CN114006141A - 一种长脉冲高功率毫米波三端口功率分配光栅 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种长脉冲高功率毫米波三端口功率分配光栅，包括：三端口微波腔体组件和微波光栅组件。三端口微波腔体组件包含微波腔本体、波导臂和腔体盖，微波光栅组件斜插入至三端口微波腔体组件内。当毫米波由端口A进入后，到达光栅时，与光栅栅格片垂直的极化分量将沿着原来方向继续传输至端口B输出，与栅格片平行的极化分量将被90°反射至端口C方向输出，从而实现微波功率分配。功率分配比例与入射波的极化方向有关，灵活控制极化方向即可灵活调节功率分配比例。本发明用于毫米波岩石钻探实验研究中，在极化调节设备配合使用情况下，可以实时调节由波源回旋管输出的高功率毫米波功率在两支路的比例，从而可以实现对加热岩石毫米波功率快速、大范围调控。

Description

一种长脉冲高功率毫米波三端口功率分配光栅
技术领域
本发明涉及微波破岩钻探研究中的高功率微波技术领域，具体涉及一种长脉冲高功率毫米波三端口功率分配光栅。
背景技术
利用高功率微波加热熔化岩石实现地下快速破岩是一种全新的钻探技术，具有潜在技术优势，而毫米波具有准光学特性，微波能量集中，波长短，更易于深入至介质内部，在加热熔化岩石方面具有明显的优势。回旋管是长脉冲高功率毫米波系统的重要组成部分，其功能是产生长脉冲高功率的微波能量，在国际核聚变等离子体加热实验研究过程中，已研制成功110～170GHz长脉冲兆瓦级回旋管。其中借助于140GHz长脉冲兆瓦级回旋管，现已初步建成毫米波岩石钻探研究实验平台。毫米波钻岩技术尚属实验研究阶段，其加热功率需要由低至高实时灵活可调，以探索岩石和毫米波最佳耦合功率，但兆瓦级回旋管目前尚属于在研产品，其功率输出与控制尚未达到成熟稳定，更不能实现实时可调，此其一。其二，对于当前研制阶段的回旋管特性而言，千瓦级的小功率输出更加难以稳定控制。当较大功率直接辐射至岩石时，极易击穿岩石样品周围空间的空气介质，使其形成等离子体。不仅造成高功率大反射，损坏回旋管，也将使微波能量无法作用在岩石样品上，故而不能实现岩石快速加热熔化，乃至汽化。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种长脉冲高功率毫米波三端口功率分配光栅，在毫米波极化控制设备的配合下，可以实时灵活调节由波源回旋管输出的高功率毫米波功率在两支路的比例，从而实现对加热岩石的毫米波功率快速、大范围调控，保障了高功率毫米波破岩钻井技术研究顺利进行。本发明还可以应用到各种高功率微波系统，如微波通讯、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。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种长脉冲高功率毫米波三端口功率分配光栅，
该三端口功率分配光栅包括：三端口微波腔体组件和微波光栅组件；
所述三端口微波腔体组件包括微波腔本体、波导臂和腔体盖，所述波导臂和腔体盖分别通过螺栓连接至微波腔本体，连接处采用橡胶密封以保持三端口微波腔体组件内高真空状态，所述微波腔本体集成有主动冷却通道用于移除长脉冲高功率运行时产生的热量；所述波导臂包括三个，其中两个为微波腔本体自带的波导臂，所述三个波导臂形成T型结构，所述两个波导臂的端口分别为端口A、端口B，另一波导臂的端口为端口C；
所述微波光栅组件由微波光栅和冷却夹套组成，所述微波光栅嵌焊于冷却夹套内，冷却夹套用于移除热量；所述微波光栅组件以45°斜插入至所述三端口微波腔体组件内；
当毫米波功率由端口A输入，经微波光栅分解后，按照一定的比例分别由端口B和端口C输出；当入射波束极化方向不同时，毫米波功率分配至端口B和端口C的比例也将不同，从而实现功微波率分配功能。
进一步的，所述端口A、端口B分别位于微波腔本体两端，且端口A与端口C之间、端口B与端口C之间的夹角均为90°；当毫米波由端口A进入微波腔本体并到达所述微波光栅时，与微波光栅的栅格片垂直的极化分量将沿着原来方向继续传输至端口B输出，与栅格片平行的极化分量将被90°反射至端口C方向输出。
进一步的，所述微波光栅为钨铜合金材质，水冷夹套为铜合金材质。
三端口微波腔体组件主体材料为铝合金材质，配件为不锈钢和橡胶等材质。
进一步的，在极化调节设备的配合使用下，可以实时灵活调节由波源回旋管输出的高功率毫米波功率在两支路的比例，从而可以实现对加热岩石毫米波功率快速、大范围调控。
本发明具有以下有益效果：
以往在高功率毫米波岩石钻探研究中，由于兆瓦级回旋管还不能稳定可靠的以千瓦级小功率输出毫米波功率，也不能实现输出功率实时灵活可调，导致研究实验难以进行。本发明应用于毫米波岩石钻探研究系统中，通过极化调节设备与本发明的配合使用，可以实时灵活调节由波源回旋管输出的高功率毫米波功率在两支路的比例，从而可以实现对加热岩石毫米波功率快速、大范围调控，保障了高功率毫米波破岩钻井技术研究顺利进行。
附图说明
图1.1为本发明的总体示意图；
图1.2为本发明的总体半剖示意图；
图2.1为本发明的三端口微波腔体组件示意图；
图2.2为本发明的三端口微波腔体组件半剖示意图；
图3.1为本发明的微波光栅组件示意图；
图3.2为本发明的微波光栅组件剖视图；
图4为本发明的光栅功率分配示意图。
其中：三端口微波腔体1，微波光栅组件2，微波腔本体1-1、波导臂1-2、腔体盖1-3，微波光栅2-1，冷却夹套2-2，冷却水管2-3。
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1.1-图4，本发明的一种长脉冲高功率毫米波三端口功率分配光栅，包括：微波光栅组件2和三端口微波腔体1，微波光栅组件2位于三端口微波腔体1内，且微波光栅组件2以45°角斜插入至三端口微波腔体1内，以实现部分毫米波由端口A输入，经微波光栅2-1分解后，按照一定的比例分别由端口B和端口C输出。同时，该插入式结构也便于更换微波光栅组件这一核心组件。
参见图2.1和图2.2，三端口微波腔体组件由微波腔本体1-1、波导臂1-2、腔体盖1-3，以及真空和冷却水密封配件等组成。波导臂1-2和腔体盖1-3分别通过螺栓连接至微波腔本体1-1，之间采用橡胶密封保持系统内高真空状态，微波腔本体内集成有主动冷却通道，以移除高功率稳态运行时产生的热量。
参见图3.1和图3.2，微波光栅组件2由微波光栅2-1和冷却夹套2-2组成，微波光栅2-1嵌焊于冷却夹套2-2内，配上两根冷却水管2-3，以实现完整的冷却通道。微波光栅组件2以45°斜插入至三端口微波腔体组件1内，以实现毫米波功率比例分配，且易于更换。
所述波导臂与微波腔本体自带的两个波导臂，形成T型结构，三波导臂端口分别为端口A、端口B和端口C；所述端口A、端口B分别位于微波腔本体两端，且端口A与端口C之间、端口B与端口C之间的夹角均为90°。
本发明的工作原理是：参见图4，当毫米波由端口A进入，经过微波光栅2-1分解后，与光栅栅格片垂直的极化分量将沿着原来方向继续传输至端口B输出，与栅格片平行的极化分量将被90°反射至端口C(波导臂1-2)方向输出。在极化调节设备的配合使用下，可以实时灵活调节由波源回旋管输出的高功率毫米波功率在两支路的比例，从而可以实现对加热岩石毫米波功率快速、大范围调控。
尽管上面对本发明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，一切利用本发明的发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种长脉冲高功率毫米波三端口功率分配光栅，其特征在于，
该三端口功率分配光栅包括：三端口微波腔体组件和微波光栅组件；
所述三端口微波腔体组件包括微波腔本体、波导臂和腔体盖，所述波导臂和腔体盖分别通过螺栓连接至微波腔本体，连接处采用橡胶密封以保持三端口微波腔体组件内高真空状态，所述微波腔本体集成有主动冷却通道用于移除长脉冲高功率运行时产生的热量；所述波导臂包括三个，其中两个为微波腔本体自带的波导臂，所述三个波导臂形成T型结构，所述两个波导臂的端口分别为端口A、端口B，另一波导臂的端口为端口C；
所述微波光栅组件由微波光栅和冷却夹套组成，所述微波光栅嵌焊于冷却夹套内，冷却夹套用于移除热量；所述微波光栅组件以45°斜插入至所述三端口微波腔体组件内；
当毫米波由端口A输入，经微波光栅分解后，按照一定的比例分别由端口B和端口C输出；当入射波束极化方向不同时，毫米波功率分配至端口B和端口C的比例也将不同，从而实现微波功率分配功能。
2.根据权利要求1所述的一种长脉冲高功率毫米波三端口功率分配光栅，其特征在于，
所述端口A、端口B分别位于微波腔本体两端，且端口A与端口C之间、端口B与端口C之间的夹角均为90°；当毫米波由端口A进入微波腔本体并到达所述微波光栅时，与微波光栅的栅格片垂直的极化分量将沿着原来方向继续传输至端口B输出，与栅格片平行的极化分量将被90°反射至端口C方向输出。
3.根据权利要求1所述的一种长脉冲高功率毫米波三端口功率分配光栅，其特征在于，所述微波光栅为钨铜合金材质，水冷夹套为铜合金材质。
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