CN112687501A - 一种应用于主动拒止的w波段大功率微波源系统 - Google Patents
一种应用于主动拒止的w波段大功率微波源系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112687501A CN112687501A CN202011562311.9A CN202011562311A CN112687501A CN 112687501 A CN112687501 A CN 112687501A CN 202011562311 A CN202011562311 A CN 202011562311A CN 112687501 A CN112687501 A CN 112687501A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- power
- output
- input
- frequency
- amplifier
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Microwave Amplifiers (AREA)
Abstract
本发明公开了一种应用于主动拒止的W波段大功率微波源系统，包括频率源、放大器、功率分配器、多个扩展互作用速调管、功率合成器和定向天线；频率源产生激励信号，经过放大器放大后再通过功率分配器分配到多个扩展互作用速调管中分别放大，经所述多个扩展互作用速调管分别放大后，通过功率合成器输出到定向天线进行对外辐射等；本发明解决了传统回旋电子管需要高磁场强度，造成微波输出需要长时间准备以及体积庞大等问题；提高了微波输出功率以及能量转换效率；通过采用径向波导功率合成，提高了功率合成效率以及相位一致性，可满足主动拒止系统对发射信号高功率、高效率、反应快、体积小的指标要求。
Description
技术领域
本发明涉及微波主动拒止系统的微波源领域，更为具体的，涉及一种应用于主动拒止的W波段大功率微波源系统。
背景技术
微波主动拒止属于一种威慑类非致命武器，该武器利用电磁波的热敏效应，采用定向天线，将电磁波照射至人体皮肤，使其产生难以忍受的热疼痛感而终止敌对行动。
大功率微波源作为主动拒止系统的组成部分，其作用是将外部二次电源提供的直流电能转化为高频电磁波，电磁波的输出功率对主动拒止系统的作用距离起决定作用。同时，电能与电磁波能的转换效率将决定微波源的结构尺寸以及二次电源和散热系统的体积，最终决定整个主动拒止武器装备的大小。现有技术中，采用回旋电子管的方案需要高磁场强度，容易造成微波输出需要长时间准备，以及体积庞大等问题；
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种应用于主动拒止的W波段大功率微波源系统，解决了传统回旋电子管需要高磁场强度，造成微波输出需要长时间准备以及体积庞大等问题；提高了微波输出功率以及能量转换效率；通过采用径向波导功率合成，提高了功率合成效率以及相位一致性，可满足主动拒止系统对发射信号高功率、高效率、反应快、体积小的指标要求。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
一种应用于主动拒止的W波段大功率微波源系统，包括频率源、放大器、功率分配器、多个扩展互作用速调管、功率合成器和定向天线；频率源产生激励信号，经过放大器放大后再通过功率分配器分配到多个扩展互作用速调管中分别放大，经所述多个扩展互作用速调管分别放大后，通过功率合成器输出到定向天线进行对外辐射。
进一步地，所述频率源包括晶振、第一倍频器、DDS模块、滤波器、鉴相器、环路滤波器、VCO模块、第二倍频器和分频器；晶振的输出端与第一倍频器的输入端连接，第一倍频器的输出端与DDS模块的输入端连接，DDS模块的输出端与滤波器的输入端连接，滤波器的输出端与鉴相器的第一输入端连接，鉴相器的输出端与环路滤波器的输入端连接，环路滤波器的输出端与VCO模块的输入端连接，VCO模块的第一输出端与第二倍频器的输入端连接，第二倍频器的输出端与放大器的输入端连接，分频器的输入端与VCO模块的第二输出端连接，分频器的输出端与鉴相器的第二输入端连接。
进一步地，功率分配器等额分配放大器放大后的信号，然后传输至四个扩展互作用速调管。
进一步地，所述放大器包括氮化镓固态功率放大器。
进一步地，所述扩展互作用速调管包括电子枪，以及在电子枪内部的阴极、聚焦极，电子枪与输入结构连接，输入结构与漂移管和谐振腔7连接，漂移管与谐振腔连接，输出结构和收集极连接；电子注由电子枪发出后，经输入结构、漂移管、谐振腔到达输出结构和收集极连接。
进一步地，所述定向天线包括多馈源、双偏置反射面天线。
本发明的有益效果是：
本发明解决了传统回旋电子管需要高磁场强度，造成微波输出需要长时间准备以及体积庞大等问题；提高了微波输出功率以及能量转换效率；通过采用径向波导功率合成，提高了功率合成效率以及相位一致性，可满足主动拒止系统对发射信号高功率、高效率、反应快、体积小的指标要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的W波段高功率微波源系统的结构框图；
图2为本发明的固态频率源的结构示意图；
图3为本发明的四路径向波导空间功率分配/合成器结构模型图；
图4为本发明的扩展互作用速调管的结构示意图；
图中，电子枪1、阴极2、聚焦极3、输入结构4、电子注5、漂移管6、谐振腔7、输出结构8、收集极9。
具体实施方式
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
如图1～4所示，一种应用于主动拒止的W波段大功率微波源系统，包括频率源、放大器、功率分配器、多个扩展互作用速调管、功率合成器和定向天线；频率源产生激励信号，经过放大器放大后再通过功率分配器分配到多个扩展互作用速调管中分别放大，经所述多个扩展互作用速调管分别放大后，通过功率合成器输出到定向天线进行对外辐射。
进一步地，所述频率源包括晶振、第一倍频器、DDS模块、滤波器、鉴相器、环路滤波器、VCO模块、第二倍频器和分频器；晶振的输出端与第一倍频器的输入端连接，第一倍频器的输出端与DDS模块的输入端连接，DDS模块的输出端与滤波器的输入端连接，滤波器的输出端与鉴相器的第一输入端连接，鉴相器的输出端与环路滤波器的输入端连接，环路滤波器的输出端与VCO模块的输入端连接，VCO模块的第一输出端与第二倍频器的输入端连接，第二倍频器的输出端与放大器的输入端连接，分频器的输入端与VCO模块的第二输出端连接，分频器的输出端与鉴相器的第二输入端连接。
进一步地，功率分配器等额分配放大器放大后的信号，然后传输至四个扩展互作用速调管。
进一步地，所述放大器包括氮化镓固态功率放大器。
进一步地，所述扩展互作用速调管包括电子枪1，以及在电子枪1内部的阴极2、聚焦极3，电子枪1与输入结构4连接，输入结构4与漂移管6和谐振腔7连接，漂移管6与谐振腔7连接，输出结构8和收集极9连接；电子注5由电子枪1发出后，经输入结构4、漂移管6、谐振腔7到达输出结构8和收集极9连接。
进一步地，所述定向天线包括多馈源、双偏置反射面天线。
在本发明的其他实施例中，根据拒止系统指标分解，本套微波功率放大与合成系统的工作频率在W波段，系统输出功率数十千瓦，功率放大器的电能转换效率可达20％，电磁波功率合成效率可达80％。为达上述指标，本套功率放大与合成系统采用扩展互作用速调管(EIK)和径向波导空间功率合成方案。
在功率放大部分，本方案采用结构紧凑、体积小的扩展互作用速调管作为微波信号源，EIK是一种可工作于太赫兹波段并具有高功率输出的器件，它集合了行波管和速调管的优点。
在功率合成部分，本方案采用了四路的径向波导空间功率合成方法来实现高效率与高功率合成技术的突破，径向多通道功率合成克服了传统的二进制波导电桥结构在多级级联之后合成效率下降的技术瓶颈。
在微波源工作过程中，通过固态频率源产生激励信号，经过固态放大器将信号进行放大；然后通过功率分配器将信号均分成4路，作为4支EIK器件的输入信号；信号经过EIK放大后，通过功率合成器输出可用于拒止系统的大功率微波信号。该系统主要由三部分组成：1.固态频率源及放大模块；2.四路径向波导空间功率合成模块；3.扩展互作用速调管。微波源系统拓扑结构如图1所示。
固态频率源及驱动放大模块，频率源是电子系统的基本信号来源，是电子设备的心脏。本发明实施例所使用的频率源输出频段为W波段。为保证后续EIK电真空管的稳定工作，防止产生管内干扰与自激，要求频率源输出的激励信号相位噪声低于-100dBc/Hz@1kHz，杂散抑制大于60dBc。结合现有技术以及元器件选型，该频率源方案如图2所示。
W波段高频信号的产生采用了直接数字频率合成(DDS)与锁相环电路(PPL)技术，确保能达到低相噪低杂散的指标要求。恒温晶振输出的兆赫兹级的低频信号经过N倍频后，得到吉赫兹级的射频信号；将其输入DDS器件，作为其参考输入。DDS技术采用了全数字化内部电路结构，通过上位机输入相应频率值至FPGA或单片机，控制DDS的输出频率。在本频率源中，DDS的输出频率为几百兆赫兹，该输出信号经过滤波后进入PLL。锁相环电路的功能是把压控振荡器(VCO)的输出信号锁定在输入基准频率上，该技术最基本的四个组成部分为鉴相器、环路滤波器、VCO以及分频器。PLL电路是一个典型的全反馈控制系统，外部输入信号与分频器输出的内反馈信号进行相位比较，产生误差相位，进而形成误差电压，误差电压经过环路滤波器后形成控制电压，对VCO进行控制，实现PLL输出信号对输入参考信号的反馈跟踪。在本频率源中，PLL的输出频率为几吉赫兹，该输出信号经过倍频后产生W波段激励信号。激励信号经过氮化镓固态功率放大器，可输出几瓦量级的微波信号，用于驱动EIK电真空器件工作。
四路径向波导空间功率分配/合成器，受限于EIK真空电子管的体积大小，单支EIK电子管的输出功率为几十千瓦量级，为了使拒止系统获得更大的威力范围，就必须考虑功率合成技术。微波功率合成的技术难点在于控制多路合成信号间的相位一致性，同时也应关注功率合成效率。经过驱动放大模块输出的几瓦级微波信号，经过波导传输至功率分配器，经过功率的等额分配，信号传输至4支同批次的EIK电子管。本发明实施例系统采用了一种新型的径向波导空间功率分配/合成结构，其结构模型如图3所示。
该功率分配/合成器率分配器在工作频段内，S11低于-20dB,S21大于-6.5dB,功率合成效率高于90％。波导腔体采用黄铜材料加工，表面镀金。在加工之前先采用电磁仿真软件进行模型仿真。
扩展互作用速调管，就目前技术发展而已，在高频、高功率容量级方面，电真空器件具有绝对的优势。作为电真空器件的一类——扩展互作用速调管(EIK)，具有高效率、高增益和自激易于抑制等优点。EIK主要由电子光学系统、高频系统、输入输出系统等组成，通过对电子注进行调制实现信号放大，扩展互作用速调管结构如图3所示。
EIK的基本结构主要包括电子枪、高频谐振系统、磁聚焦系统、输入输出结构以及收集极。电子枪的工作机理是利用阴阳极的电压差发射电子注，通过对聚焦极的设计来约束电子注的形状。高频谐振系统有多个谐振腔组成，其主要作用是促使电子注在谐振腔内与慢波线互作用，把电子注的电子能量转换为电磁波能量。磁聚焦系统的作用是确保由电子腔发射出来的电子受到洛伦兹力作用，使电子受到的库仑力、洛伦兹力以及圆周运动的向心力达到平衡，确保电子注在一定的半径通过高频谐振系统。收集极用来回收与高频谐振系统互作用后的电子注。
为了达到主动拒止系统对目标区域的远距离作用效果,本套微波源系统通过采用扩展互作用速调管(EIK)以及径向波导空间功率合成技术，解决了传统回旋电子管需要高磁场强度(为达到高场强，通常需要采用低温超导技术)，造成微波输出需要长时间准备时间以及体积庞大等问题。通过采用EIK电子管，提高了微波输出功率以及能量转换效率；通过采用径向波导功率合成，提高了功率合成效率以及相位一致性。最终设计出来的微波源可满足主动拒止系统对发射信号高功率、高效率、反应快、体积小的指标要求。
在本发明的其他实施例中，本发明功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，在一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)以及相应的软件中执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、或者光盘等各种可以存储程序代码的介质，进行测试或者实际的数据在程序实现中存在于只读存储器(Random AccessMemory，RAM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)等。
Claims (6)
1.一种应用于主动拒止的W波段大功率微波源系统，其特征在于，包括频率源、放大器、功率分配器、多个扩展互作用速调管、功率合成器和定向天线；频率源产生激励信号，经过放大器放大后再通过功率分配器分配到多个扩展互作用速调管中分别放大，经所述多个扩展互作用速调管分别放大后，通过功率合成器输出到定向天线进行对外辐射。
2.根据权利要求1所述的一种应用于主动拒止的W波段大功率微波源系统，其特征在于，所述频率源包括晶振、第一倍频器、DDS模块、滤波器、鉴相器、环路滤波器、VCO模块、第二倍频器和分频器；晶振的输出端与第一倍频器的输入端连接，第一倍频器的输出端与DDS模块的输入端连接，DDS模块的输出端与滤波器的输入端连接，滤波器的输出端与鉴相器的第一输入端连接，鉴相器的输出端与环路滤波器的输入端连接，环路滤波器的输出端与VCO模块的输入端连接，VCO模块的第一输出端与第二倍频器的输入端连接，第二倍频器的输出端与放大器的输入端连接，分频器的输入端与VCO模块的第二输出端连接，分频器的输出端与鉴相器的第二输入端连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种应用于主动拒止的W波段大功率微波源系统，其特征在于，功率分配器等额分配放大器放大后的信号，然后传输至四个扩展互作用速调管。
4.根据权利要求3所述的一种应用于主动拒止的W波段大功率微波源系统，其特征在于，所述放大器包括氮化镓固态功率放大器。
5.根据权利要求1所述的一种应用于主动拒止的W波段大功率微波源系统，其特征在于，所述扩展互作用速调管包括电子枪(1)，以及在电子枪(1)内部的阴极(2)、聚焦极(3)，电子枪(1)与输入结构(4)连接，输入结构(4)与漂移管(6)和谐振腔(7)连接，漂移管(6)与谐振腔(7)连接，输出结构(8)和收集极(9)连接；电子注(5)由电子枪(1)发出后，经输入结构(4)、漂移管(6)、谐振腔(7)到达输出结构(8)和收集极(9)连接。
6.根据权利要求1所述的一种应用于主动拒止的W波段大功率微波源系统，其特征在于，所述定向天线包括多馈源、双偏置反射面天线。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011562311.9A CN112687501B (zh) | 2020-12-25 | 2020-12-25 | 一种应用于主动拒止的w波段大功率微波源系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011562311.9A CN112687501B (zh) | 2020-12-25 | 2020-12-25 | 一种应用于主动拒止的w波段大功率微波源系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112687501A true CN112687501A (zh) | 2021-04-20 |
| CN112687501B CN112687501B (zh) | 2023-03-21 |
Family
ID=75451791
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202011562311.9A Active CN112687501B (zh) | 2020-12-25 | 2020-12-25 | 一种应用于主动拒止的w波段大功率微波源系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112687501B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114421108A (zh) * | 2021-12-23 | 2022-04-29 | 航天科工微电子系统研究院有限公司 | 一种用于主动拒止的w波段多路波导功率合成系统 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5504393A (en) * | 1994-04-29 | 1996-04-02 | Litton Systems, Inc. | Combination tuner and second harmonic suppressor for extended interaction klystron |
| WO2010129657A1 (en) * | 2009-05-05 | 2010-11-11 | Varian Medical Systems, Inc. | Multiple output cavities in sheet beam klystron |
| CN107833816A (zh) * | 2016-09-15 | 2018-03-23 | 万睿视影像有限公司 | 真空电子装置漂移管 |
-
2020
- 2020-12-25 CN CN202011562311.9A patent/CN112687501B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5504393A (en) * | 1994-04-29 | 1996-04-02 | Litton Systems, Inc. | Combination tuner and second harmonic suppressor for extended interaction klystron |
| WO2010129657A1 (en) * | 2009-05-05 | 2010-11-11 | Varian Medical Systems, Inc. | Multiple output cavities in sheet beam klystron |
| CN107833816A (zh) * | 2016-09-15 | 2018-03-23 | 万睿视影像有限公司 | 真空电子装置漂移管 |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| 吴洋等: "W波段扩展互作用速调管放大器的模拟与设计", 《物理学报》 * |
| 张永鸿等: "W波段小型化锁相源", 《电子科技大学学报》 * |
| 杨金生等: "用于空间太阳能电站的大功率正交场微波源分析", 《空间电子技术》 * |
| 胡林林等: "毫米波 /太赫兹扩展互作用速调管放大器的应用及研究进展", 《电子学报》 * |
| 顾玲等: "主动拒止武器系统的概述", 《真空电子技术》 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114421108A (zh) * | 2021-12-23 | 2022-04-29 | 航天科工微电子系统研究院有限公司 | 一种用于主动拒止的w波段多路波导功率合成系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112687501B (zh) | 2023-03-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Parker et al. | Vacuum electronics | |
| Schamiloglu | High power microwave sources and applications | |
| Abrams et al. | Vacuum electronics for the 21st century | |
| Dumbrajs et al. | Coaxial gyrotrons: past, present, and future | |
| Guo et al. | Operation of a highly overmoded, harmonic-multiplying, wideband gyrotron amplifier | |
| CN115148565B (zh) | 采用慢波提取装置的三轴相对论速调管放大器 | |
| Lin et al. | A 0.3 THz Multi-Beam Extended Interaction Klystron Based on TM 10, 1, 0 Mode Coaxial Coupled Cavity | |
| CN112687501B (zh) | 一种应用于主动拒止的w波段大功率微波源系统 | |
| Wang et al. | Analysis and simulation of a gigawatt-class Ka-band radial transit time oscillator | |
| Yin et al. | Preliminary Circuit Analysis of a $ W $-Band High-Power Extended Interaction Oscillator With Distributed Hollow Electron Beam | |
| Steer et al. | A 263 GHz 10 Watt pulsed extended interaction klystron amplifier | |
| Okress | Microwave power engineering: generation, transmission, rectification | |
| Guo et al. | Operation of a high performance, harmonic-multiplying, inverted gyrotwystron | |
| Ding et al. | An overview of multibeam klystron technology | |
| Walter et al. | Design of a frequency-doubling, 35-GHz, 1-MW gyroklystron | |
| Fliflet et al. | Development of high power CARM oscillators | |
| Tallerico et al. | The gyrocon: A high-efficiency, high-power microwave amplifier | |
| Zhou et al. | Cascaded relativistic magnetron with phase-locked multiport extraction | |
| Xu et al. | Review of the high-power vacuum tube microwave sources based on Cherenkov radiation | |
| Beringer et al. | Further design steps towards a 4 MW 170 GHz coaxial-cavity gyrotron | |
| Beringer et al. | 2.5: Design of major components for a 4 MW 170 GHz coaxial-cavity gyrotron | |
| Zhong et al. | Multi-Physical Parameter Particle Simulation Analysis of Ka Band Gyro-TWT | |
| Gouveia et al. | Current status of gyroklystron research at the University of Maryland | |
| RU48672U1 (ru) | Свч генератор широкополосных шумоподобных колебаний на виртуальном катоде | |
| Song et al. | A large orbit electron gun design for a terahertz harmonic gyrotron |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |