一种应用于空间等离子体环境模拟装置的高效率大功率稳态输出固态微波源

本发明涉及空间环境的地面模拟领域。

背景技术：

1、空间等离子体环境模拟与研究系统是重大科技基础设施“空间环境地面模拟装置”的重要组成部分。系统包含多个可以模拟空间等离子体和磁场环境的装置，实验装置所使用的等离子体主要通过电子回旋共振(ecr)放电技术产生，因此，可以产生大功率回旋波的微波源尤为重要。

2、大功率微波源应用范围广泛。在工业上，大功率微波源可以用于工业加热、工业干燥、化工，污水处理等等。在科研领域，大功率微波源可以用于等离子体材料生长、粒子加速和产生等离子体等等。ecr放电是产生等离子体的有效手段，其一般工作在微波频段(如2.45ghz)，由于先前的固态微波源在功率和频率等参数上难以达到要求，目前实验中用来产生等离子体的微波源主要采用磁控管产生大功率微波。例如，实验型先进超导托卡马克(east)的低杂波电流驱动(lhcd)系统将20只输出功率为200kw的ku-2.45-200型磁控管的输出耦合起来，可以输出频率为2.45ghz，功率高达4mw的微波。同时，被广泛应用在等离子体气相沉积等技术领域上的ck619型磁控管，其工作频率范围为2400mhz到2500mhz，输出功率为在10kw以上。

3、尽管功率较大，磁控管也有诸多不足。例如，公开号为：cn105991113a的文献公开了一种低噪声高输出的400-500mhz高效固态微波源，它通过调节调节缓冲电路、直流供电电路的电阻电感电容数值实现调整输出功率；

4、公开号为cn207040047u的文献公开了一种固态微波源模块结构；

5、公开号为cn114883769b的文献公开了一种固态微波源及固态微波源支路一致性控制方法，它重点研究了固态微波源支路一致性控制方法；

6、文献《一种c波段全固态大功率gan微波源研制》讨论了固态微波源受某一波段频率影响的情况和解决方案；上述现有技术中，存在如下问题：

7、首先，磁控管连续运行时的效率仍有限，前文提到的ku-2.45-200型磁控管连续运行时的最高效率只有52％，ck619型磁控管的标称效率为60％。其次，磁控管的工作电压极高，如ck619型磁控管工作时的阳极电压高达10kv，这导致磁控管需要更大的冷却系统，需要预热，其热丝寿命也受限制。最后，磁控管故障率高，体积庞大，造价高昂，比如ku-2.45-200型磁控管用的放大芯片均为砷化镓芯片，抗烧毁能力极差，同时其外围电路很复杂，接地不好，容易形成自激，经常发生故障，等等。这些缺陷严重限制了磁控管的使用。

8、因此，设计一种成本低廉、运行可靠、故障率极低，可维护性更好，且可以有效的取代之前使用的磁控管是当前亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明是为了满足当前对成本低廉、运行可靠、故障率极低，可维护性更好，且可以有效的取代之前使用的磁控管的需求，提供了一种应用于空间等离子体环境模拟装置的高效率大功率稳态输出固态微波源。

2、本发明采用的技术方案是：

3、一种应用于空间等离子体环境模拟装置的高效率大功率稳态输出固态微波源，该固态微波源用于空间等离子体环境模拟装置，该装置包括微波锁相功率源(2)、功分模块(7)、波导(13)、16个支路功放模块(16)、耦合器和外围电路构成；

4、微波锁相功率源(2)输出的信号经功分模块(7)分成16路信号，且该16路信号对应输入至16个支路功放模块(16)，经16个支路功放模块(16)放大后再经耦合器合成，合成后再通过波导(13)输出至所述空间等离子体环境模拟装置；

5、微波锁相功率源(2)、支路功放模块(16)均与外围电路相连，所述外围电路用于检测支路功放模块(16)处从微波锁相功率源(2)入射到所述空间等离子体环境模拟装置的微波功率，同时，在所述空间等离子体环境模拟装置反射回微波锁相功率源(2)的微波功率同时，所述外围电路还用于控制微波锁相功率源(2)的输出功率。

6、优选的，微波锁相功率源(2)包括本振(1)、开关(3)、可调衰减器(4)、驱动级功放(5)和功放(6)；

7、本振(1)的输出端连接开关(3)的输入端；开关(3)的输出端连接可调衰减器(4)的输入端；可调衰减器(4)输出端连接驱动级功放(5)的输入端；驱动级功放(5)的输出端连接功放(6)的输入端；功放(6)的输出端连接功分模块(7)的输入端；

8、微波锁相功率源(2)输出的信号频率固定为2.45ghz，且功率可调；微波锁相功率源(2)输出的信号频率通过可调衰减器(4)调整。

9、优选的，所述功分模块(7)为16路功分器，与所述微波锁相功率源(2)集成在一起，且具有输出16路信号的功能，输出的每路信号的最大功率为5w，再接入所述16个支路功放模块(16)。

10、优选的，所述耦合器由两个8合1径向合路器(10)和一个2合1径向合路器(11)组成；

11、两个8合1径向合路器(10)的输入端与所述支路功放模块(16)的输出端相连，两个8合1径向合路器(10)的数出端与2合1径向合路器(11)的输入端相连，2合1径向合路器(11)的输出端与所述波导(13)相连，所述波导(13)为该微波源的输出；

12、耦合器将十六路微波合成为一路并输出。

13、优选的，所述支路功放模块(16)由驱动级功放(8)和第二功放(9)组成，第二功放(9)的输出端与8合1径向合路器10相连，第二功放(9)与外围电路相连，可以检测支路反射信号和入射信号。

14、优选的，外围电路通过fpga或单片机实现，外围电路的输出端分别与开关(3)的输入端、可调衰减器(4)的输入端、第二功放(9)的输出端、耦合器中2合1径向合路器(11)的输出端相连，所述外围电路用于监测各支路和总的入射信号和反射信号；

15、外围电路与微波锁相功率源(2)的开关(3)和可调衰减器(4)相连，用于控制该微波源开关和调整该微波源的功率大小；

16、外围电路同时具有温度、电源工作状态监测功能；且外围电路包含一个保护设备，可根据实际情况及时关停设备来保护所述空间等离子体环境模拟装置。

17、优选的，所述2合1径向合路器(11)与外围电路相连，用于检测总的反射功率和入射功率；反射功率为经2合1径向合路器(11)合成后的反射功率；入射功率为经8合1径向合路器(10)合成的入射功率。

18、优选的，该固态微波源还包括水冷设备(15)，水冷设备(15)用于为第二功放(9)提供制冷。

19、优选的，该固态微波源还包括电源(14)，电源(14)用于为该固态微波源提供电源。

20、有益效果：本发明将高效率大功率稳态输出固态微波源应用于空间等离子体环境模拟装置，替代了原先使用的磁控管，提高了ecr等离子体源的可靠性，降低了实验装置的成本，且效率更高，占地更小，调试难度更低。

21、高效率大功率稳态输出固态微波源，工作频率为2.45ghz，工作电压为32v，最大输出功率为16kw，可以实时监测输出功率的入射、反射值。可以无级调节输出功率，满足等离子体实验的需要。