一種高功率容量HPM耦合測(cè)量裝置

曹亦兵，孫　鈞，張黎軍，張曉微，張余川，宋志敏，梁玉欽

(西北核技術(shù)研究所，西安　710024；高功率微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安　710024)

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一種高功率容量HPM耦合測(cè)量裝置

曹亦兵，孫鈞?，張黎軍，張曉微，張余川，宋志敏，梁玉欽

(西北核技術(shù)研究所，西安710024；高功率微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710024)

摘要：設(shè)計(jì)了一種具有高功率容量的高功率微波(high power microwave ，HPM)耦合測(cè)量裝置。該裝置使用截止波導(dǎo)對(duì)HPM信號(hào)取樣，并經(jīng)過(guò)同軸探針將取樣信號(hào)耦合到同軸電纜中。截止波導(dǎo)可以限制進(jìn)入耦合單元的射頻功率，同時(shí)，截止波導(dǎo)和傳輸高功率微波的主波導(dǎo)連接處允許大的倒角，因此，該耦合裝置能夠保證較高的功率容量。此外，通過(guò)調(diào)節(jié)截止波導(dǎo)中探針的長(zhǎng)度，可以實(shí)現(xiàn)不同的耦合度，容易滿足不同功率水平HPM測(cè)量的應(yīng)用需求。與傳統(tǒng)的耦合器相比，所設(shè)計(jì)的耦合器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且功率容量高，其可行性已經(jīng)得到了HPM實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。

關(guān)鍵詞：耦合測(cè)量；高功率容量；截止波導(dǎo)；同軸探針

高功率微波(high power microwave ，HPM)測(cè)量是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)HPM源工作狀態(tài)的必要技術(shù)手段。傳統(tǒng)的HPM測(cè)量通常以探針或者小孔耦合的方式對(duì)HPM信號(hào)進(jìn)行取樣[1-7]。探針耦合方法容易導(dǎo)致探針頭局部強(qiáng)場(chǎng)擊穿[1-2]，盡管多孔耦合方式可以在一定程度上提高測(cè)量系統(tǒng)的功率容量，但設(shè)計(jì)和加工較為復(fù)雜，且對(duì)小孔之間的相位匹配精度要求高[3-4]，任何環(huán)節(jié)引入的誤差都會(huì)影響測(cè)量系統(tǒng)的可靠性。

隨著單個(gè)HPM源輸出脈沖能量的不斷提高，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的功率容量也提出了更高要求。立足于此，本文設(shè)計(jì)了一種具有較高功率容量的新型耦合測(cè)量裝置，該裝置結(jié)合了傳統(tǒng)探針耦合器的簡(jiǎn)易性，也繼承了多孔耦合器高功率容量的特點(diǎn)。它通過(guò)使用截止波導(dǎo)來(lái)限制進(jìn)入耦合單元中探針處的射頻功率，同時(shí)由于采用單孔耦合的方法，有效避免了多孔設(shè)計(jì)中需要考慮的相位關(guān)系，從而使設(shè)計(jì)和加工難度大大降低。

1理論分析

在截止波導(dǎo)中，射頻場(chǎng)衰減因子α可以表示為

(1)

其中，k、Г分別為射頻場(chǎng)在自由空間中的相移常數(shù)和截止波導(dǎo)中的橫向波數(shù)；r為截止波導(dǎo)半徑；c為真空中光速；f為射頻場(chǎng)頻率。如圖1所示，假設(shè)主波導(dǎo)與耦合孔連接處的射頻場(chǎng)功率為P0，射頻場(chǎng)傳輸?shù)浇刂共▽?dǎo)z處的功率P1(z)可以表示為

(2)

截止波導(dǎo)耦合度A(z)可表示為

(3)

將式(1)代入式(3)得到：

(4)

因此，耦合度A是與工作頻率f、截止波導(dǎo)半徑r以及截止波導(dǎo)長(zhǎng)度z相關(guān)的物理量。

定義從頻率f1變化到f2引起的耦合度相對(duì)變化函數(shù)R(r,z)：

(5)

圖1　截止波導(dǎo)波耦合示意圖Fig.1　Schematic of microwave coupling in a cut-off waveguide

式(5)表明，耦合度相對(duì)變化函數(shù)僅與工作頻率和耦合孔大小相關(guān)。

圖2給出了頻率在9～10 GHz之間的射頻場(chǎng)耦合度相對(duì)變化量與截至波導(dǎo)半徑的關(guān)系。由圖可見(jiàn)，當(dāng)耦合孔孔徑較小時(shí)，9～10 GHz帶寬內(nèi)耦合度相對(duì)變化量隨耦合孔徑增大而線性緩慢增加；當(dāng)截至波導(dǎo)半徑較大時(shí)，耦合度相對(duì)變化量隨耦合孔徑增大呈指數(shù)增加。在較大孔徑條件下，耦合孔尺寸的稍微波動(dòng)就會(huì)引起耦合度的急劇變化，此時(shí)，耦合度較為靈敏，截止波導(dǎo)不穩(wěn)定，不適于在測(cè)量中應(yīng)用。

圖2　耦合度相對(duì)變化量隨截至波導(dǎo)半徑變化曲線 Fig.2　Relative variation of couples degree vs. radius of coupling hole

為保證耦合度在一定帶寬范圍內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定，需截至波導(dǎo)半徑r?2.405/k=2.405c/(2πf)，即耦合孔可以在很大程度上截止射頻場(chǎng)，例如，當(dāng)截至波導(dǎo)半徑小于5 mm時(shí)，在9～10 GHz帶寬內(nèi)耦合度相對(duì)變化量小于2.5%。實(shí)際上，現(xiàn)有各種定向耦合器都是通過(guò)較小耦合孔耦合射頻功率的。

2模擬與測(cè)試

基于理論分析，設(shè)計(jì)了一種帶探針的截止波導(dǎo)耦合測(cè)量裝置。圖3給出了該耦合器的CST仿真模型，其中，主波導(dǎo)為BJ-100矩形波導(dǎo)，耦合波導(dǎo)為圓柱形波導(dǎo)，對(duì)應(yīng)半徑為2.05 mm，遠(yuǎn)小于截止10 GHz射頻場(chǎng)所需的最大波導(dǎo)半徑11 mm，能夠較大程度地截止主波導(dǎo)中傳輸?shù)纳漕l場(chǎng)。截止波導(dǎo)中電探針直徑為1.3 mm，探針頭部設(shè)計(jì)為球形以便于抑制局部場(chǎng)增強(qiáng)，通過(guò)調(diào)節(jié)探針頂端到主波導(dǎo)壁的距離d，可以改變測(cè)量系統(tǒng)的耦合度。如圖3所示，對(duì)于某一確定的參數(shù)d，當(dāng)主波導(dǎo)中傳輸?shù)纳漕l功率達(dá)到500 kW時(shí)，耦合器中最大射頻場(chǎng)強(qiáng)低于30 kV·cm-1，小于大氣擊穿閾值[8]。

圖3　探針耦合器仿真模型 Fig.3　Simulation model of the proposed coupler

圖4給出了不同距離d下耦合度隨頻率的變化。在9～10 GHz的帶寬內(nèi)，耦合度相對(duì)變化量小于2%，這與理論結(jié)果吻合較好。同時(shí)，從圖4中可以看出，距離d每增加0.2 mm，對(duì)應(yīng)的耦合度減小約2 dB，因此，通過(guò)改變距離d容易獲得不同的耦合度?；诜抡娼Y(jié)果，加工了帶有不同探針長(zhǎng)度的該型耦合器，其實(shí)物照片如圖5所示。圖6分別給出了距離d=1.6 mm和d=2.8 mm時(shí)的探針耦合器標(biāo)定曲線，標(biāo)定曲線與圖4中的仿真結(jié)果吻合較好，耦合度存在約0.5 dB的偏差可能與加工精度有關(guān)。

圖4　耦合度隨頻率的變化Fig.4　Coupling degree vs. frequency

圖5　所設(shè)計(jì)的探針耦合器實(shí)物照片F(xiàn)ig.5　Photo of the coupler with variable probes

(a)　d=1.6 mm

(b)　d=2.8 mm

圖6探針耦合器標(biāo)定曲線

Fig.6Calibration curves of the proposed couplers

3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

所設(shè)計(jì)的耦合度約57 dB的耦合器，應(yīng)用到X波段高功率微波實(shí)驗(yàn)測(cè)量中。高功率微波源為相對(duì)論返波管，在早期實(shí)驗(yàn)中，已經(jīng)通過(guò)使用定向耦合器對(duì)在線和輻射場(chǎng)高功率微波進(jìn)行了測(cè)量，其輸出功率能夠穩(wěn)定在3 GW水平[9]。

作為對(duì)比，實(shí)驗(yàn)中將所設(shè)計(jì)的耦合器放置于輻射場(chǎng)中功率密度約25 kW·cm-2的位置，接收口面有效面積為13 cm2，進(jìn)入耦合器主波導(dǎo)的射頻功率約325 kW。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的典型檢波波形，如圖7所示,CH1為在線耦合器測(cè)量波形，CH2為所設(shè)計(jì)的探針耦合器在輻射場(chǎng)測(cè)得的微波波形，CH3和CH4分別為已有輻射場(chǎng)定向耦合器測(cè)得的微波波形。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果不難看出，利用截止波導(dǎo)法設(shè)計(jì)的探針耦合器測(cè)得的微波波形與在線和已有輻射場(chǎng)定向耦合器測(cè)量結(jié)果吻合較好，波形較為飽滿平滑，無(wú)明顯畸變，未發(fā)現(xiàn)功率容量問(wèn)題。在微波源同一工作狀態(tài)下，利用各耦合器測(cè)量得到的微波功率也基本相當(dāng)。

圖7　典型實(shí)驗(yàn)波形Fig.7　The typical waveforms measured by the couplers

4結(jié)語(yǔ)

提出并設(shè)計(jì)了一種新型的HPM測(cè)量裝置。與傳統(tǒng)的耦合器相比，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠容易實(shí)現(xiàn)不同的耦合度并允許較高的功率容量，其可行性已經(jīng)得到了HPM實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。理論、仿真和測(cè)試結(jié)果顯示了較好的一致性，進(jìn)一步的HPM實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了該裝置具有較高的功率容量，因此，有望應(yīng)用于更高功率水平的HPM測(cè)量中。

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A High Power Capacity Coupler for HPM Measurement

CAO Yi-bing,SUN Jun,ZHANG Li-jun,ZHANG Xiao-wei,ZHANG Yu-chuan,SONG Zhi-min,LIANG Yu-qin

(Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi’an710024，China；Science and Technology on High Power Microwave Laboratory，Xi’an710024，China)

Abstract:A high power capacity coupler was designed for high power microwave (HPM) measurement. The coupler uses a cut-off waveguide to receive HPM signals and couples them into the coaxial cables through the coaxial probe.The cut-off waveguide can effectively limit the RF power coupled by the coupler and allow a large corner radius in the joint of the main waveguide and the cut-off waveguide. The variable probe is fixed in the cut-off waveguide so that the coupling degree can be easily adjusted. Compared with the conventional couplers, the proposed coupler has a simpler structure and a higher power capacity. The proposed coupler has been fabricated and demonstrated by an X-band HPM experiment.

Key words:coupling measurement；high power capacity；cut-off waveguide；coaxial probe

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-6223(2016)010502(4)

中圖分類號(hào)：TN622

通訊作者?簡(jiǎn)介：孫鈞(1978- )，男，山東安丘人，副研究員，博士，主要從事高功率微波源及相關(guān)領(lǐng)域的理論和實(shí)驗(yàn)研究。E-mail:sunjun@nint.ac.cn

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61401367)

收稿日期：2015-09-14；修回日期：2015-10-27