CN117878561A - 一种高功率微波功率分配器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高功率微波功率分配器及控制方法，高功率微波功率分配器包括：输入波导，输入波导的一端与微波产生器件相连；控制模块，控制模块与输入波导信号连接，以控制输入波导内的高功率微波通过指定路线传输；环形耦合变换腔，环形耦合变换腔位于输入波导外侧，环形耦合变换腔与输入波导同轴排列；调谐器，调谐器位于输入波导远离微波产生器件的一端连接，调谐器与输入波导的内壁连接，调谐器在输入波导内壁滑动移位，以实现功率分配器的调谐。本发明的高功率微波分配器解决了相关技术中功率分配器结构复杂且体积大的技术问题。

Description

一种高功率微波功率分配器及控制方法

技术领域

本发明涉及高功率微波技术领域，具体涉及一种高功率微波功率分配器及控制方法。

背景技术

高功率微波（High Power Microwave, HPM）一般是指峰值功率大于100MW，频率在1GHz到300GHz之间的相干电磁辐射；它在等离子体加热、脉冲雷达、工业辐照及电子对抗等领域具有较广的应用空间。高功率微波系统一般包括包括初级能源、脉冲功率源、相对论微波产生器件、微波传输辐射天线及包括真空、引导磁场在内的附属设备或组件。高功率微波系统的基本工作原理是通过初级能源及脉冲功率源首先将低压直流电能压缩为高压电脉冲，相对论微波产生器件将高电压脉冲能量转换为所需高功率微波能量传输到微波辐射天线，最终辐射到所需目标区域。

许多应用场合要求高功率微波系统具有全向辐射能力，以便将高功率微波能量辐射到空间任意需要的位置点。其中，功率分配器是整个全方位辐射系统的关键，其能否快速高效实现微波能量的切换传输是整个系统能否正常工作的关键。大多数相对论微波产生器件的微波输出模式为圆波导TM01模式等轴对称模式，为了将高功率微波能量与波导缝隙阵天线等方便实现相扫的阵列天线匹配，实际使用过程中需要通过模式变换器将其变换为能够稳定传输的低阶矩形波导模式TE10模式。

因此，现有技术有待于进一步发展。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种高功率微波功率分配器及控制方法，以解决相关技术中功率分配器结构复杂且体积大的技术问题。

为达到上述技术目的，本发明采取了以下技术方案：提供了一种高功率微波功率分配器，包括：输入波导，输入波导的一端与微波产生器件相连；控制模块，控制模块与输入波导信号连接，以控制输入波导内的高功率微波通过指定路线传输；环形耦合变换腔，环形耦合变换腔位于输入波导外侧，环形耦合变换腔与输入波导同轴排列；调谐器，调谐器位于输入波导远离微波产生器件的一端连接，调谐器与输入波导的内壁连接，调谐器在输入波导内壁滑动移位，以实现功率分配器的调谐。

进一步地，输入波导用于将微波产生器件产生的高功率微波引入高功率微波功率分配器内，输入波导上设置有多个耦合孔，耦合孔用于将微波能量从输入波导内耦合到下游。

进一步地，环形耦合变换腔包括：环形变换腔，环形变换腔与输入波导上的耦合孔连接；耦合通道，耦合通道用于连接耦合孔与环形变换腔；输出通道，输出通道分布于环形变换腔外侧，输出通道用于输出高功率微波能量。

进一步地，耦合通道的数量为多个。

进一步地，输出通道的为多个。

进一步地，高功率微波功率分配器还包括输出波导，输出波导用于将微波传输到下一级辐射天线，输出波导与输出通道连接，多个输出波导与多个输出通道一一对应地设置。

进一步地，控制模块包括微波开关，微波开关位于输出通道与输出波导之间，微波开关与输出通道相对应地设置，微波开关用于控制相应通道的微波传输或中断。

进一步地，调谐器的形状根据调谐带宽范围进行调节；和/或，调谐器为平板结构或锥形锥形结构。

一种高功率微波功率分配器控制方法，包括：根据设定微波频率信息，控制模块控制调谐器滑动到指定位置；微波产生器件发射高功率微波，通过输入波导输入高功率微波功率分配器；高功率微波经过环形耦合变换腔和调谐器的共同作用，耦合成预设模式。

进一步地，控制方法还包括：控制模块控制不需要传输微波的输出波导对应的微波开关关闭，保证高功率微波只能通过特定输出波导向下级传输。

有益效果：

本发明的高功率微波功率分配器能够在紧凑的结构中实现高效的微波能量分配与模式变换，大幅降低了系统体积重量及复杂度。该种高功率微波功率分配器能够很好的应用于需要全空间覆盖的全方位辐射的高功率微波系统之中。

附图说明

图1是本发明实施例采用的高功率微波功率分配器的结构示意图；

图2是本发明实施例采用的高功率微波功率分配器的剖面图；

图3是本发明实施例采用的高功率微波功率分配器输出波导的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的高功率微波功率分配器的工作频率随调谐器位置变化曲线；

图5是本发明实施例提供的高功率微波功率分配器工作时的传输与反射曲线。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、输入波导；11、耦合孔；2、环形耦合变换腔；3、微波开关；4、输出波导；5、调谐器；6、耦合通道；7、环形变换腔；8、输出通道。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

根据本发明实施例，提供了一种高功率微波功率分配器，请参阅图1至图5，包括：输入波导1，输入波导1的一端与微波产生器件相连；控制模块，控制模块与输入波导1信号连接，以控制输入波导1内的高功率微波通过指定路线传输；环形耦合变换腔2，环形耦合变换腔2位于输入波导1外侧，环形耦合变换腔2与输入波导1同轴排列；调谐器5，调谐器5位于输入波导1远离微波产生器件的一端连接，调谐器5与输入波导1的内壁连接，调谐器5在输入波导1内壁滑动移位，以实现功率分配器的调谐。

采用上述设置，输入波导1处于整个系统的轴线位置，输入波导1的尺寸根据微波产生器件所产生的微波频段进行设计，将前级微波产生器件产生的高功率微波引入到所述高功率微波功率分配器内；环形耦合变换腔2与输入波导1的侧壁相连，控制模块控制调谐器5滑动至指定位置后，微波产生器件产生的微波通过输入波导1进入功率分配器内，通过环形耦合变换腔2和调谐器5的共同作用，进入输入波导1内的TM01模式微波，通过磁耦合的方式，耦合输出到环形耦合变换腔2内部，同时，调谐器5滑动至输入波导1约（n+1/4）波长位置（n为任意非负整数），将沿输入波导1继续向下游传输的微波能量反射相消，保证进入输入波导1内的TM01模式微波可以高效地耦合到环形耦合变换腔2内，完成系统能量的高效传输与分配，解决了相关技术中功率分配器结构复杂且体积大的技术问题。

在本实施例的高功率微波功率分配器中，参见图2，输入波导1用于将微波产生器件产生的高功率微波引入高功率微波功率分配器内，输入波导1上设置有多个耦合孔11，耦合孔11用于将微波能量从输入波导1内耦合到下游。

在本实施例的高功率微波功率分配器中，参见图3，环形耦合变换腔2包括：环形变换腔7，环形变换腔7与输入波导1上的耦合孔11连接；耦合通道6，耦合通道6用于连接耦合孔与环形变换腔7；输出通道8，输出通道8分布于环形变换腔7外侧，输出通道8用于输出高功率微波能量。这样，耦合通道6设置于输入波导1侧壁的某一位置，并通过耦合孔11与输入波导1相连，环形变换腔7位于耦合通道6远离输入波导1一侧，输出通道8分布于环形变换腔7远离耦合通道6的一侧，通过输入波导1进入功率分配器的微波穿过耦合孔11进入耦合通道6，经过耦合通道6进入环形变换腔7，绝大部分的微波能量被传输到环形变换腔7内形成驻波，并输出通道8处耦合成矩波导TE10模式。

在本实施例的高功率微波功率分配器中，参见图3，耦合通道6的数量为多个。具体地，环形变换腔7与输入波导1的耦合孔11通过一个或多个耦合通道6同轴相连，其中，耦合通道6的截面可以是矩形或圆形，并且耦合通道6的数量不限。

在本实施例的高功率微波功率分配器中，参见图3，输出通道8的为多个。这样，输出通道8分布于环形变换腔7的外侧，输出通道8的数量与全向辐射系统最终需求输出天线阵面数量相同，各个输出通道8的传输效率相近，保证任意通道均能够高效输出高功率微波能量。

在本实施例的高功率微波功率分配器中，参见图1，高功率微波功率分配器还包括输出波导4，输出波导4用于将微波传输到下一级辐射天线，输出波导4与输出通道8连接，多个输出波导4与多个输出通道8一一对应地设置。

在本实施例的高功率微波功率分配器中，参见图2，控制模块包括微波开关3，微波开关3位于输出通道8与输出波导4之间，微波开关3与输出通道相对应地设置，微波开关3用于控制相应通道的微波传输或中断。这样，微波开关3位于环形耦合变换腔2的输出通道8处，微波开关3可以是机械开关或者等离子体开关等高功率微波开关，输出波导4与环形耦合变换腔2的输出通道8相连，微波开关3居二者之间，用来控制相应通道的微波传输或中断，控制模块接收到上级系统指令后，将不需要传输微波的输出波导4连接的微波开关3关闭，保证高功率微波只能通过特定输出波导向下级传输。

在本实施例的高功率微波功率分配器中，参见图2，调谐器5的形状根据调谐带宽范围进行调节；和/或，调谐器5为平板结构或锥形锥形结构。这样，调谐器位于输入波导1远离微波产生器件一端并与输入波导1的内壁相连，可以根据需要在输入波导内壁滑动移位已实现功率分配器的调谐。

本实施例提供了一种高功率微波功率分配器控制方法，包括：根据设定微波频率信息，控制模块控制调谐器5滑动到指定位置；微波产生器件发射高功率微波，通过输入波导1输入高功率微波功率分配器；高功率微波经过环形耦合变换腔2和调谐器5的共同作用，耦合成预设模式。

在本实施例的控制方法中，控制方法还包括：控制模块控制不需要传输微波的输出波导4对应的微波开关3关闭，保证高功率微波只能通过特定输出波导向下级传输。

实施例一：

采用内直径为200mm的圆波导作为输入波导，其长度不小于350mm；在离输入波导顶端约164.7mm位置，环向均布设置四个投影为矩形的弧面耦合孔，其投影矩形长为长110mm、宽55mm；四个截面为矩形的耦合通道与这四个耦合孔一一相连，截面尺寸同样为长110mm、宽55mm；在耦合通道外侧设置内外半径分别为133mm和243mm的环形变换腔，环形变换腔内侧开有四个投影为矩形的弧面耦合孔，其投影矩形截面与耦合通道尺寸相同，且环形变换腔耦合孔与对应耦合通道平滑连接；在环形变换腔外侧角向对应位置设置四个弧面输出通道，其投影矩形截面与耦合通道尺寸相同，四个截面与之相同的输出矩波导与之一一相连；在二者之间设置厚度为3mm的弧形的微波开关，其截面投影宽度与输出矩波导截面宽度相同，高度略高于输出矩波导截面高度，微波开关弧面与环形变换腔输出通道相切，其沿高度方向运动实现对应通道的微波开断；四个输出矩波导另一端分别与对应下一级辐射天线一一相连；调谐器为一圆台形薄板，其上底面半径为30mm，下底面半径为200mm，高度为20mm，调谐器可在输入圆波导远离相对论微波产生器件一端内壁滑动，其位置根据调谐频率需要确定；整个功率分配器所有材料均为金属材料。

上述功率分配器工作流程如下：在收到系统发射准备命令及微波频率、发射方向等指令数据后，功率分配器将不需要传输微波的输出波导连接的微波开关关闭，保证高功率微波只能通过特定输出波导向下级传输；同时根据设定微波频率信息，调节调谐器到指定位置以实现需求频点最大传输效率；之后，上级系统控制前级相对论微波产生器件发射高功率微波并通过输入波导耦合到功率分配器内，在环形耦合变换腔的耦合通道和调谐器的共同作用下，绝大部分微波能量被传输到环形变换腔内形成驻波并在微波开关打开的输出口耦合成矩波导TE10模式，微波能量通过与之相连的输出矩波导传输到下一级辐射天线，实现系统能量的高效传输与分配。

参见图4、图5，利用高频电磁场软件对功率分配器在工作频率1.58GHz附近进行了仿真模拟，可以看到输入圆波导馈入的圆波导TM01模式微波能量经过功率分配器后，在指定输出矩波导通道内通过矩波导TE01模式输出。在馈入0.5W情况下整个功率分配器内部最大场强为873V/m，由此推算其功率容量大于2GW。通过调节调谐器的位置，该功率分配器在1.569GHz~1.581GHz频率范围内可以实现高效微波能量传输，传输效率不低于90%；在调谐至1.58GHz时，其中心频点传输效率为99.4%。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

可选地，本实施例中的具体示例可以参考上述实施例中所描述的示例，本实施例在此不再赘述。

上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本申请的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种高功率微波功率分配器，其特征在于，包括：

输入波导（1），所述输入波导（1）的一端与微波产生器件相连；

控制模块，所述控制模块与输入波导（1）信号连接，以控制所述输入波导（1）内的高功率微波通过指定路线传输；

环形耦合变换腔（2），所述环形耦合变换腔（2）位于所述输入波导（1）外侧，所述环形耦合变换腔（2）与所述输入波导（1）同轴排列；

调谐器（5），所述调谐器（5）位于所述输入波导（1）远离所述微波产生器件的一端连接，所述调谐器（5）与所述输入波导（1）的内壁连接，所述调谐器（5）在所述输入波导（1）内壁滑动移位，以实现功率分配器的调谐。

2.根据权利要求1所述的高功率微波功率分配器，其特征在于，所述输入波导（1）用于将微波产生器件产生的高功率微波引入所述高功率微波功率分配器内，所述输入波导（1）上设置有多个耦合孔（11），所述耦合孔（11）用于将微波能量从所述输入波导（1）内耦合到下游。

3.根据权利要求1所述的高功率微波功率分配器，其特征在于，所述环形耦合变换腔（2）包括：

环形变换腔（7），所述环形变换腔（7）与所述输入波导（1）上的耦合孔（11）连接；

耦合通道（6），所述耦合通道（6）用于连接所述耦合孔（11）与所述环形变换腔（7）；

输出通道（8），所述输出通道（8）分布于所述环形变换腔（7）外侧，所述输出通道（8）用于输出高功率微波能量。

4.根据权利要求3所述的高功率微波功率分配器，其特征在于，所述耦合通道（6）的数量为多个。

5.根据权利要求3所述的高功率微波功率分配器，其特征在于，所述输出通道（8）的为多个。

6.根据权利要求1所述的高功率微波功率分配器，其特征在于，所述高功率微波功率分配器还包括输出波导（4），所述输出波导（4）用于将微波传输到下一级辐射天线，所述输出波导（4）与所述输出通道（8）连接，多个所述输出波导（4）与多个所述输出通道（8）一一对应地设置。

7.根据权利要求1所述的高功率微波功率分配器，其特征在于，所述控制模块包括微波开关（3），所述微波开关（3）位于所述输出通道（8）与所述输出波导（4）之间，所述微波开关（3）与所述输出通道相对应地设置，所述微波开关（3）用于控制相应通道的微波传输或中断。

8.根据权利要求1所述的高功率微波功率分配器，其特征在于，所述调谐器（5）的形状根据调谐带宽范围进行调节；和/或，所述调谐器（5）为平板结构或锥形锥形结构。

9.一种高功率微波功率分配器控制方法，其特征在于，包括：

根据设定微波频率信息，控制模块控制调谐器（5）滑动到指定位置；

微波产生器件发射高功率微波，通过输入波导（1）输入高功率微波功率分配器；

高功率微波经过环形耦合变换腔（2）和调谐器（5）的共同作用，耦合成预设模式。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：控制模块控制不需要传输微波的输出波导（4）对应的微波开关（3）关闭，保证高功率微波只能通过打开的微波开关对应的输出波导向下级传输。