专利名称：高功率微波拍波发生器的制作方法
技术领域：
本发明涉及高功率微波技术领域的一种高功率微波拍波发生器。
背景技术：
高功率微波技术是二十世纪七十年代快速兴起的一门新技术，它是等离子体物理与脉冲功率技术相结合的产物。军事以及科学研究对更高功率、更高能量、更高频率的需求推动着这门学科发展，在短短三十年时间内，这门学科迅速成为学者们普遍关注的、具有较强工程性的交叉学科之一。与此同时，不同种类的高功率微波源被逐渐开发出来，高功率微波技术发展日趋成熟，人们逐渐发现微波源输出能力总是受到物理和技术等因素的限制， 单个高功率微波源的输出能力有限。因此，能够提升高功率微波源输出能力的多路耦合输出方法越来越受到人们的关注。为了突破物理和技术等因素的限制，利用高功率微波功率准相干合成技术实现更高功率的微波输出将是高功率微波技术发展的一个重心，一种直接有效的方法就是利用多个微波源同时作用来产生拍波，以使输出功率为单个源输出功率的 η2倍，其中η为通道数目。如果各路微波的频差较小，形成的拍波可利用高频的载波来发射低频的高功率拍波，其等效辐射功率高，另外拍波形成的场是一种随时间脉动变化的场， 若目标存在一定非线性效应，则可产生一些特殊的效果。而根据已有的实验研究，高功率微波的作用大多为非线性作用，而非线性作用的特点是可以将高频载波中的低频分量进行检波，于是，利用拍波产生相应效果所需的功率密度将大大减小，以使作用的阈值下降宋刚永，蒙林，于新华等.双频相对论返波振荡器的数值模拟.强激光与粒子束，2009 21(1) 103-107。因此，高功率微波拍波将有可能在现有的技术下使高功率微波技术实用化，具有较高的军事和民用价值。目前产生高功率微波拍波的器件，主要有两类1.利用初级源功率合成后再放大以产生高功率微波拍波。目前文献报道的有两种器件，即利用速调管放大器对初级源合成的功率进行放大方进勇，宁辉，张世龙，等.利用速调管放大器产生高功率微波拍波实验研究.物理学报，2003，52 (04) :911-913和利用行波管对初级源进行放大方进勇，李平，乔登江.利用行波管放大器产生微波波段拍波实验·国防科技大学学报，2002，Μ(04) :65-68后形成拍波的器件。2.利用单个返波管产生两列频率相近的高功率微波以形成拍波。这种器件利用返波管振荡器的跳变周期慢波结构，进行束波相互作用，以产生两列不同频率的高功率微波， 并在管内形成拍波宋刚永，蒙林，于新华等.双频相对论返波振荡器的数值模拟.强激光与粒子束，2009，21 (1) :103-107。利用速调管和行波管对初级源进行放大的器件，受到物理机制的限制，其输出功率不高，目前仅限于MW级微波的产生。另外，由于初级源的功率为W量级，因此这种准相干合成器件的功率容量不高。利用单个返波管振荡器产生两列频率相近的高功率微波的器件，由于其内部存在模式竞争，不同频率的微波也存在相互干扰，造成其束波相互作用效率不高，输出功率仍然受到物理和技术的限制。文献报道的数值模拟的效率不超过12%，功率不超过2GW。另一方面，在常规微波领域，人们利用波导滤波器组成的双工器，来实现准相干合成并形成拍波。为了提高功率容量，常常利用E面膜片滤波器。E面膜片滤波器是由矩形波导和在矩形波导中央的E面插入的一片与E面平行的金属膜片马敏，黄健，喻志远，甘体国，E面金属膜片波导滤波器的优化设计，电讯技术，2003，1 73 76构成，金属膜片每隔 λ g/2 ( λ g为工作频率下的波导波长)被挖去一部分，这样，膜片起到耦合作用，相邻膜片之间构成谐振腔。两个E面膜片滤波器和一个波导结可形成一个具有准相干合成功能的拍波发生器。然而，由于应用目的和应用领域不同，常规微波的拍波发生器内的波导结构，连续波功率容量在几十kW量级，脉冲功率容量不超过100MW，不能直接在GW级高功率系统中应用。在高功率微波领域，提高功率容量的方式是利用过模波导，然而利用过模波导会带来模式控制的困难。因此，如何设计一种既能控制模式、保持单个微波源的高效率，还具有较高功率容量的拍波发生器，是本发明着重解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有拍波发生器功率、效率不高等不足，提供一种能够维持各微波源近30%的束波相互作用效率和GW级微波输出功率，保证两列微波在各自的微波源内不受其他频率微波的干扰，并使输出微波成为高频载波条件下的低频调制波，微波场强加倍，微波输出功率变为单个微波源输出功率的4倍、输出功率超过4. 3GW的高功率微波拍波发生器。本发明的技术方案是本发明高功率微波拍波发生器工作于X波段，由第一矩圆过渡、第一弯波导、第一滤波器、第一阻抗变换器、第二矩圆过渡、第二弯波导、第二滤波器、第二阻抗变换器、Y形波导结组成。第一矩圆过渡、第一弯波导、第一滤波器和第一阻抗变换器形成第一通道；第二矩圆过渡、第二弯波导、第二滤波器和第二阻抗变换器形成第二通道。第一通道、第二通道分别连接于Y形波导结的两个分支。第一弯波导、第二弯波导、第一滤波器、第二滤波器、第一阻抗变换器、第二阻抗变换器和Y形波导结均为矩形过模波导。X波段工作频率在8. 20 12. 5GHz范围内的标准波导——BJ-100的尺寸为宽a =22.86_，高b = 10. 16_。然而，即使第一滤波器和第二滤波器的矩形波导截面的宽a =44mm,高b = 30mm,设计的E面膜片滤波器的功率容量也不到1GW，因此常规微波的标准波导作为主波导已不再适用于高功率微波拍波发生器的设计。因此，为提高高功率微波拍波发生器的功率容量，需要利用矩形过模波导。第一矩圆过渡、第二矩圆过渡一端为圆波导，圆波导口面尺寸为Φ62πιπι，另一端为矩形波导，矩形过模波导口面尺寸为44mmX 82mm，中间为波导渐变结构。第一弯波导、第二弯波导为H面弯波导，拐弯角度为60°，矩形过模波导口面尺寸为 44mm X 82mm。第一滤波器和第二滤波器的矩形过模波导的口面尺寸aXb为44mmX82mm，其中宽a为44mm，高b为82mm。在第一滤波器中插入第一膜片，在第二滤波器中插入第二膜片，第一膜片和第二膜片分别包含两片互相平行的膜片，第一膜片的两片膜片与第一滤波器的E面平行，第二膜片的两片膜片与第二滤波器的E面平行；第一膜片和第二膜片均为扁平铜片或银片，厚度均为Imm;插入同一个滤波器的两片膜片结构尺寸完全相同，沿微波传播方向每隔2 λ g被挖去一部分，挖去部分的高度为b ；膜片被挖去相应的部分后，形成的单节膜片宽度分别为# 和swn，η= 1,2...5, Ag为工作频率下的波导波长；对于第一滤波器，第一膜片的两片膜片的fWi = fw5 = 3. 6謹，fw2 = fw4 = 18. 7謹，fw3 = 22. 5謹，使落在9. 50-9. 65GHz范围内的微波通过；对于第二滤波器，第二膜片的两片膜片Sw1 = sw5 = 3. 3mm, sw2 = W4 = 18. 3mm, sw3 = 22. lmm,使落在9. 30-9. 42GHz范围内的微波通过两个滤波器中，第一膜片和第二膜片的两膜片之间的距离r均为15mm，两膜片关于其所在的滤波器中心线对称。为使Y形波导结的不连续性激励的高次模式能够消除，在两个滤波器和Y形波导结之间分别连接两个相同的阻抗变换器以维持阻抗匹配。第一阻抗变换器一端与第一滤波器相连，另一端与Y形波导结相连；第二阻抗变换器一端与第二滤波器相连，另一端与Y 形波导结相连；阻抗变换器与滤波器连接的一端宽44mm，与Y形波导结连接的一端宽30mm。 阻抗变换器包含两个H面阶梯。第一个H面阶梯宽度、=39. 9mm，长度L1S 9. 3mm;第二个H面阶梯宽度a。2 = 39. 9mm,长度L2为7. 7mm。Y形波导结为一 Y形分叉波导，其三个端口均为矩形过模波导，矩形过模波导口面尺寸为 30mmX82mm。本发明高功率微波拍波发生器，无论是第一滤波器和第二滤波器中的E面膜片， 还是Y形波导结以及第一阻抗变换器和第二阻抗变换器，都只是引入了 H面不连续性，这些H面不连续性只能激励起TEmtl模式。根据TEmtl模式的纵向波数可以推知，任意TEmtl模式的纵向波数与波导高度无关，只与该不连续性处分支波导宽度和模式阶数m有关，m为正整数。利用有限元方法进行理论计算后发现，在入射功率为IGW时，本发明内部最大场强仅为 422. 3kV/cm，而Y形波导结部分的最大场强不超过211. lkV/cm，不会成为功率输出的瓶颈。 据此计算本发明的功率容量为5. 6GW，满足高功率微波实用要求。本发明的工作原理是本发明由第一通道和第二通道接受两个高功率微波源产生的高功率微波圆波导TE11模式下的微波(工作频率分别为9. 60GHz和9. 38GHz)，经第一矩圆过渡和第二矩圆过渡将圆波导模式进行转换后，转换为矩形波导TEltl模式，并保持原来的工作频率。其中，9. 60GHz的TEltl模式注入拍波发生器的第一通道，9. 38GHz的TEltl模式注入拍波发生器的第二通道，由第一滤波器和第二滤波器对各自注入的微波进行滤波，使第一通道和第二通道的频率通带内的微波能以高效率传输，而通道的频率通带外的微波不能通过，最后两通道的高功率微波耦合到Y形波导结输出，并在此产生高功率微波拍波。采用本发明可以达到以下技术效果1.本发明由于采用了过模波导，功率容量高。输入的同频段、相同极化方向的GW 级高功率微波的电场叠加，因此输出功率为单个微波源4倍，应用它可以大大提高不同应用背景中所需的功率支持；2.由于第一滤波器和第二滤波器能够阻止频率通带外的微波通过，因此连接拍波发生器的两个高功率微波源不会互相干扰，能够维持各微波源近30%束波相互作用效率和 GW级输出功率；3.由于输入的同频段、相同极化方向的GW级高功率微波的电场叠加，因此，产生的拍波为高频的载波下的低频调制波，可使微波发射增益较相同低频时的增益更高。
图1为背景技术宋刚永，蒙林，于新华等.双频相对论返波振荡器的数值模拟.强激光与粒子束，2009，21 (1) :103-107中公布的双频微波源的结构原理示意图。图2为背景技术方进勇，宁辉，张世龙，等.利用速调管放大器产生高功率微波拍波实验研究.物理学报，2003，52 (04) :911-913中公布的利用速调管放大器产生微波拍波的原理框图。图3为背景技术马敏，黄健，喻志远，甘体国，E面金属膜片波导滤波器的优化设计，电讯技术，2003，1 73 76中公布的标准波导设计的波导滤波器。图4为本发明拍波发生器的结构图。图5为本发明拍波发生器的透视图。图6为本发明拍波发生器的第一阻抗变换器的顶视图。图7为本发明拍波发生器的典型实验波形。
具体实施例方式图1为背景技术宋刚永，蒙林，于新华等.双频相对论返波振荡器的数值模拟.强激光与粒子束，2009 21(1) :103-107以及宋刚永.X波段双频相对论返波振荡器的研究.电子科技大学博士学位论文，2009中提供的X波段双频相对论返波振荡器的理论模型。该理论模型为一圆柱形旋转对称结构，其旋转对称轴为图1的下边缘。该双频返波振荡器理论模型由阴极1、阳极2、第一慢波结构4和第二慢波结构5组成。阴极1、阳极2、 第一慢波结构4和第二慢波结构5各自处于空间分离状态，但保持如图所示的相对位置关系，以保证所需的电位分布。图1中，阴极1发射电子束3，为负电位，阳极2为零电位，电子束3通过两段周期不同的第一慢波结构4和第二慢波结构5。第一慢波结构4和第二慢波结构5由于波纹深度和周期长度有较小差别，其色散特性会有不同，电子束与波就会有两个差别微小的互作用点，会产生频差甚微的两个工作主频率，从而实现双频微波输出。波纹周期长度、波纹幅值、周期数、同轴间隙、慢波结构长度等都会影响输出微波频率和功率，需要通过调节第一慢波结构4和第二慢波结构5的尺寸来是实现双频微波的输出。这种器件在实际工程中较难实现，因此尚未见到这种器件的实验报道。图2为背景技术方进勇，宁辉，张世龙，等.利用速调管放大器产生高功率微波拍波实验研究.物理学报，2003，52 (04) :911-913中公布的利用速调管放大器产生拍波的原理框图。两个输出功率分别为毫瓦级微波信号源同时输出频率不同的连续微波，利用功率合成器合成产生毫瓦级拍波，然后利用固态微波放大器将其放大到几十瓦左右的脉冲拍波，再注入微波速调管系统进行二次功率放大，最后获得了兆瓦级微波脉冲，脉冲宽度及重复频率由速调管放大器系统决定。固定一个初级信号源频率与微波速调管工作主频率一致，微量改变另一信号源频率，即可获得不同拍频的高功率微波拍波，拍频变化范围一般在速调管带宽之内。通过调节初级信号源的输出功率可以改变拍波脉冲中两个频率分量所占功率比例，通过改变固态微波放大器及微波速调管放大器系统的触发信号频率可以改变高功率微波拍波脉冲的重复频率。利用以上器件，只需要一套速调管放大器系统和两个毫瓦级微波信号源即可产生高功率微波拍波。但这种器件输出功率仅限于MW量级。
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图3为背景技术马敏，黄健，喻志远，甘体国，E面金属膜片波导滤波器的优化设计公布的标准波导设计的波导滤波器的结构图。矩形波导6中央的E面插入一块与E面平行的金属膜片7，金属膜片每隔λ g/2 ( λ 8为工作频率的波导波长)被挖去一部分，挖一部分后，形成的单节膜片宽度 W1 = w6 = 0. 2706mm, w2 = W5 = 1. 7567mm, w3 = w4 = 2. 3816mm, 膜片厚度为0. 2mm。这种结构由于其尺寸较小，功率容量一般不超过100MW。图4为本发明高功率微波拍波发生器的结构图。图5为图4的透视图。本发明由第一矩圆过渡8、第一弯波导9、第一滤波器10、第一阻抗变换器11、第二矩圆过渡12、第二弯波导13、第二滤波器14、第二阻抗变换器15以及Y形波导结16组成。第一矩圆过渡8 与第一弯波导9相连，第一弯波导9与第一滤波器10相连，第一滤波器10与第一阻抗变换器11相连，形成第一通道。第二矩圆过渡12与第二弯波导13相连，第二弯波导13与第二滤波器14相连，第二滤波器14与第二阻抗变换器15相连，形成第二通道。第一通道和第二通道分别与Y形波导结16的两个支路对接，形成拍波发生器。第一矩圆过渡8、第二矩圆过渡12的一端为圆波导，圆波导口面尺寸为Φ62πιπι，另一端为矩形过模波导，矩形过模波导口面尺寸为44mmX82mm，中间为波导渐变结构。第一弯波导9、第二弯波导13为H面弯波导，拐弯角度为60°，两端矩形过模波导口面尺寸为44mmX82mm。如图5所示，在第一滤波器10中插入第一膜片17，在第二滤波器14中插入第二膜片18，使得波导模式保持为TEltl，第一膜片17和第二膜片18膜片分别包含两片互相平行的膜片，第一膜片17的两片膜片与第一滤波器10的E面平行，第二膜片18的两片膜片与第二滤波器14的E面平行；第一膜片17和第二膜片18均为扁平铜片，厚度均为1mm。插入同一个矩形波导的两片膜片结构尺寸完全相同，沿微波传播方向每隔2 λ g( λ g为工作频率下的波导波长)被挖去一部分，挖去部分的高度为b。膜片被挖去相应的部分后，形成的单节膜片宽度分别为fwn(n = 1,2...5)和SWn(n = 1，2. . . 5)。对于第一滤波器10，第一膜片17的两片膜片的 fWi = fw5 = 3. 6mm, fw2 = fw4 = 18. 7mm, fw3 = 22. 5mm,使落在 9. 50-9. 65GHz 范围内的微波通过；对于第二滤波器14，第二膜片18的两片膜片的Sw1 = sw5 = 3. 3mm, Sw2 =w4 = 18. 3mm, sw3 = 22. 1mm,使落在9. 30-9. 42GHz范围内的微波通过。第一滤波器10 和第二滤波器14中，第一膜片17的两膜片之间的距离r为15mm，两膜片关于第一滤波器的中心线对称。第二膜片18的两膜片之间的距离r也为15mm，两膜片关于第二滤波器的中心线对称。图6为第一阻抗变换器11和第二阻抗变换器15的顶视图。第一阻抗变换器11 和第二阻抗变换器15结构完全相同，以第一阻抗变换器11为例，第一阻抗变换器11连接第一滤波器10的一端宽度为44mm，连接Y形波导结16的一端宽度为30mm。中间为两个H 面阶梯。第一个H面阶梯宽度％ = 39. 9mm,长度L1为9. 3mm ；第二个H面阶梯宽度、= 39. 9mm,长度 L2 为 7. 7mm。Y形波导结16为一 Y形分叉波导(见图5)，其三个端口均为矩形过模波导，矩形过模波导口面尺寸为30mmX82mm。由于Y形波导结16的矩形过模波导口面宽度为30mm， 因此Y形波导结16连接第一阻抗变换器11和第二阻抗变换器15可以抑制高次模式。利用矢量网络分析仪Angi 1 ent Ε836!3Β对以上拍波发生器进行测量后发现， 本发明的技术指标为第一通道和第二通道的工作频带范围分别为9. 50-9. 65GHz和9. 30-9. 42GHz，带宽大于IOOMHz，能量传输效率大于98%。利用双阴极加速器和高功率微波源，对本发明进行了高功率微波注入实验。两路高功率微波源分别工作在9. 60GHz和9. 38GHz (微波源具有约5%的相对带宽，因此工作频率可能会有一定的漂移)附近，分别对应注入第一通道和第二通道。经过测量发现，利用示波器直接读数得到的单个高功率微波源输出的微波电场幅度基本上为两路微波经本发明耦合输出时的一半。因此，双路高功率微波经过本发明以后， 输出的峰值功率为单路输出峰值功率的4倍。图7为实验测得高功率微波拍波的典型波形，其横轴为时间轴(50ns/格)，纵轴为微波电场幅度轴(1.45GW/格)。由图7典型波形读数得到的微波场功率可知，实测得到的微波源功率约为4. 3GW (约3格)，微波脉宽约为40ns ；此时加速器电压约为600kV，二极管电流分别为8. 5kA和9. OkA,已知单束加速器上实验结果计算得到的微波源的效率约为 25%，因此实测得到的两个微波源输出的功率约为1. 2GW和1. 3GW。可以看出，4. 3GW 1. 2GWX4，拍波峰值功率和单个微波源的输出功率之间基本满足4倍的关系，两路微波源各自保持了相对较高的效率运行，与理论预测基本相符。由图 7给出的波形可以看出，拍波包络呈明显的低频率波动，为高频载波下的低频调制波，利用天线发射时，可获得较高增益。由上述结果可知，本发明能形成两个频率不同的高功率微波准相干合成，其传输效率和功率容量较高，并在实验中首次获得了 GW量级的高功率微波拍波。
权利要求
1.一种高功率微波拍波发生器，其特征在于高功率微波拍波发生器由第一矩圆过渡(8)、第一弯波导(9)、第一滤波器(10)、第一阻抗变换器(11)、第二矩圆过渡(12)、第二弯波导(13)、第二滤波器(14)、第二阻抗变换器(1 以及Y形波导结(16)组成；第一矩圆过渡(8)与第一弯波导(9)相连，第一弯波导(9)与第一滤波器(10)相连，第一滤波器(10) 与第一阻抗变换器(11)相连，形成第一通道；第二矩圆过渡(1 与第二弯波导(1 相连， 第二弯波导(1 与第二滤波器(14)相连，第二滤波器(14)与第二阻抗变换器(1 相连， 形成第二通道；第一通道和第二通道分别与Y形波导结(16)的两个支路对接；第一弯波导(9)、第二弯波导(1 、第一滤波器(10)、第二滤波器(14)、第一阻抗变换器(11)、第二阻抗变换器(15)和Y形波导结(16)均为矩形过模波导；第一矩圆过渡(8)、第二矩圆过渡(12)的一端为圆波导，圆波导口面尺寸为Φ62πιπι，另一端为矩形过模波导，矩形过模波导口面尺寸为44mmX82mm，中间为波导渐变结构。第一弯波导(9)、第二弯波导(1 为H面弯波导，两端矩形过模波导口面尺寸为 44mm X 82mm。第一滤波器(10)和第二滤波器(14)的矩形过模波导的口面尺寸aXb为44mmX82mm， 其中宽a为44_，高b为82mm;在第一滤波器(10)中插入第一膜片(17)，在第二滤波器 (14)中插入第二膜片(18)，第一膜片(17)和第二膜片(18)膜片分别包含两片互相平行的膜片，第一膜片(17)的两片膜片与第一滤波器(10)的E面平行，第二膜片(18)的两片膜片与第二滤波器(14)的E面平行；插入同一个矩形波导的两片膜片结构尺寸完全相同，沿微波传播方向每隔2 λ g被挖去一部分，挖去部分的高度为b ；膜片被挖去相应的部分后，形成的单节膜片宽度分别为# 和swn，n= 1，2...5，入8为工作频率下的波导波长；对于第一滤波器(10)，第一膜片(17)的两片膜片的= fw5 = 3. 6匪，fw2 = fw4 = 18. 7匪，fw3 = 22. 5mm ；对于第二滤波器(14)，第二膜片(18)的两片膜片Sw1 = sw5 = 3. 3mm, sw2 = W4 = 18. 3mm, Sw3 = 22. Imm ；第一滤波器(10)和第二滤波器(14)中，第一膜片(17)的两膜片之间的距离r为15mm，两膜片关于第一滤波器的中心线对称；第二膜片(18)的两膜片之间的距离r也为15mm，两膜片关于第二滤波器的中心线对称；在两个滤波器和Y形波导结之间分别连接两个相同的阻抗变换器，第一阻抗变换器 (11) 一端与第一滤波器(10)相连，另一端与Y形波导结(16)相连；第二阻抗变换器(15) 一端与第二滤波器(14)相连，另一端与Y形波导结(16)相连；两个阻抗变换器与滤波器连接的一端宽44mm，与Y形波导结连接的一端宽30mm ；Y形波导结(16)为一Y形分叉波导，其三个端口均为矩形过模波导，矩形过模波导口面尺寸为 30mmX82mm。
2.如权利要求1所述的一种高功率微波拍波发生器，其特征在于所述第一弯波导(9)、 第二弯波导(1 的拐弯角度为60°。
3.如权利要求1所述的一种高功率微波拍波发生器，其特征在于所述第一膜片(17)和第二膜片(18)的两片膜片均为扁平铜片或银版，厚度均为1mm。
4.如权利要求1所述的一种高功率微波拍波发生器，其特征在于所述阻抗变换器包含两个H面阶梯，第一个H面阶梯宽度、=39. 9mm,长度L1为9. 3mm ；第二个H面阶梯宽度 ao2 = 39. 9mm,长度 L2 为 7. 7mm。
全文摘要
本发明公开了一种高功率微波拍波发生器，目的是解决现有拍波发生器功率、效率不高等不足。本发明由第一矩圆过渡、第一弯波导、第一滤波器、第一阻抗变换器、第二矩圆过渡、第二弯波导、第二滤波器、第二阻抗变换器、Y形波导结组成；第一矩圆过渡、第一弯波导、第一滤波器和第一阻抗变换器形成第一通道；第二矩圆过渡、第二弯波导、第二滤波器和第二阻抗变换器形成第二通道；第一通道、第二通道分别连接于Y形波导结的两个分支；弯波导、滤波器、阻抗变换器、和Y形波导结均为矩形过模波导。两个滤波器中分别插入两片互相平行的膜片。本发明能够维持各微波源近30％的束波相互作用效率和GW级微波输出功率。
文档编号H03H9/46GK102377411SQ20111015186
公开日2012年3月14日 申请日期2011年6月8日 优先权日2011年6月8日
发明者张军, 李国林, 杨建华, 舒挺, 袁成卫 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学