为加热和烘干的手段，其特点是，微波的穿透性强，可深入物质内部，加热速度快而均匀，从而在工农业和食品业等部门得到了广泛的应用。除此而外，微波的热效应和非热效应在化学、生物学和医学等领域的应用前景也是十分广阔的。
高功率微波是一个不断发展的概念，传统的高功率微波是指功率超过100MW，频率在1～300GHz之内的电磁波。发展到至今，从平均功率的角度出发，每个脉冲电磁波的能量大于1J也属于高功率微波的范畴。高功率微波源大致分为两类：超宽带的高功率微波源与窄带的高功率微波源。超宽带高功率微波类似核电脉冲与雷电脉冲，但是比雷电脉冲与核电脉冲具有更快的上升前沿和更窄的脉冲宽度，其频谱的范围也更宽。窄带高功率微波源又可区分为以加速器驱动的高功率微波源和调制器驱动的高功率微波源，前者主要包括相对论返波管，相对论宿调管，相对论磁控管，磁绝缘振荡器，虚阴极，后者主要的代表为回旋管。如今，高功率微波技术已经较为成熟，当下研究重点是它的应用需求，研制各类适用HPM的器件刻不容缓。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于提高功率输出的微波合成装置，由此解决现有微波合成器能量传输率低的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于提高功率输出的微波合成装置，包括：主波导和多个相同的副波导；
多个副波导沿所述主波导的轴向分布；所述主波导与所述副波导的材质均为金属，且主波导的微波模式与所述副波导的微波模式相同；
各个副波导的一端均设有输入端口，其输出端口均设有用于防止能量输出的短路面，且各个副波导的所述短路面位于同侧；
所述主波导与所述副波导输入端口的同侧设有用于防止能量输出的短路面；
所述副波导与所述主波导共有的连接面上开设有将所述主波导内腔与所述副波导内腔连通的耦合缝，所述耦合缝用于将多个副波导内的微波源耦合进入所述主波导内从而增大输出功率。
优选地，所述主波导的轴向上对称分布有四个副波导，且每个副波导所在主波导直径的另一侧均具有一根与其呈轴对称的副波导。
优选地，所述四个副波导的输出端口平齐也位于同一平面，所述主波导与所述副波导错位设置。
优选地，所述主波导为圆波导，所述副波导为圆波导。
优选地，所述主波导的波导模为TE11模，所述副波导的波导模为TE11模。
优选地，所述主波导和所述副波导的半径均为25mm，所述主波导和所述副波导的长度均为900mm。
优选地，所述主波导和所述副波导的材质为铜。
优选地，所述耦合缝的长度为：
Figure BDA0002807326590000031
其中K为主波导与副波导的耦合系数，k为模式数差。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明设计的四路高功率微波合成装置，在耦合模的基础上，利用通道合成，使四路高功率微波合成到同一个通道中输出，从而提高输出的总功率；
2、本发明中的主波导和副波导采用空心金属的圆波导结构，功率容量大，满足高功率微波传输的条件；
3、本发明采用的微波模式为TE11模式，适合于天线辐射模式，TE11模式具有垂直极化和水平极化两种模式，并且这两种模式耦合系数相差极大，根据正交模式极化理论，可以实现极高的隔离度，这样使副波导彼此之间隔离度高，能量均在主波导中传输，提高了合成效率；
4、本发明采用连续长缝耦合结构，这种结构在工程中易于实现，并通过设计合适的耦合缝宽度，从而实现高隔离度，进而极大的减少了高阶模的产生。
附图说明
图1是本发明实施例提出的用于提高功率输出的微波合成装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提出的用于提高功率输出的微波合成装置的侧截面示意图；
图3是本发明实施例提出的用于提高功率输出的微波合成装置的正截面示意图；
图4是本发明实施例提出的用于提高功率输出的微波合成装置的纵向电场分布图；
图5是本发明实施例提出的用于提高功率输出的微波合成装置的横向电场分布图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参考图1至图3所示，图1示出了用于提高功率输出的微波合成装置具有4个副波导的结构示意图，图2示出了用于提高功率输出的微波合成装置的侧视截面图，图3示出了用于提高功率输出的微波合成装置的正视截面图。
如图1所示，本发明提出了一种用于提高功率输出的微波合成装置，包括主波导和分布于所述主波导轴向方向上的4个完全一样的副波导，4个副波导分别设有输出端口1、输出端口2、输入端口3和输入端口4,4个输入端口平齐且位于同一平面。所述主波导与所述副波导错开设置，即所述主波导的输出端口相对凸出所述副波导的输出端口。
具体的，所述主波导与所述副波导相错开的距离为150mm。
优选地，本实施例中微波合成装置适用于X频段，X频段的频率为9-10GHz，中心频率为9.5GHz。
更进一步的说明，所述主波导和所述副波导均为圆波导结构，并且所述主波导和所述副波导选用的波导模为TE11模。TE11模是适合圆波导传输的模式，并且它有水平极化和垂直极化两种状态，两种极化状态耦合系数相差极大，根据设计模型的对称性结构，想要将能量从一个波导传输到另一个波导，根据耦合缝开口结构方向决定，因而根据每个副波导位置，输入合适的TE11极化波，本结构设计中，主通道左右方向的副通道是对应输入垂直极化TE11微波，主通道上下方向的副通道是对应输入水平极化TE11微波。
具体的，为了使能量在波导内部传输并且不会透过波导，所述主波导和所述副波导的材料为铜。
其中，根据频率与光速对应公式r＝c/f确定所述主波导与所述副波导的半径r均为25mm。由于狭长的波导利于能量的传输，所述主波导与所述副波导的长度均为900mm。
更进一步的说明，为了避免波导的非必要能量输出，所述主波导的输入端口以及4个副波导的输出端口均做短路处理，通过设置所述短路面避免能量输出损耗。
进一步地，所述副波导与所述主波导共有的连接面上开设有将所述主波导内腔与所述副波导内腔连通的耦合缝，所述耦合缝用于将多个副波导内的微波源耦合进入所述主波导内从而增大输出功率。
如图2所示，4个副波导与主波导之间分别通过耦合缝1、耦合缝2、耦合缝3以及耦合缝4连通。所述耦合缝与所述主波导的短路面相距50mm。
根据耦合波理论，耦合度的强弱与波导半径、微波频率和模式及耦合缝的宽度密切相关。具体而言，当微波频率和模式固定时，波导的半径越大，同等耦合缝宽条件下耦合度越弱，能量全部耦合所需时间越长。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。波导耦合功率的公式为：
Figure BDA0002807326590000061
Figure BDA0002807326590000062
其中，Pa和Pb分别为主副波导中的功率。
当[K2+(Δk)2]1/2z＝π/2时，Pa(Z)功率比达到最大值，即两个导模之间实现最大的功率转换，即耦合缝长度为：
Figure BDA0002807326590000063
其中K为主波导与副波导的耦合系数，k为模式数差。
如图3所示，最终计算得到的耦合缝长度Lc＝700mm，耦合缝宽度n＝6mm。
从图4和图5可以看出，4个副波导中输入的功率，均通过耦合缝耦合到主波导中，并在主波导中合成输出，实现输出功率的增大。
本发明实施例所提出的用于提高功率输出的微波合成装置是通过以下方法制作：
S1，确定选用的频段的频率9-10GHz，中心频率为9.5GHz；S2,确定合成装置的模型为圆波导，一共选用5个波导管，中间为主通道，其他副通道对称性设置在主通道的轴线方向；S3，确定波导选用的材料为铜，铜作为波导材料可以使能量在波导管内部传输，不会透过波导管；S4，确定选用的波导半径r＝25mm，根据频率与光速对应公式r＝c/f，最后优化设计，确定半径，由于狭长的波导利于能量传输，选用的波导长度L＝900mm；S5，确定耦合缝的长度和宽度；S6，确定选用的波导模为TE11；S7，波导的端口是5个端口，其中4个输入端口和1个输出端口，其他可能造成能量输出部分，均设为短路面，将4个副波导的末端设为短路面和主波导的前端做成短路处理。
通过以上方法和步骤，即可得到本发明实施例所提出的微波合成装置。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于提高功率输出的微波合成装置，其特征在于，包括：主波导和多个相同的副波导；
多个副波导沿所述主波导的轴向分布；所述主波导与所述副波导的材质均为金属，且主波导的微波模式与所述副波导的微波模式相同；
各个副波导的一端均设有输入端口，其输出端口均设有用于防止能量输出的短路面，且各个副波导的所述短路面位于同侧；
所述主波导与所述副波导输入端口的同侧设有用于防止能量输出的短路面；
所述主波导和所述副波导为直段波导且所述主波导与所述副波导错位设置；
所述副波导与所述主波导共有的连接面上开设有将所述主波导内腔与所述副波导内腔连通的耦合缝，所述耦合缝与所述主波导的短路面相距50mm，所述耦合缝用于将多个副波导内的微波源耦合进入所述主波导内从而增大输出功率；
所述耦合缝的长度为：
Figure FDA0003475888490000011
其中K为主波导与副波导的耦合系数，k为模式数差。
2.根据权利要求1所述的一种用于提高功率输出的微波合成装置，其特征在于，所述主波导的轴向上对称分布有四个副波导，且每个副波导所在主波导直径的另一侧均具有一根与其呈轴对称的副波导。
3.根据权利要求2所述的一种用于提高功率输出的微波合成装置，其特征在于，所述四个副波导的输出端口平齐也位于同一平面。
4.根据权利要求1或3所述的一种用于提高功率输出的微波合成装置，其特征在于，所述主波导为圆波导，所述副波导为圆波导。
5.根据权利要求4所述的一种用于提高功率输出的微波合成装置，其特征在于，所述主波导的波导模为TE11模，所述副波导的波导模为TE11模。
6.根据权利要求5所述的一种用于提高功率输出的微波合成装置，其特征在于，所述主波导和所述副波导的材质为铜。
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