一種微波功率合成方法
2023-05-31 17:09:36
專利名稱：一種微波功率合成方法
技術領域：
本發明屬於微波技術領域，具體涉及一種微波發射功率合成方法。
背景技術：
我國開展微波技術研究已經有幾十年了，但一直以來都停留在「單臺微波源+天線系統」的技術層面。單臺微波源要輸出更高功率微波受到了從高電壓技術、絕緣技術、系統散熱、器件技術、天饋結構到運輸等諸多方面的限制，技術風險大且應用可行性差，因此，傳統的「單臺微波源+天線系統」技術路線將很難滿足高功率微波的應用要求。
發明內容
針對傳統的「單臺微波源+天線系統」技術路線存在的技術風險大、應用可行性差、很難滿足更高功率應用需求的技術現狀，本發明提供一種新型高功率微波發射合成方法，該技術線既能降低技術風險、解決應用可行性問題，還能通過多系統的模塊化擴展實現更高功率微波輸出水平。本發明的微波功率合成方法，由包括脈衝功率源、相對論速調管放大器、同步控制系統和輻射天線系統來實現，所述的微波功率合成方法包括如下內容多臺脈衝功率源輸出的電子束，經多路觸發系統同步控制電子束出束時間間隔，再經過相對論速調管放大器產生一定寬度和功率的微波，該微波通過種子源使多束微波鎖相，並通過移相器控制微波相位同步，然後經過輻射天線後向目標輻射，在目標物體上實現功率合成。所述的脈衝功率源為直線變壓器驅動型脈衝功率源。所述的電子束是這樣產生的直線變壓器驅動型脈衝功率源由充電電源同時並分別通過多臺變壓器後給脈衝形成網絡充電，多臺雷射器分別觸發多臺直線變壓器驅動型脈衝功率源的主開關輸出高壓脈衝驅動多臺相對論速調管放大器的二極體，在引導磁場的作用下二極體產生的電子束穿過器件。所述的變壓器配置獨立的充電電源，充電電源在控制系統的引導下能同時對多臺變壓器充電。所述的微波相位同步是這樣實現的種子源經過功分器後注入多臺相對論速調管放大器的輸入腔，除第一臺相對論速調管放大器外，在其它輸入腔上分別接上一個波導移相器，調節注入相對論速調管放大器的微波相位，使其與第一路微波同相位。所述的功率合成既可以工作在脈衝功率源單次運行狀態，也可以工作在脈衝功率源重複頻率運行狀態。所述的引導磁場為恆流源引導磁場。應用本發明的微波功率合成方法，可以通過低功率微波發射系統的簡單排列或陣列，達到獲取高功率微波；而低功率微波發射系統作為一種成熟技術，其實現難度低，技術風險小，工程代價也較低。另外，作為成熟的低功率微波發生系統，其體積較小，適合於機動性和靈活性要求。
圖1為兩路脈衝功率源功率合成系統原理框圖。圖2為兩臺脈衝功率源輻射合成電場分布圖計算結果。圖3為兩臺脈衝功率源同步輸出電壓波形。圖4為氖燈亮度顯示的空間合成功率密度效果。圖5為兩臺脈衝功率源同時運行時天線內和輻射合成波形。圖6為兩臺脈衝功率源同時重頻5Hz運行時單臺源輸出波形和合成波形。
具體實施例方式微波功率合成是指兩臺或兩臺以上獨立的微波源進行單次或重複頻率的同步運行，產生的微波經各自天線向目標輻射，通過鎖頻鎖相技術控制微波相位同步，實現微波電場在目標物上的高效率同相疊加。功率合成系統重要組成部分包括脈衝功率源、相對論速調管放大器、同步控制系統和輻射天線等，微波功率合成的實現方法是總控系統控制兩臺脈衝功率源按要求輸出率電子束，兩路觸發系統精確同步控制電子束出束時間間隔，經過相對論速調管放大器產生一定寬度和功率的微波，微波種子源使雙束微波鎖頻鎖相，並通過移相器控制微波相位同步，並經過天線後向目標輻射，在目標物上實施功率相干合成。圖1所示為兩臺脈衝功率源微波功率合成系統工作原理框圖。兩臺脈衝功率源由充電電源同時並分別通過兩臺變壓器後給脈衝形成網絡(簡稱PFN)充電，兩臺雷射器分別觸發兩臺LTD源的主開關輸出脈衝高壓驅動兩套RKA的二極體，在恆流源引導磁場的作用下二極體產生的電子束穿過器件。兩套RKA採用一臺速調管種子源經過功分器後注入兩臺RKA的輸入腔，其中一路接上一個大功率波導移相器，調節注入RKA的微波相位，使其與另一路微波同相位。每一路RKA輸出微波經過TEM—TMO1—TE11模式轉換器後，通過天線向目標輻射， 而且在輸出微波的圓波導外導體壁上安裝了一個雙定向耦合器監測天線內的微波。合成效果的仿真計算結果如圖2所示。從圖2可以看出，兩個輻射喇叭並排輻射時，空間合成場形成了 3個明顯的增強區和兩個場強減弱區，其中兩個喇叭的中軸線合成場強最大(兩路輻射喇叭微波相位相同)。圖3為兩臺脈衝功率源同步輸出二極體電壓波形。從圖可以看出，25個波形重疊的很好，幾乎是一個波形。將微波種子源功分並移相後分別驅動兩臺RKA，在脈寬IOOns時間內兩套RKA輸出微波的相差波動小於士 10度、脈寬200ns時間內的相差波動小於士20度，頻率完全一致。 由於兩臺脈衝功率源輸出電壓和微波參數比較一致，所以兩臺脈衝功率源輸出微波的相位差波動比單個脈衝功率源輸入與輸出微波之間的相位波動小。通過調節RKAl線路中的波導移相器，使兩路RKA輸出的微波信號實現了頻率和相位的鎖定，兩路輸出微波達到喇叭軸線遠場點的相對相差接近為零。同時運行兩臺脈衝功率源時的相干合成空間功率合成功率密度強弱分布如圖5。由圖5所示的合成微波信號的實時波形和頻譜波形可以看出，合成微波信號波形幅度比較均勻、頻譜單一，再次旁證了兩路RKA輸出微波頻率一致、相位基本一致。從圖4可以看出，兩路脈衝功率源合成後得到了較好的幹涉條紋效果。兩臺脈衝功率源同時重頻5Hz運行時單臺源輸出波形和合成波形如圖6所示。從圖可以看出，重頻5Hz運行時，合成波形比較穩定，說明兩臺脈衝功率源輸出幅度和頻率穩定。綜上所述，功率合成方法已得到實驗證明，運用該技術可以推廣到多臺微波功率合成的實驗研究和工程應用中。
權利要求
1.一種微波功率合成方法，由包括脈衝功率源、相對論速調管放大器、同步控制系統和輻射天線系統來實現，其特徵在於，所述的微波功率合成方法包括如下內容多臺脈衝功率源輸出的電子束，經多路觸發系統同步控制電子束出束時間間隔，再經過相對論速調管放大器產生一定寬度和功率的微波，該微波通過種子源使多束微波鎖相，並通過移相器控制微波相位同步，然後經過輻射天線後向目標輻射，在目標物體上實現功率合成。
2.根據權利要求1所述的微波功率合成方法，其特徵在於所述的脈衝功率源為直線變壓器驅動型脈衝功率源。
3.根據權利要求1或2所述的微波功率合成方法，其特徵在於所述的電子束是這樣產生的直線變壓器驅動型脈衝功率源由充電電源同時並分別通過多臺變壓器後給脈衝形成網絡充電，多臺雷射器分別觸發多臺直線變壓器驅動型脈衝功率源的主開關輸出高壓脈衝驅動多臺相對論速調管放大器的二極體，在引導磁場的作用下二極體產生的電子束穿過器件。
4.根據權利要求3所述的微波功率合成方法，其特徵在於所述的變壓器配置獨立的充電電源，充電電源在控制系統的引導下能同時對多臺變壓器充電。
5.根據權利要求1所述的微波功率合成方法，其特徵在於所述的微波相位同步是這樣實現的種子源經過功分器後注入多臺相對論速調管放大器的輸入腔，除第一臺相對論速調管放大器外，在其它輸入腔上分別接上一個波導移相器，調節注入相對論速調管放大器的微波相位，使其與第一路微波同相位。
6.根據權利要求1所述的微波功率合成方法，其特徵在於所述的功率合成既可以工作在脈衝功率源單次運行狀態，也可以工作在脈衝功率源重複頻率運行狀態。
7.根據權利要求3所述的微波功率合成方法，其特徵在於所述的引導磁場為恆流源引導磁場。
全文摘要
本發明提供了一種微波功率合成方法，由包括脈衝功率源、相對論速調管放大器、同步控制系統和輻射天線系統來實現，多臺脈衝功率源輸出的電子束，經多路觸發系統同步控制電子束出束時間間隔，再經過相對論速調管放大器產生一定寬度和功率的微波，該微波通過種子源使多束微波鎖相，並通過移相器控制微波相位同步，然後經過輻射天線後向目標輻射，在目標物體上實現功率合成。採用本發明的高功率微波空間功率合成方法，可以通過低功率微波發射系統的簡單排列或陣列進行功率合成，達到獲取高功率微波的效果。
文檔編號H03H11/16GK102510271SQ201110365738
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月18日 優先權日2011年11月18日
發明者何琥, 劉倉理, 向飛, 常安碧, 康強, 李名加, 王淦平, 羅光耀, 羅敏, 譚傑, 金曉, 金暉, 黃華, 龔勝剛 申請人:中國工程物理研究院應用電子學研究所