CN115249603A - 一种应用于磁控管的u形微波脉冲压缩装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于磁控管的U形微波脉冲压缩装置，该装置包括：直波导、U形臂波导和H‑T分支，直波导内设置有可调节的耦合膜片；其中：直波导一端为输入端口，另一端与U形臂波导的一个U形臂相连；通过调节直波导内部的耦合膜片，实现对脉冲压缩装置与输入端波导的耦合度的调节；H‑T分支为T形结构，其分为三个端口，第一端口与U形臂波导的另一个U形臂相连；第二端口为短路面，短路面采用滑动活塞结构，通过滑动活塞结构调节短路面的位置，进而调谐谐振腔的工作频率以及H‑T分支与谐振腔的耦合度；第三端口为H‑T分支的输出端口。本发明峰值功率增益大于等于4，带宽约1MHz，并且该装置的长度缩减了一半，更便于使用。

Description

一种应用于磁控管的U形微波脉冲压缩装置

技术领域

本发明涉及电子、电气设备领域，尤其涉及一种应用于磁控管的U形微波脉冲压缩装置。

背景技术

磁控管是谐振型微波振荡器件，可以输出功率MW级，脉宽微秒级的微波脉冲，具有效率高，工作电压低，体积小，成熟稳定，成本低等优势。因此磁控管在军事和民生领域都获得了广泛的应用。但是目前单管磁控管的峰值功率存在上限，想提高磁控管输出功率，将会出现打火严重、散热困难等问题。因此现阶段磁控管输出功率提升困难。

一种常用的提升微波脉冲峰值功率的技术是脉冲压缩技术。脉冲压缩是指将低功率长脉宽的微波脉冲压缩为功率提高数倍到数十倍的短微波脉冲，实现这一过程的装置称为脉冲压缩装置。脉冲压缩装置大多为无源结构，结构简单，且不增加系统能耗。即使是有源脉冲压缩装置，消耗能量也较少，不会大幅度增加系统能耗。

脉冲压缩技术是基于微波谐振腔的能量存储特性，将经过相对较长时间充电后存储在谐振腔中的能量在一瞬间释放出来，以实现峰值功率的增益。谐振腔的储能特性用品质因数Q值来衡量。经过调研发现，常用的脉冲压缩装置中储能谐振腔的品质因数Q值高达100000量级，这就导致脉冲压缩装置的带宽很窄，只有KHz量级。磁控管的输出频谱的宽度一般在1MHz左右，远大于KHz量级。所以现有的微波脉冲压缩装置均应用于速调管,应用于磁控管的脉冲压缩装置还未见报道。并且传统的储能切换脉冲压缩装置普遍具有比较大的长度，给使用带来了不便。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种应用于磁控管的U形微波脉冲压缩装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种应用于磁控管的U形微波脉冲压缩装置，该装置包括：直波导、U形臂波导和H-T分支，直波导内设置有可移动的耦合膜片，且直波导、U形臂波导和H-T分支组成无缝衔接的谐振腔结构；其中：

直波导一端为输入端口，另一端与U形臂波导的一个U形臂相连；通过调节直波导内部的耦合膜片，实现对脉冲压缩装置与输入端波导的耦合度的调节；

H-T分支为T形结构，其分为三个端口，其中：第一端口和第二端口位于T形结构上部的两端，第三端口位于T形结构的下部；第一端口与U形臂波导的另一个U形臂相连；第二端口为短路面，短路面采用滑动活塞结构，通过滑动活塞结构调节短路面的长度，进而调谐谐振腔的工作频率以及H-T分支与谐振腔的耦合度；第三端口为H-T分支的输出端口。

进一步地，本发明的直波导、U形臂波导和H-T分支的横截面为矩形。

进一步地，本发明的直波导、U形臂波导和H-T分支组成的谐振腔采用黄铜材料，谐振腔内壁镀金。

进一步地，本发明的谐振腔结构的尺寸设计为：

微波在谐振腔结构中的群速度为：

其中c为光速，λ为自由空间波长，a为矩形波导宽边尺寸；

微波在谐振腔结构中的导波波长为：

传统微波脉冲压缩装置中，长度为L₁+L₂的长方体为矩形谐振腔，L₁为输入端口到H-T分支中线的距离，L₂为短路面到H-T分支中线的距离，放电开关的电极位于谐振腔中H-T分支中线与短路面之间的某个位置，定义该位置与中线的距离为L₇；

U形微波脉冲压缩装置中，将传统装置中的L₁段改变为U形结构，L₃为输入端口到U形底部的距离，L₄为U形底部的宽度，L₅为U形底部到H-T分支中线的距离，L₆为短路面到H-T分支中线的距离；满足以下条件：

L₃、L₄、L₅、L₆的长度均为λ_g/2的整数倍，以使电磁波能够在谐振腔中形成驻波，且L₁＝L₃+L₄+L₅-λ_g、L₂＝L₆；

M,N为正整数，脉冲压缩装置的输出脉宽τ；

因此

从而可以计算出的长度L₁；

L₂的长度受到放电开关位置，短路面调谐范围，实际操作因素的限制，还与脉冲压缩装置的峰值功率增益相关，N取3到5；

L₇的最佳取值为：

k是正整数；储能阶段，放电开关位于电场波腹处，根据传输线理论，放电开关处的最大电压为：

其中，

为输入波的电压，P为输入的矩形微波脉冲功率，t为脉冲宽度，β为谐振腔的输入耦合系数，

为矩形波导特征阻抗；

将开关视为理想开关，开关导通后，所处位置变为电压波节点，幅度为-V_max的电压波从开关处向输出端口传播；有

则H-T分支的输出功率为：

脉冲压缩装置的理论增益为：

理论功率增益达到10以上。

本发明产生的有益效果是：本发明的应用于磁控管的U形微波脉冲压缩装置，面向高功率微波装置应用，设计了一种磁控管的微波脉冲压缩装置，峰值功率增益大于等于4，带宽约1MHz。并且该装置的长度缩减了一半，更便于使用。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明的储能切换脉冲压缩装置的结构示意图。

图2为本发明的储能切换脉冲压缩装置的电路原理图。

图3为本发明的U形储能切换脉冲压缩装置的本征模仿真模型图。

图4为本发明的U形储能切换脉冲压缩装置的电场强度分布图。

图5为本发明的具有输入耦合结构的U形储能切换脉冲压缩装置模型图。

图6为本发明的U形储能切换脉冲压缩装置S₁₁仿真结果图。

图7为本发明的U形储能切换脉冲压缩装置S₂₁仿真结果图。

图8为本发明的U形储能切换脉冲压缩装置电场分布图。

图9为本发明的脉冲压缩装置分段加工电示意图；图9(a)耦合膜片，图9(b)直波导，图9(c)U形臂波导，图9(d)H-T分支。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

(1)谐振腔理论

计划将该脉冲压缩装置应用于工作在L波段、输出微波脉宽5us的磁控管。理论计算可得，该磁控管的输出的频谱宽度为0.4MHz。因此脉冲压缩装置(谐振腔)的带宽需要大于等于0.4MHz。根据公式

谐振腔的Q值应小于等于5000。为了实现谐振腔的低Q值，选择矩形谐振腔的低次储能模式，TE_10n模式。同时考虑到，L波段波导尺寸较大，TE10n模式谐振腔的长度较长，导致整个脉冲压缩装置长度过长，不便于使用，因此采用一种新型的U形谐振腔，以减小脉冲压缩装置的长度。

传统的脉冲压缩装置的结构示意图如图1所示，图1中，长度为L₁+L₂的长方体为矩形谐振腔，谐振区的作用是将输入段传导来的微波能量全部存储起来。其中左端为谐振腔输入端口，包括一个直段矩形波导及一个输入耦合结构。微波由输入端口注入。右端为短路面，通过滑动活塞实现，位置可调节。波导H-T分支为输出端口。在储能阶段，H-T分支中线处于电场波节点，H-T分支与谐振腔为弱耦合状态，几乎没有能量进入H-T分支。开关位于距离H-T分支四分之一导波波长处，两个电极分别位于矩形波导两个宽边的中心。导通时开关短路，因此H-T分支处的电场强度很大，T分支与谐振腔处在强耦合状态，存储在谐振腔中的能量快速释放到H-T分支中，形成短脉宽，高峰值功率的输出脉冲。对应的等效电路图如图2所示。H-T分支等效为一个并联电导。

本发明所涉及的U形脉冲压缩装置是在图一所示脉冲压缩装置的基础上改进而来。图1所示装置中，L₁段的长度较长，一般可达2m，甚至更长。因此改变L₁段的结构为U形，如图3所示。这样脉冲压缩装置的长度可以缩短一半，更便于使用。

接下来进行谐振腔尺寸设计。

谐振腔谐振的本质是，导行电磁波在波导中反射叠加形成驻波，因此谐振腔的长度必须为二分之一导波长度的整数倍。因此首先，根据磁控管的工作频率计算出相应的群速度与导波波长。

其中c为光速，λ为自由空间波长，a为矩形波导宽边尺寸。微波在矩形波导中的导波波长为：

定义谐振腔的一端口为微波输入端口(即是储能端口)，谐振腔2端口为微波输出端口(放能端口)。则1端口到2端口中线的距离为l₁,短路面到2端口中线距离为l₂。根据理论分析，H-T分支要位于谐振腔中的电场波节点处，因此有：

M,N为正整数。脉冲压缩装置的输出脉宽τ，

因此

从而可以计算出的长度L₁。

L₂的长度受到开关位置，短路面调谐范围，实际操作等因素的限制，还与脉冲压缩装置的峰值功率增益相关。综合考虑，一般N取3到5。U形谐振腔可视为传统谐振腔折叠后形成。因此图3中的L₃、L₄、L₅、L₆的长度均为λ_g/2的整数倍，以使电磁波能够在谐振腔中形成驻波。且L₁＝L₃+L₄+L₅-λ_g、L₂＝L₆。放电开关的电极位于谐振腔中二端口与短路面之间的某个位置，定义该位置与二端口中线的距离为L₇。开关的两个电极分别位于矩形波导两个宽边的中心。L₇的最佳取值为：

k是正整数。储能阶段，开关位于电场波腹处，根据传输线理论，开关处的最大电压为：

其中，

为输入波的电压，P为输入的矩形微波脉冲功率，t为脉冲宽度，β为谐振腔的输入耦合系数，

为矩形波导特征阻抗。

将开关视为理想开关，开关导通后，所处位置变为电压波节点，幅度为-V_max的电压波从开关处向输出端口传播。有

则H-T口的输出功率为：

脉冲压缩装置的理论增益为：

带入相关参数,可得理论功率增益达到10以上。

(2)电磁波数值仿真方法

利用电磁场仿真软件分析所设计的脉冲压缩装置。首先在软件中建立设计好的脉冲压缩装置模型，如图3所示。采用软件的本征模求解器计算，分析谐振腔的谐振频率与品质因数。得到谐振频率为1.89GHz，与目标频率基本一致。谐振腔Q值为20000，大于目标值5000。但考虑到仿真是在较理想的情况下进行，没有考虑输入耦合结构，开关电极等结构，谐振腔的实际Q值会下降。进一步研究能量在谐振腔中的分布，经过优化H-T分支的位置，可到电场分布图如图4所示，可见储能阶段几乎没有能量泄漏到H-T分支。

确定谐振频率与Q值满足设计要求后，利用模式驱动求解器，仿真谐振腔的S参数。首先设计输入耦合结构。采用孔耦合结构，设置耦合孔的半径为变量，并且设置输入端口1和输出端口2，模型如图5所示。通过求解，得到模型的S参数曲线如图6图7所示。从图6中可见优化后的S₁₁参数最佳取值为-36dB，表明稳态情况下，在储能阶段从端口1入射的功率，几乎全部进入谐振腔。对应的S₂₁参数为-22dB，表明储能阶段从端口2向外辐射的功率，约占入射功率的1％，表明储能阶段几乎没有能量从二端口泄露。同时得到电场分布图如图8所示。可见谐振腔中的场强远大于输入波导中的场强。以上仿真结果都说明，谐振腔能够存储大部分能量。

参照图8所示，U形储能切换脉冲压缩装置的主体结构可以看做几段BJ-22矩形波导无缝衔接组成。因此在实际加工器件时，可以分段加工谐振腔，再将不同部分的谐振腔组合，构成脉冲压缩装置，这样可以降低加工难度和成本。谐振腔材料一般采用黄铜，且谐振腔内壁需要镀金，以提高电导率，减小谐振腔内壁的损耗，同时防止谐振腔内壁氧化。谐振腔的输入耦合结构采用不同的耦合膜片的组合来实现，通过调节耦合膜片，实现对脉冲压缩装置与输入端波导的耦合度的调节。脉冲压缩装置的U形臂转弯和H-T分支采用图9所示的结构整体加工而成。脉冲压缩装置的谐振腔短路面采用活塞形式。通过调节活塞的位置以调节谐振腔的长度，从而调谐谐振腔的工作频率，以及H-T分支与谐振腔的耦合度。

本发明中为了实现脉冲压缩装置的紧凑化，采用了U形的结构设计，这只是一种方法，实际上还可以采用S形结构或者立体结构的谐振腔。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种应用于磁控管的U形微波脉冲压缩装置，其特征在于，该装置包括：直波导、U形臂波导和H-T分支，直波导内设置有可调节的耦合膜片，且直波导、U形臂波导和H-T分支组成无缝衔接的谐振腔结构；其中：

直波导一端为输入端口，另一端与U形臂波导的一个U形臂相连；通过调节直波导内部的耦合膜片，实现对脉冲压缩装置与输入端波导的耦合度的调节；

H-T分支为T形结构，其分为三个端口，其中：第一端口和第二端口位于T形结构上部的两端，第三端口位于T形结构的下部；第一端口与U形臂波导的另一个U形臂相连；第二端口为短路面，短路面采用滑动活塞结构，通过滑动活塞结构调节短路面的位置，进而调谐谐振腔的工作频率以及H-T分支与谐振腔的耦合度；第三端口为H-T分支的输出端口。

2.根据权利要求1所述的应用于磁控管的U形微波脉冲压缩装置，其特征在于，直波导、U形臂波导和H-T分支的横截面为矩形。

3.根据权利要求1所述的应用于磁控管的U形微波脉冲压缩装置，其特征在于，直波导、U形臂波导和H-T分支组成的谐振腔采用无氧铜材料。

4.根据权利要求1所述的应用于磁控管的U形微波脉冲压缩装置，其特征在于，谐振腔结构的尺寸设计为：

微波在谐振腔结构中的群速度为：

其中c为光速，λ为自由空间波长，a为矩形波导宽边尺寸；

微波在谐振腔结构中的导波波长为：

传统微波脉冲压缩装置中，长度为L₁+L₂的长方体为矩形谐振腔，L₁为输入端口到H-T分支中线的距离，L₂为短路面到H-T分支中线的距离，放电开关的电极位于谐振腔中H-T分支中线与短路面之间的某个位置，定义该位置与中线的距离为L₇；

U形微波脉冲压缩装置中，将传统装置中的L₁段改变为U形结构，L₃为输入端口到U形底部的距离，L₄为U形底部的宽度，L₅为U形底部到H-T分支中线的距离，L₆为短路面到H-T分支中线的距离；满足以下条件：

L₃、L₄、L₅、L₆的长度均为λ_g/2的整数倍，以使电磁波能够在谐振腔中形成驻波，且L₁＝L₃+L₄+L₅-λ_g、L₂＝L₆；

M,N为正整数，脉冲压缩装置的输出脉宽τ；

因此

从而可以计算出的长度L₁；

L₂的长度受到放电开关位置，短路面调谐范围，实际操作因素的限制，还与脉冲压缩装置的峰值功率增益相关，N取3到5；

L₇的最佳取值为：

k是正整数；储能阶段，放电开关位于电场波腹处，根据传输线理论，放电开关处的最大电压为：

其中，

为输入波的电压，P为输入的矩形微波脉冲功率，t为脉冲宽度，β为谐振腔的输入耦合系数，

为矩形波导特征阻抗；

将开关视为理想开关，开关导通后，所处位置变为电压波节点，幅度为-V_max的电压波从开关处向输出端口传播；有

则H-T分支的输出功率为：

脉冲压缩装置的理论增益为：

理论功率增益达到10以上。

Images