高功率微波TM0n混合模式在线测量装置及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于诊断X、Ku、Ka等高频段高功率微波源输出的TM0n混合模式的在线测量装置及测量方法，所述装置由参考耦合器、长度可调节直波导、测量耦合器和辐射喇叭组成，其中，参考耦合器的输出端口接长度可调节直波导的输入端口，长度可调节直波导的输出端口接测量耦合器的输入端口，测量耦合器的输出端口接辐射喇叭的输入端口。本发明专利技术设计结构简单，功率容量大，克服了高阶模式孔缝小耦合量难以标定准确的缺点，可以应用于高功率微波TM0n混合模式的诊断。

【技术实现步骤摘要】
高功率微波TM0n混合模式在线测量装置及测量方法
本专利技术涉及高功率微波测量
中的一种测量装置及测量方法，尤其是一种用于诊断X、Ku、Ka等高频段高功率微波源输出的TM0n(n＝0，1，2，…)混合模式的在线测量装置及测量方法。
技术介绍
无论何种形式的高功率微波(HPM)系统，最终都需要将高功率微波源分系统所产生的高功率微波通过高功率微波发射分系统以特定的方式发射出去。因此，高功率微波发射分系统是整个高功率微波系统的终端，是高功率微波应用的重要环节之一。随着高功率微波系统向实用化发展，研制结构紧凑、轻便、环境适应性强的发射分系统成为HPM应用的迫切需求。同时，基于高功率微波源向更高频段发展的现状，例如X、Ku、Ka等波段，其为提高输出功率通常采用过模结构，这对研究高频段高功率容量的发射系统带来了很多新的问题，例如：高频段过模高功率微波源在保证功率效率的同时很难确保输出主模的高纯度，其输出模式一般为TM0n混合模式，而现有的高功率微波紧凑化发射系统基本上工作于较低波段，通过单一模式驱动，因此应用于这类高功率微波紧凑化发射系统中的发射天线无法直接作为高频段过模高功率微波源的发射终端。为实现混合模式的高效辐射，需要在微波源与发射天线之间实现混合模式到单一模式转换【中国专利申请：CN201410221135.0，“高功率微波圆波导插板混合模式转换器”，公开号：103956537A，公开日：2014-07-30；中国专利申请：CN201410221121.9，“高功率微波圆波导阶梯混合模式转换器”，公开号：103956551A，公开日：2014-07-30】，并且在此基础之上研制出高频段紧凑化天线【专利号：ZL201310043717.X，“高功率微波径向线缝隙阵列天线”】，这一工作在高功率微波领域研究中属首创。为有效实现混合模式转换，需要对过模高功率微波源的输出模式进行较为准确的模式成分诊断，即各模式间的幅值比以及相位差。截至目前，公开文献报道的关于高功率微波测量较为准确的方法是测量单一TM01模式的功率，包括定向耦合器在线测量法和远场球带积分法。混合模式成分诊断的方法准确度较低，尤其模式间的相位差更是难以测定。就当前技术而言，要较准确分析出吉瓦(GW)量级微波TM0n混合模式成分的具体参数，包括幅值比和相位差等，还存在相当大的困难，难点主要集中在两点：(1)在线测量在保证功率容量的前提下，高阶模式单模的孔缝小耦合量的标定精度不够；(2)远场测量易受环境因素影响，误差大，难以准确测得极小值点。而这两个困难在目前难以找到有效的解决方法，所以需要转变测量方式才有可能找到比较好的解决方案。因此过模结构下高功率微波源输出的TM0n混合模式微波诊断历来是技术难点，有效解决这一问题将对高功率微波源基础性研究和集成应用发挥重要作用，也是实现TM0n混合模式转换的前提。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有传统高功率微波在线测量装置中高阶TM0n模孔缝小耦合量标定难度大的缺点，提供一种免去孔缝耦合标定精度要求、并且具有较高测量精度的高功率微波TM0n混合模式在线测量装置及测量方法。本专利技术采用的技术方案为：本专利技术高功率微波TM0n混合模式在线测量装置，由参考耦合器、长度可调节直波导、测量耦合器和辐射喇叭组成，其中，参考耦合器的输出端口接长度可调节直波导的输入端口，长度可调节直波导的输出端口接测量耦合器的输入端口，测量耦合器的输出端口接辐射喇叭的输入端口。所述参考耦合器由参考圆波导和参考耦合矩形波导组成，所述参考圆波导长度为L1，内半径为R1，所述参考耦合矩形波导长度为L2，高度为h，宽度为w，附着在参考圆波导的外壁表面，其轴线与参考圆波导的轴线平行，定义参考耦合矩形波导的左端为隔离端口，右端为输出端口；所述参考圆波导腔体与所述参考耦合矩形波导腔体之间通过沿参考圆波导波导壁上轴向排列的圆形小孔相互耦合，所述圆形小孔(耦合孔)沿参考圆波导轴向等间距排列，间距为S，满足0.2λ0<S<0.5λ0，λ0为待测微波中心频点f0所对应的自由空间波长，圆形小孔的直径d均相同，满足0.05λ0<d<0.4λ0。耦合孔的这种结构与排列方式使得从参考矩形波导输出端口输出的微波信号远大于隔离端口输出的微波信号，一般其功率比大于30dB，同时使得在参考圆波导中待测微波的能量通过圆形小孔仅仅耦合一小部分(例如-60dB)进入参考矩形波导，而圆形小孔的结构和排列方式并不会影响待测微波的传播特征，即待测的TM0n混合模式微波的幅值比与相位差均保持不变。所述长度可调节直波导为一段轴向总长度可以调节的普通圆波导，其初始长度为L3，经拉伸后其最大长度可以达到L3+ΔL，内半径等于参考圆波导的内半径R1，用于在实验测量中获得不同的测量状态。所述测量耦合器由测量圆波导、测量耦合矩形波导、圆柱形套筒和支撑杆组成，所述测量圆波导与所述参考耦合器中参考圆波导结构相同，所述测量耦合矩形波导与所述参考耦合器中参考耦合矩形波导结构相同，所述测量圆波导与测量耦合矩形波导的耦合关系与所述参考耦合器中参考圆波导与参考耦合矩形波导的耦合关系相同；所述圆柱形套筒的长度与所述测量圆波导的长度相同，内半径为R2，通过前后两个支撑杆支撑并固定在测量圆波导的内壁上，并通过支撑杆与测量圆波导形成电连接，前后两个支撑杆之间的间距为L4。所述辐射喇叭由外层喇叭、内层喇叭和介质罩组成，所述外层喇叭与测量耦合器的测量圆波导连接，其长度为L5，半径为R3，所述内层喇叭与测量耦合器的圆柱形套筒连接，其长度为L6，半径为R4；所述外层喇叭的输出口被介质罩密封，使得整个测量装置可以保持真空，提升测量装置的整体功率容量。该辐射喇叭结构用于实现高功率微波TM0n混合模式在本测量装置的终端高效辐射到自由空间，达到匹配传输的目的，避免了微波反射对装置测量过程中造成的不良影响。特别地，所述高功率微波TM0n混合模式在线测量装置还满足以下条件：所述参考耦合器中参考圆波导的输入半径R1与被测高功率微波源的输出端口半径相同，长度L1大于等于参考耦合矩形波导的长度L2，其满足L2≤L1≤3L2，参考圆波导和参考耦合矩形波导之间通过q个小孔进行耦合，其满足2≤q≤8，所述参考耦合矩形波导的矩形腔体宽度w满足0.5λ0<w<λ0，矩形腔体高度h满足0.2λ0<h<0.5λ0。所述长度可调节直波导是一沿轴向可伸缩的灵活部件，其最大拉伸长度为L3+ΔL：在实际测量过程中，因为需要获得不同长度结构下的长度可调节直波导以完成多次TM0n混合模式在不同相位状态下的测量，具体的L3设计要依据TM0n混合模式的个数n和参考耦合器中参考圆波导的输入半径R1确定。所述测量耦合器中测量圆波导与参考耦合器中参考圆波导结构设计方法相同，测量耦合矩形波导与参考耦合矩形波导结构设计方法相同，测量圆波导腔体和测量耦合矩形波导腔体之间的耦合孔与参考耦合器的耦合孔的结构设计相同；所述圆柱形套筒是整个测量装置中的关键部件，用于将TM0n混合模式转换为单一的同轴TEM模式，以便在测量耦合矩形波导中实现TM0n混合模式微波的单模TEM耦合输出，其半径R1应满足(R1–R2)<0.5λ0；所述前支本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高功率微波TM0n混合模式在线测量装置，其特征在于：该测量装置由参考耦合器(1)、长度可调节直波导(2)、测量耦合器(3)和辐射喇叭(4)组成，其中，参考耦合器(1)的输出端口接长度可调节直波导(2)的输入端口，长度可调节直波导(2)的输出端口接测量耦合器(3)的输入端口，测量耦合器(3)的输出端口接辐射喇叭(4)的输入端口；所述参考耦合器(1)由参考圆波导(101)和参考耦合矩形波导(102)组成，所述参考圆波导(101)长度为L1，内半径为R1，所述参考耦合矩形波导(102)长度为L2，高度为h，宽度为w，附着在参考圆波导(101)的外壁表面，其轴线与参考圆波导(101)的轴线平行；所述参考圆波导(101)腔体与所述参考耦合矩形波导(102)腔体之间通过沿参考圆波导(101)波导壁上轴向排列的圆形小孔相互耦合，所述圆形小孔沿参考圆波导(101)轴向等间距排列，间距为S，满足0.2λ0<S<0.5λ0，λ0为待测微波中心频点f0所对应的自由空间波长，圆形小孔的直径d均相同，满足0.05λ0<d<0.4λ0；所述长度可调节直波导(2)为一段轴向总长度可以调节的普通圆波导，其初始长度为L3，经拉伸后其最大长度可以达到L3+ΔL，长度可调节直波导(2)的内半径等于参考圆波导(101)的内半径R1；所述测量耦合器(3)由测量圆波导(301)、测量耦合矩形波导(302)、圆柱形套筒(303)和支撑杆(304)组成，所述测量圆波导(301)与所述参考耦合器(1)中参考圆波导(101)结构相同，所述测量耦合矩形波导(302)与所述参考耦合器(1)中参考耦合矩形波导(102)结构相同，所述测量圆波导(301)与测量耦合矩形波导(302)的耦合关系与所述参考耦合器(1)中参考圆波导(101)与参考耦合矩形波导(102)的耦合关系相同；所述圆柱形套筒(303)的长度与所述测量圆波导(301)的长度相同，内半径为R2，通过前后两个支撑杆(304A,304B)支撑并固定在测量圆波导(301)的内壁上，并通过支撑杆(304A,304B)与测量圆波导(301)形成电连接，前后两个支撑杆(304A,304B)之间的间距为L4；所述辐射喇叭(4)由外层喇叭(401)、内层喇叭(402)和介质罩(403)组成，所述外层喇叭(401)与测量耦合器(3)的测量圆波导(301)连接，其长度为L5，半径为R3，所述内层喇叭(402)与测量耦合器(3)的圆柱形套筒(303)连接，其长度为L6，半径为R4；所述外层喇叭(401)的输出口被介质罩(403)密封。...

【技术特征摘要】
1.一种高功率微波TM0n混合模式在线测量装置，其特征在于：该测量装置由参考耦合器(1)、长度可调节直波导(2)、测量耦合器(3)和辐射喇叭(4)组成，其中，参考耦合器(1)的输出端口接长度可调节直波导(2)的输入端口，长度可调节直波导(2)的输出端口接测量耦合器(3)的输入端口，测量耦合器(3)的输出端口接辐射喇叭(4)的输入端口；所述参考耦合器(1)由参考圆波导(101)和参考耦合矩形波导(102)组成，所述参考圆波导(101)长度为L1，内半径为R1，所述参考耦合矩形波导(102)长度为L2，高度为h，宽度为w，附着在参考圆波导(101)的外壁表面，其轴线与参考圆波导(101)的轴线平行；所述参考圆波导(101)腔体与所述参考耦合矩形波导(102)腔体之间通过沿参考圆波导(101)波导壁上轴向排列的圆形小孔相互耦合，所述圆形小孔沿参考圆波导(101)轴向等间距排列，间距为S，满足0.2λ0<S<0.5λ0，λ0为待测微波中心频点f0所对应的自由空间波长，圆形小孔的直径d均相同，满足0.05λ0<d<0.4λ0；所述长度可调节直波导(2)为一段轴向总长度可以调节的普通圆波导，其初始长度为L3，经拉伸后其最大长度可以达到L3+ΔL，长度可调节直波导(2)的内半径等于参考圆波导(101)的内半径R1；所述测量耦合器(3)由测量圆波导(301)、测量耦合矩形波导(302)、圆柱形套筒(303)和支撑杆(304)组成，所述测量圆波导(301)与所述参考耦合器(1)中参考圆波导(101)结构相同，所述测量耦合矩形波导(302)与所述参考耦合器(1)中参考耦合矩形波导(102)结构相同，所述测量圆波导(301)与测量耦合矩形波导(302)的耦合关系与所述参考耦合器(1)中参考圆波导(101)与参考耦合矩形波导(102)的耦合关系相同；所述圆柱形套筒(303)的长度与所述测量圆波导(301)的长度相同，内半径为R2，通过前支撑杆(304A)和后支撑杆(304B)支撑并固定在测量圆波导(301)的内壁上，并通过前支撑杆(304A)和后支撑杆(304B)与测量圆波导(301)形成电连接，前支撑杆(304A)和后支撑杆(304B)之间的间距为L4；所述辐射喇叭(4)由外层喇叭(401)、内层喇叭(402)和介质罩(403)组成，所述外层喇叭(401)与测量耦合器(3)的测量圆波导(301)连接，其长度为L5，半径为R3，所述内层喇叭(402)与测量耦合器(3)的圆柱形套筒(303)连接，其长度为L6，半径为R4；所述外层喇叭(401)的输出口被介质罩(403)密封。2.一种如权利要求1所述高功率微波TM0n混合模式在线测量装置，其特征在于：所述参考耦合器(1)中参考圆波导(101)的输入半径R1与被测高功率微波源的输出端口半径相同，长度L1大于等于参考耦合矩形波导(102)的长度L2，满足L2≤L1≤3L2，参考圆波导(101)和参考耦合矩形波导(102)之间通过q个小孔进行耦合，满足2≤q≤8，所述参考耦合矩形波导(102)的矩形腔体宽度w满足0.5λ0<w<λ0，矩形腔体高度h满足0.2λ0<h<0.5λ0。3.一种如权利要求1所述高功率微波TM0n混合模式在线测量装置，其特征在于：所述长度可调节直波导(2)的长度L3依据TM0n混合模式的个数n和参考耦合器(1)中参考圆波导(101)的输入半径R1确定。4.一种如权利要求1所述高功率微波TM0n混合模式在线测量装置，其特征在于：所述测量耦合器(3)中圆柱形套筒(303)的半径R1应满足(R1–R2)<0.5λ0；所述前支撑杆(304A)与后支撑杆(304B)结构相同，由k个沿圆周方向均匀分布的金属支撑块构成，k满足fc(TEk1)>f0，即同轴波导中传输的TEk1模式微波的截止频率fc要大于待测微波的中心频点f0，其中TEk1模式指的是一种特定的微波电场分布，下标k反应出电场的角向分布特性，1反映出电场的径向分布特性，前支撑杆(304A)与后支撑杆(304B)之间的间距L4要足够远，使得由测量圆波导(301)和圆柱形套筒(303)组成的同轴波导内由于支撑杆结构引起的高阶模式电场衰减到足够小，避免此类高阶模式杂模耦合进入测量耦合矩形波导(302)。5.一种如权利要求1所述高功率微波TM0n混合模式在线测量装置，其特征在于：所述辐射喇叭(4)中外层喇叭(401)的半径R3要足够大，使得喇叭辐射口面的功率容量够高，避免发生射频击穿现象，同时，外层喇叭(401)的长度L5要足够大，实现辐射喇叭的平缓过渡，降低TM0n混合模式的驻波比；内层喇叭(402)的长度L6和输出半径R4应满足0.1L5<L6<0.5L5，0.1R3<R4<0.5R3。6.一种如权利要求1所述高功率微波TM0n混合模式在线测量装置，其特征在于：待测TM0n混合模式个数n＝3时，满足R1＝37mm，R2＝33mm，R3＝300mm，R4＝85mm，L1＝80mm，L2＝90mm，L3＝30mm，L4＝160mm，L5＝700mm，L6＝240mm，w＝16mm，h＝8mm，p＝6，S＝7.5mm，d＝3mm。7.一种采用如权利要求1所述装置进行高功率微波TM0n混合模式在线测量方法，其特征在于该方法如下：(1)根据待测TM0n混合模式的个数n确定测量状态的次数m，即长度可调节直波导的长度变化次数，通常取n＝m，再根据测量次数m确定ΔL3的值，ΔL3为每次测量的长度改变量，ΔL3m＝m×ΔL3小于等于长度可调节直波导的最大长度调节范围ΔL，ΔL3m为经过m次测量状态后总的长度改变量，0.5ΔL≤ΔL3m≤ΔL；(2)对第一次状态测量，将长度可调节直波导拉伸至长度等于L3+1×ΔL3，之后开始进行TM0n混合模式微波的测量，利用矢量网络分析仪测量参考矩形波导输出口和测量矩形波导输出口相应微波信号的幅值比Q1和相位差s1；(3)对第二次状态测量，将长度可调节直波导拉伸至长度等于L3+2×ΔL3，之后开始进行TM0n混合模式微波的测量，利用矢量网络分析仪测量参考矩形波导输出口和测量矩形波导输出口相应微波信号的幅值比Q2和相位差s2；(4)以此类推...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭升人，袁成卫，舒挺，张强，张军，张晓萍，葛行军，靳振兴，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43