CN114839448B - 一种基于扼流耦合结构的高功率微波在线测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于扼流耦合结构的高功率微波在线测量装置，属于高功率微波测量技术领域。该装置包括主传输波导、耦合缝隙、扼流槽、同轴电探针、可更换式探针固定片；通过耦合缝隙将电磁波弱耦合到扼流槽中，并结合同轴电探针实现微波信号的取样测量，解决了传统高功率微波在线测量装置结构复杂加工难度大、功率容量低的问题。同时，由于该高功率微波在线测量装置结构紧凑、方便装卸、密封性能好，能够轻松的胜任各种高功率微波源的在线测量工作，具有很大的应用前景。

Description

一种基于扼流耦合结构的高功率微波在线测量装置

技术领域

本发明属于高功率微波测量技术领域，具体涉及一种基于扼流耦合结构的高功率微波在线测量装置。

背景技术

从实用型高功率微波测量装置角度出发，高功率微波测量装置的发展主要集中在以下方面：(1)装置的小型化和紧凑化；(2)高功率容量；(3)低响应延时；(4)宽工作频带；(5)长使用寿命；(6)安装使用便捷。高功率微波具有功率高、脉冲持续时间短、单脉冲等特点，这些特点决定了高功率微波不能采用常规微波测量的方法来进行功率的测量。为了满足高功率微波测量的发展需求，具有结构紧凑、高功率容量、低响应时延、宽工作频带等特点的高功率微波测量装置成为人们重点研究目标。

微波功率测量主要分为三大类别：吸收式功率测量、辐射式功率测量、耦合式功率在线测量。进行高功率微波功率测量，要求微波效应元器件对微波能量或信号的响应非常迅速，以便能对纳秒级的高功率微波作出反应，减小由于响应延迟而带来的测量误差。常规吸收式微波功率测量方法，由于其热平衡时间远超过高功率微波脉冲持续时间，该方法不再适用于高功率微波功率测量。

目前高功率微波功率测量广泛应用辐射式功率测量和耦合式在线功率测量，其目的都是通过测量小功率信号间接得到大功率信号。2002年，国防科技大学利用辐射式总衰减量测量法对他们研制的切伦科夫振荡器—锥形放大管的输出功率进行了测试，测得的功率为230MW。2002年，西北核技术研究所开展过用耦合式电探针测量相对论返波管输出功率的研究，并测到了400MW至800MW以上的功率，与俄罗斯制造的功率探头测量结果相比，两者的相对误差在15％以下。2008年，中国工程物理研究院采用辐射式数值积分法，对双频磁绝缘线振荡器的输出功率测量结果进行计算，得到在两个频率上的功率分别是398MW和222MW，该磁绝缘线振荡器的输出总功率就是620MW。2008年，电子科技大学曹乃胜深入研究了耦合式定向耦合器，设计出的孔耦合定向耦合器，4孔定向耦合器的功率容量为71.8MW，8孔定向耦合器的功率容量为2990MW。

在进行单端口输出高功率微波功率测量时，其中由于测量方法简单快捷，只需在远场架设接收喇叭接收微波信号并通过计算可得到微波功率，辐射式功率测量应用最为广泛。然而，辐射式功率测量存在着明显的不足：1)需在较大场地进行测试，才能满足其远场测试要求；

2)在进行多端口输出功率测量时，由于多端口同时对外辐射微波，存在微波干扰，无法对多端口微波输出系统的单个端口输出功率进行准确测量；3)对外部环境的改变较为敏感，导致测量精度的下降。因此，针对多端口高功率输出系统而言，耦合式在线功率测量装置才能胜任其功率测量要求。目前国内外研发的高功率微波耦合式在线测量装置主要采用多孔耦合定向耦合器、电磁探针耦合器。

定向耦合器作为一种四端口元件在微波测量领域广泛应用，多孔阵列定向耦合器是基于小孔耦合理论和相位叠加原理，主波导上的微波通过小孔耦合到副波导上，当小孔间距满足一定的条件时，可以使向正向传输的场通过同相叠加而增强，同时使向反向传输的场通过反相叠加而相消，从而实现微波的定向传输。定向耦合器具备良好的工作带宽、较大的功率容量的优点，然而其缺点也较为明显，其良好的工作带宽是以牺牲体积紧凑化作为代价，特别是工作在低频段的定向耦合器，其结构尺寸往往过于庞大，使得整个测量装置过于冗杂，对后期的测量工作带来诸多的不变。除此之外，作为四端口的定向耦合器在实际测量中，主波导的两端接入传输链路的两端，副波导正向端口接波导同轴转换器，副波导正向端口接匹配负载，波导同轴转换器、匹配负载的使用增加了测量装置的额外开销，使得实际测试中装置的使用便捷度大大下降。再者，由于定向耦合器结构复杂，必将带来较大的加工难度，特别是工作在真空环境下，对小孔处的密封处理尤为关键，稍有不慎则会导致漏气，大大降低其工作性能。

电磁探针耦合器作为三端口元件，其通过电探针或磁探针在传输链路中进行电场耦合或磁场耦合，耦合一小部分微波功率进行测量，再通过冷测标定值计算传输链路中的大功率微波功率，由于其结构简单、使用方便、加工难度小深受人们的喜爱。但是，电磁探针耦合器存在着明显的缺陷——功率容量低，由于局部的场增强效应，当传输链路中的微波功率过高，电磁探针耦合器在开孔处或探针尖端的电场强度过大而发生电场击穿，出现打火现象，导致实测波形变形，测量不准，甚至损坏测量装置。电磁探针耦合器存在功率容量的限制，主要用于MW级别以下微波功率测量，无法满足GW级的功率测量需求。

发明内容

为了克服上述技术存在的不足，本发明提出了一种基于扼流耦合结构的高功率微波在线测量装置，将改进的扼流耦合结构应用于高功率微波在线测量。通过耦合缝隙将电磁波弱耦合到扼流槽中，并结合同轴电探针实现微波信号的取样测量，解决了传统高功率微波在线测量装置结构复杂加工难度大、功率容量低的问题。同时，由于该高功率微波在线测量装置结构紧凑、方便装卸、密封性能好，能够轻松的胜任各种高功率微波源的在线测量工作，具有很大的应用前景。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于扼流耦合结构的高功率微波在线测量装置，其特征在于，包括主传输波导、耦合缝隙、扼流槽、同轴电探针、可更换式探针固定片；

所述主传输波导为矩形波导；

所述耦合缝隙为设置于主传输波导宽边的矩形耦合缝隙，且垂直于主传输波导传输方向，用于实现主传输波导中微波的弱耦合；

所述扼流槽为平行于主传输波导的矩形腔体结构，其一端与耦合缝隙连通形成L形结构，使弱耦合得到的微波信号在扼流槽中形成驻波；

所述同轴电探针的内导体伸入扼流槽中，对微波信号进行取样测量；

所述可更换式探针固定片，中部设置有开孔，用于固定同轴电探针，通过更换不同厚度的探针固定片调节探针在扼流槽中的深度，改变耦合度。

进一步地，所述耦合缝隙、扼流槽的宽边与主传输波导的宽边尺寸相同。

进一步地，所述扼流槽沿轴向的长度为λ/4，所述耦合缝隙的高度为λ/4，λ为电磁波在主传输波导的波长。

进一步地，所述耦合缝隙沿轴向的间距为1～20mm；所述扼流槽的高度为1～20mm。

进一步地，所述可更换式探针固定片厚度为1～50mm。

本发明的高功率微波在线测量装置的工作原理是：在主链路波导上传输的高功率微波，通过耦合缝隙发生弱耦合，使得小功率的微波进入扼流耦合结构，由于扼流槽末端是金属边壁，在传输线相当于短路面，且缝隙的长度和扼流槽的长度满足四分之一的波导波长，根据四分之一阻抗变换理论可知，扼流槽末端金属面为短路面，经过四分之一波导波长后，扼流槽和耦合缝隙的交界处为开路面，再经过四分之一波导波长后，耦合缝隙处为短路面，因此耦合缝隙不会切断主传输波导的边壁电流，不影响波导中微波信号的传输。微波在扼流槽中反射形成驻波，电压和电场的波腹点在扼流槽和耦合缝隙的交界处，电压和电场的波节点在扼流槽末端和耦合缝隙处。那么通过选取合适探针位置进行信号提取，避开电场最大值的位置，就能有效避免由于探针导致的局部场增强而导致的场击穿问题通过电探针对信号进行取样测量，再结合在线测量转置的冷测标定结果以及传输链路的各部分衰减量进行计算，从而得到高功率微波的各项指标。

本发明有益效果是：

(1)采用扼流耦合结构，减少了电场击穿的风险，有效提高了高功率微波在线测量装置的功率容量。

(2)高功率微波在线测量装置整体结构紧凑、方便装卸、密封性能好，克服了测量装置结构庞大冗余的问题，能够轻松的胜任各种高功率微波源的在线测量工作。

(3)该高功率微波在线测量装置具备一定的工作带宽，能够满足不同频点微波信号的测试要求，更具通用性。

(4)该高功率微波在线测量装置可直接应用于多端口输出的微波系统，同时检测多路微波信号，克服多端口输出微波信号干扰的问题。

附图说明

图1为实施例高功率微波在线测量装置的腔体结构示意图；

图2为实施例高功率微波在线测量装置的整体结构示意图；

图3为实施例高功率微波在线测量装置的纵向剖视图；

图4为实施例高功率微波在线测量装置的矩形连接块示意图；

图5为实施例高功率微波在线测量装置的尺寸标注图；

图6为高功率微波在线测量装置的耦合度图；

图7为高功率微波在线测量装置的反射系数图；

图8为高功率微波在线测量装置耦合缝隙的电场分布图；

附图标记说明：11、矩形波导；21、小法兰；22、小法兰固定螺丝通孔；23、小法兰密封槽；24、大法兰；25、大法兰固定螺丝通孔；26、大法兰密封槽；31、耦合缝隙；32、耦合缝隙沉头孔；41、扼流槽；51、可更换式探针固定片；52、可更换式探针固定片密封槽；61、同轴电探针；62、同轴电探针连接头。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的、优点以及技术思路，以下结合具体实施例，对本发明作进一步阐述。应当说明，以下给出的具体实例仅仅起到详细解释说明本发明的作用，并不限定本发明。

图1～图5为本实施例的高功率微波在线测量装置的结构示意图，该在线测量装置包括主传输波导、耦合缝隙、扼流槽、同轴电探针、可更换式探针固定片。

其中主传输波导为矩形波导，其宽边a＝72.14mm，长边b＝34.04mm，长度X＝100mm；加工装配时，主传输波导分为左右两部分，并通过大法兰固定连接。其中一侧的主传输波导在连接处的宽边设置有一个矩形腔，矩形连接块通过沉头孔固定在腔体内，该矩形连接块用实现耦合缝隙、扼流槽的加工装配。其中大法兰直径φ6＝200mm，厚度L3＝10mm，固定螺丝通孔φ4＝8.4mm；密封槽内径φ7＝153.5mm，φ8＝166.5mm，深度L4＝2.5mm；沉头孔的长度C3＝45mm。

主传输波导与前后级器件通过小法兰连接，小法兰的直径φ1＝140mm，厚度L1＝10mm，固定螺丝通孔直径φ2＝8.4mm；密封槽内径φ3＝90.5mm，外径φ4＝101.5mm，深度L2＝2mm。

所述耦合缝隙为设置于主传输波导宽边的矩形耦合缝隙，且垂直于主传输波导传输方向，用于实现主传输波导中微波的弱耦合其宽度W1＝1mm，高度C1＝39.5mm。

所述扼流槽为平行于主传输波导的矩形腔体结构，其一端与耦合缝隙连通形成L形结构，使弱耦合得到的微波信号在扼流槽中形成驻波；所述扼流槽高度W2＝5mm，长度C2＝37mm。

所述同轴电探针的内导体伸入扼流槽中，对微波信号进行取样测量，其直径φ11＝1.27mm，伸入扼流槽的部分高度为2.5mm，与耦合缝隙之间的距离为25mm。

所述可更换式探针固定片为中部设置有开孔正方形金属片，其边长d＝25mm，用于固定同轴电探针，本实施例中可更换式探针固定片的厚度h＝3mm。所述可更换式探针固定片与波导壁之间设置有密封槽，其内径φ9＝17.5mm，外径φ10＝22.5mm。

所述耦合缝隙、扼流槽的宽边与主传输波导的宽边尺寸相同。

按照上述实施例模拟实现了高功率微波在线测量装置。从仿真图6-8上看出，在2.5GHz～3.5GHz频段内，S11小于-20dB，S31介于-45dB～-55dB，当馈入功率为1W的微波信号，其最大场强为1180.48V/m，可得在500kV/cm的真空击穿场强的条件下，该高功率微波在线测量装置的功率容量为1.79GW，实现了高功率微波稳定可靠的在线测量，兼具结构紧凑、方便装卸、密封性能好的优点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于扼流耦合结构的高功率微波在线测量装置，其特征在于，包括主传输波导、耦合缝隙、扼流槽、同轴电探针、可更换式探针固定片；

所述主传输波导为矩形波导；

所述耦合缝隙为设置于主传输波导宽边的矩形耦合缝隙，且垂直于主传输波导传输方向，用于实现主传输波导中微波的弱耦合；

所述扼流槽为平行于主传输波导的矩形腔体结构，其一端与耦合缝隙连通形成L形结构，使弱耦合得到的微波信号在扼流槽中形成驻波；

所述同轴电探针的内导体伸入扼流槽中，对微波信号进行取样测量；

所述可更换式探针固定片，中部设置有开孔，用于固定同轴电探针，通过更换不同厚度的探针固定片调节探针在扼流槽中的深度，改变耦合度。

2.如权利要求1所述的一种基于扼流耦合结构的高功率微波在线测量装置，其特征在于，所述耦合缝隙、扼流槽的宽边与主传输波导的宽边尺寸相同。

3.如权利要求2所述的一种基于扼流耦合结构的高功率微波在线测量装置，其特征在于，所述扼流槽沿轴向的长度为λ/4，所述耦合缝隙的高度为λ/4，λ为电磁波在主传输波导的波长。

4.如权利要求1所述的一种基于扼流耦合结构的高功率微波在线测量装置，其特征在于，所述耦合缝隙沿轴向的间距为1～20mm；所述扼流槽的高度为1～20mm。

5.如权利要求1所述的一种基于扼流耦合结构的高功率微波在线测量装置，其特征在于，所述可更换式探针固定片厚度为1～50mm。

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