CN112763817B - 一种高功率毫米波输出窗测试及老炼装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种高功率毫米波输出窗测试及老炼装置，包括高功率毫米波源、吸收负载、反射光栅、介质窗片以及反射镜M1与反射镜M2，本发明利用金属反射光栅对以准高斯模式传播的高功率电磁波进行分束，提取一部分波束形成行波谐振环，通过调整行波谐振环使之工作于谐振状态，从而推算介质窗片的介电常数，同时利用行波谐振环的增益效果，实现在比微波源更高的等效功率条件下对介质窗片进行筛选和老炼。可直接在高功率条件下对实际使用的介质窗片或介电窗组件进行参数测量，测量结果更符合实际情况；能够实现合格窗片的筛选，剔除存在缺陷且无法改良的窗片；能够在比微波源输出功率更高的等效功率条件下对窗片进行老炼，提升窗片的功率容量。

Description

一种高功率毫米波输出窗测试及老炼装置及方法

技术领域

本发明涉及输出窗测试及老炼领域，特别涉及一种高功率毫米波输出窗测试及老炼装置及方法。

背景技术

磁约束热核聚变实验研究中，需采用高功率毫米波进行电子回旋共振加热。高功率毫米波源通常为一种电真空器件(回旋管)，其内部为高真空环境。磁约束热核聚变实验装置主机内部也是一个真空室。因而，电磁波从毫米波源输出到进入主机真空室的过程中必须有真空封装的介质窗片隔离真空并有效地传输高功率毫米波。高功率毫米波传输时，对介质窗片提出了苛刻要求，设计不佳或存在缺陷都容易引起窗片损坏，造成系统停机。

对介质窗片的介电常数测量和对封装好的介质窗片进行有效筛选和老炼就显得十分重要。目前，通常利用矢量网络分析仪，采用谐振腔法、准光腔法、波导法测量介质窗片的介电常数、损耗角正切进行测量。而介质窗片的筛选和老炼则是直接封装在器件上或传输线上直接进行。

在毫米波段，现有的(包含介电常数和损耗角正切)测量方法只能在低功率条件下进行，而在高功率条件下，受介质窗片内部电磁波损耗影响，材料的介电常数和损耗角正切都将发生明显变化。因此，在低功率条件下测量的结果并不准确。而现有的老炼技术，只能随电真空管和传输线系统进行，不能提前筛选，一旦损坏，更换成本很高。尤其是电真空管本身的介质窗片发生损坏，则整个电真空管都将作废，这个代价太高。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，提供了一种高功率毫米波输出窗测试及老炼装置及方法，应用于高功率米波电真空器件或传输线上介质窗片的测量和老炼，本发明能够在高功率条件下对介质窗片的介电常数和损耗角正切进行测量，还可实现在高功率条件下对实际使用的窗片进行筛选，剔除功率容量不足的窗片，同时还能通过老炼提升介质窗片的功率容量，从而确保使用在电真空管或传输线上的介质窗片是满足功率容量要求的。

本发明采用的技术方案如下：一种高功率毫米波输出窗测试及老炼装置，包括高功率毫米波源、吸收负载、反射光栅、介质窗片以及反射镜M1与反射镜M2，所述反射光栅水平放置，高功率毫米波源设置在反射光栅上方，以斜45角准高斯波束入射到反射光栅；

反射光栅，用于将高功率毫米波源输出的一部分波束通过光栅的-1阶衍射波束方向传输，剩余部分经0阶衍射波束方向输出；

反射镜M1与反射镜M2，分别设置在反射光栅上方，用于将-1阶衍射波束方向的波束反射回反射光栅，通过调节两个反射镜位置将装置调整至谐振状态，与反射光栅一同构成毫米波准高斯波束的行波谐振环；

所述介质窗片为测试材料，测试时，垂直反射光栅平面并设置在反射光栅上方、反射镜M1与反射镜M2之间；

吸收负载，用于吸收经反射光栅分束输出的毫米波功率。

进一步的，所述反射镜M1、反射镜M2与反射光栅形成行波谐振环的具体过程为：入射波束经反射光栅进行分束后的-1阶衍射波束方向的波束经反射镜M2反射至反射镜M1，再由反射镜M1反射至反射光栅；重新反射回反射光栅的波束一部分再次向-1阶衍射波束方向输出(即对应往吸收负载方向)，剩余部分经0阶衍射波束方向传输(即反射镜M2方向)；

进一步的，所述反射镜M1与反射镜M2位置沿波束反射的法线方向进行移动。

进一步的，采用三个或以上反射镜组成行波谐振环。

本发明还提供了一种基于上述的高功率毫米波输出窗测试及老炼装置的测试及老炼方法，其特征在于，通过调整两个反射镜确定放入介质窗片前后的谐振状态，再通过谐振频率与行波谐振环的长度以及介质窗片的尺寸关系，计算得出介质窗片的介电常数，完成介电常数的测试；利用行波谐振环的功率增益效果，在高功率条件下对介质窗片进行筛选、老炼处理，将容易损坏或产生局部发光点且无法通过老炼改善的介质窗片剔除。

进一步的，所述介质窗片的介电常数具体计算方法为：行波谐振环的谐振频率为一系列频率峰，满足：

L＝Nλ＝Nc/f (1)

式中，L为微波在行波谐振环中传播一圈所经过的距离，N为正整数，c为光速，f为频率；当微波频率与谐振频率一致时，将会产生行波谐振，上式的意义为，谐振状态下，行波谐振环长度L是微波波长(c/f)的整数倍；

微波在介质中传播时，波长会发生改变，满足：

式中，ε为介质介电常数；

在行波谐振放入介质材料时，通过调节反射镜位置调整行波谐振环长度，使其重新处于谐振状态，此时：

式中，L₁为调整后的行波谐振环长度，δ为介质材料厚度，用于输出窗的介质材料厚度约等于λ_ε/2的整数倍，N₁为正整数；

(1)、(3)式相减，可得：

式中，ΔL为行波谐振环长度变化量，根据反射镜位置调整量计算得出，ΔN为微波在行波谐振环中的周期变化数，通过控制ΔL调整ΔN为0或者±1，从而求解得出介电常数ε。

与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：

a)可直接在高功率条件下对实际使用的介质窗片或介电窗组件进行参数测量，测量结果更符合实际情况。

b)能够实现合格窗片的筛选，剔除存在缺陷且无法改良的窗片。

c)能够在比微波源输出功率更高的等效功率条件下对窗片进行老炼，提升窗片的功率容量。

附图说明

图1是本发明提出的高功率毫米波输出窗测试及老炼装置正视图。

图2是本发明提出的高功率毫米波输出窗测试及老炼装置俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

用金属反射光栅对以准高斯模式传播的高功率电磁波进行分束，提取一部分波束形成行波谐振环，通过调整行波谐振环使之工作于谐振状态，从而推算介质窗片的介电常数，同时利用行波谐振环的增益效果，实现在比微波源更高的等效功率条件下对介质窗片进行筛选和老炼。具体方案如下：

如图1、2所示，一种高功率毫米波输出窗测试及老炼装置，包括高功率毫米波源、吸收负载、反射光栅、介质窗片以及反射镜M1与反射镜M2，所述反射光栅水平放置，高功率毫米波源设置在反射光栅上方，以斜45角准高斯波束入射到反射光栅；

反射光栅，用于将高功率毫米波源输出的一部分波束通过光栅的-1阶衍射波束方向传输，剩余部分经0阶衍射波束方向输出至吸收负载；

反射镜M1与反射镜M2，分别设置在反射光栅上方，用于将-1阶衍射波束方向的波束反射回反射光栅，通过调节两个反射镜位置将装置调整至谐振状态，与反射光栅一同构成毫米波准高斯波束的行波谐振环；

所述介质窗片为测试材料，测试时，垂直反射光栅平面并设置在反射光栅上方、反射镜M1与反射镜M2之间；

吸收负载，用于吸收经反射光栅分束输出的毫米波功率。

其中，所述反射镜M1与反射镜M2反射过程为：入射波束经反射光栅进行分束后的-1阶衍射波束方向的波束经反射镜M2反射至反射镜M1，再由反射镜M1反射至反射光栅；重新反射回反射光栅的波束一部分再次向-1阶衍射波束方向输出(即对应往吸收负载方向)，剩余部分经0阶衍射波束方向传输(即反射镜M2方向)。

所述测试及老炼装置具体工作过程为：

高功率毫米波源输出准高斯波束，以斜45角入射到反射光栅；反射光栅将高功率毫米波源输出的一部分波束通过光栅的-1阶衍射波束方向传输，剩余部分经0阶衍射波束方向输出；-1阶衍射波束方向传输的波束经过反射镜M1和M2进行反射回反射光栅，同时，通过调节两个反射镜将系统调整至谐振状态；重新反射回光栅的波束将再一次分成-1阶衍射波束方向传输，剩余部分经0阶衍射波束方向输出。如此循环往复，反射光栅、反射镜M1、反射镜M2和介质窗片就一同构成了毫米波准高斯波束的行波谐振环。

所述反射镜M1与反射镜M2位置可沿波束反射的法线方向进行移动。

在一个优选实施例中，可以采用三个或以上反射镜组成行波谐振环。

在行波谐振环内，处于谐振状态时，由于行波谐振环的增益效果，波束的传输功率将会大于高功率毫米波源的输出功率。

因此，在该装置上，可以实现在高功率条件下对介质窗片的介电常数进行测量。通过调整两个反射镜确定放入介质窗片前后的谐振状态，再通过谐振频率与行波谐振环的长度以及介质窗片的尺寸关系，利用通用的物理学知识就可以计算得出介质窗片的介电常数。

利用行波谐振环的功率增益效果，亦可在高功率条件下对介质窗片进行筛选、老炼处理。容易损坏或产生局部发光点且无法通过老炼改善的介质窗片将被剔除。能够满足高功率传输的介质窗片或老炼后能够满足要求的介质窗片可继续使用。

本发明还提供了一种基于上述的高功率毫米波输出窗测试及老炼装置的测试及老炼方法，其特征在于，通过调整两个反射镜确定放入介质窗片前后的谐振状态，再通过谐振频率与行波谐振环的长度以及介质窗片的尺寸关系，计算得出介质窗片的介电常数，完成介电常数的测试；利用行波谐振环的功率增益效果，在高功率条件下对介质窗片进行筛选、老炼处理，将容易损坏或产生局部发光点且无法通过老炼改善的介质窗片剔除。

所述介质窗片的介电常数具体计算方法为：行波谐振环的谐振频率为一系列频率峰，满足：

L＝Nλ＝Nc/f (1)

式中，L为微波在行波谐振环中传播一圈所经过的距离，N为正整数，c为光速，f为频率；当微波频率与谐振频率一致时，将会产生行波谐振，上式的意义为，谐振状态下，行波谐振环长度L是微波波长(c/f)的整数倍；

微波在介质中传播时，波长会发生改变，满足：

式中，ε为介质介电常数；

在行波谐振放入介质材料时，通过调节反射镜位置调整行波谐振环长度，使其重新处于谐振状态，此时：

式中，L₁为调整后的行波谐振环长度，δ为介质材料厚度，用于输出窗的介质材料厚度约等于λ_ε/2的整数倍，N₁为正整数；

(1)、(3)式相减，可得：

式中，ΔL为行波谐振环长度变化量，根据反射镜位置调整量计算得出，ΔN为微波在行波谐振环中的周期变化数，通过控制ΔL调整ΔN为0或者±1，从而求解得出介电常数ε。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

本说明书中公开的所有特征，或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。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (6)

1.一种高功率毫米波输出窗测试及老炼装置，其特征在于，包括高功率毫米波源、吸收负载、反射光栅、介质窗片以及反射镜M1与反射镜M2，所述反射光栅水平放置，高功率毫米波源设置在反射光栅上方，以斜45角准高斯波束入射到反射光栅；

反射光栅，用于将高功率毫米波源输出的一部分波束通过光栅的-1阶衍射波束方向传输，剩余部分经0阶衍射波束方向输出；

反射镜M1与反射镜M2，分别设置在反射光栅上方，用于将-1阶衍射波束方向的波束反射回反射光栅，通过调节两个反射镜位置将装置调整至谐振状态，与反射光栅一同构成毫米波准高斯波束的行波谐振环；

所述介质窗片为测试材料，测试时，垂直反射光栅平面并设置在反射光栅上方、反射镜M1与反射镜M2之间；

吸收负载，用于吸收经反射光栅分束输出的毫米波功率；

通过调整两个反射镜确定放入介质窗片前后的谐振状态，再通过谐振频率与行波谐振环的长度以及介质窗片的尺寸关系，计算得出介质窗片的介电常数；在高功率条件下对介质窗片进行筛选、老炼处理，将容易损坏或产生局部发光点且无法通过老炼改善的介质窗片剔除。

2.根据权利要求1所述的高功率毫米波输出窗测试及老炼装置，其特征在于，所述反射镜M1、反射镜M2与反射光栅形成行波谐振环的具体过程为：入射波束经反射光栅进行分束后的-1阶衍射波束方向的波束经反射镜M2反射至反射镜M1，再由反射镜M1反射至反射光栅；重新反射回反射光栅的波束一部分再次向-1阶衍射波束方向，即吸收负载方向输出，剩余部分经0阶衍射波束方向，即反射镜M2方向传输；反复循环形成行波谐振环。

3.根据权利要求2所述的高功率毫米波输出窗测试及老炼装置，其特征在于，所述反射镜M1与反射镜M2位置沿波束反射的法线方向进行移动。

4.根据权利要求1所述的高功率毫米波输出窗测试及老炼装置，其特征在于，采用三个或以上反射镜组成行波谐振环。

5.一种基于权利要求1-3任一项所述的高功率毫米波输出窗测试及老炼装置的测试及老炼方法，其特征在于，通过调整两个反射镜位置，确定放入介质窗片前后的谐振状态，再通过谐振频率与行波谐振环的长度以及介质窗片的尺寸关系，计算得出介质窗片的介电常数，完成介电常数的测试；利用行波谐振环的功率增益效果，在高功率条件下对介质窗片进行筛选、老炼处理，将容易损坏或产生局部发光点且无法通过老炼改善的介质窗片剔除。

6.根据权利要求5所述的高功率毫米波输出窗测试及老炼装置的测试及老炼方法，其特征在于，所述介质窗片的介电常数具体计算方法为：行波谐振环的谐振频率为一系列频率峰，满足：

L＝Nλ＝Nc/f (1)

式中，L为微波在行波谐振环中传播一圈所经过的距离，N为正整数，c为光速，f为频率，λ为波长；当微波频率与谐振频率一致时，将会产生行波谐振，上式的意义为，谐振状态下，行波谐振环长度L是微波波长c/f的整数倍；

微波在介质中传播时，波长会发生改变，满足：

式中，ε为介质介电常数；

在行波谐振放入介质材料时，通过调节反射镜位置调整行波谐振环长度，使其重新处于谐振状态，此时：

式中，L₁为调整后的行波谐振环长度，δ为介质材料厚度，用于输出窗的介质材料厚度约等于λ_ε/2的整数倍，N₁为正整数；

(1)、(3)式相减，可得：

式中，ΔL为行波谐振环长度变化量，根据反射镜位置调整量计算得出，ΔN为微波在行波谐振环中的周期变化数，通过控制ΔL调整ΔN为0或者±1，从而求解得出介电常数ε。

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