微波合束髮射裝置的製作方法
2023-06-21 10:35:06 1
專利名稱：微波合束髮射裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及微波功率合成技術，特別涉及一種微波合束髮射裝置。
背景技術：
近年來，隨著微波技術的快速發展，定向能武器、粒子加速器、無線能量傳輸和電子對抗等領域對高功率微波(HPM)源的需求日趨強烈。微波源的輸出功率大小是一個重要的技術參數。一方面雖然現在諸如相對論磁控管、相對論返波管和速調管等微波源的單個輸出功率得到了很大提高，很多都已達到了 GW級別，但是由於受腔體內擊穿電壓等物理機制和工藝結構限制，單個微波輻射源(簡稱為微波源)都存在輸出功率上限，依然很難滿足大功率微波系統的要求。利用單個微波源驅動的天線也很難在目標區域提供足夠大的功率密度，達到預期的目的。利用多個功率源組成的陣列進行功率合成是一種能大幅提高微波發射功率，增加作用距離和探測距離的有效手段。因此，加強對微波功率合成的研究對雷達、測控、軍事對抗、能量傳輸和通信領域等具有重要意義。另一方面，在實際微波毫米波電路設計中，為了克服傳統行波管和速調管等大功率器件尺寸、重量過大，可靠性低等問題， 人們廣泛採用微波固態器件作為功率源。它具有質量小、尺寸小、功耗低，可靠性高等引人注目的優點。但令人遺憾的是，由於受半導體特性及散熱條件等的影響，它的輸出功率上限受到嚴重製約。單個微波固態源目前還很難滿足大功率毫米波通信的要求。採用多個微波源進行功率合成，形成較高的功率輸出是充分發揮微波固態器件優勢的必由之路。因此，毫米波功率合成的研究自從出現以來就一直是微波領域的一個重要研究熱點。為了達到高效率的功率合成，現有的微波功率合成技術大都需要採用諸如鎖相環、腔控、同步鎖相等方式來保證各路合成信號參數的一致性，我們稱之為「相干微波功率合成」。相干微波功率合成的最基本、最核心也是最困難的技術問題就是如何嚴格精確控制各路待合成信號的相位。為了達到相干微波功率合成這個目標，人們發展了 「鏈式功率合成」、「注入式鎖相」等技術，高功率移相器、鎖相環等器件也被廣泛採用。然而，隨著功率的進一步提高和合成單元數目的進一步的增加，這些技術本身大都遇到了造價昂貴、系統結構複雜、饋電系統繁瑣等難以解決的問題。當各路合成信號不能在一定時間內滿足相位差恆定(很多情況下要求相位差為零)時，我們稱之為「非相干微波功率合成」。非相干微波功率合成由於不要求對各微波源參數進行嚴格精確控制，可以擺脫傳統相干微波功率合成對各個微波源頻率、相位和幅度一致性的嚴格要求，節省移相器、鎖相環等相關相位控制器件，實現合成系統的精簡，從而降低成本。
發明內容
本發明所要解決的技術問題，就是提供一種微波合束髮射裝置，對多路非相干微波源進行功率合成，形成大功率微波合束髮射。本發明解決所述技術問題，採用的技術方案是，微波合束髮射裝置，包括反射面和
3至少2個微波輻射源，其特徵在於，所述反射面為拋物面，所述微波輻射源發射的微波經所述拋物面反射後向同一方向發射，所述微波輻射源為非相干微波輻射源。拋物面是由拋物線繞其對稱軸旋轉180°構成的。從拋物面焦點發出的電磁波，經拋物面發射後能夠成為沿對稱軸發射的平行波束。本發明的技術方案，利用拋物面將多個微波輻射源的能量反射到同一個方向，形成合束髮射，從而在目標區域獲得高功率密度微波能量。本發明無需對每個微波輻射源的相位進行控制，大大的降低了成本和系統的複雜性。目標區域的微波能量密度只與每個微波輻射源的功率大小、微波輻射源的個數和反射面的口徑相關，與各個微波輻射源之間是否相干無關。進一步的，所述微波輻射源均勻分布在所述拋物面焦點周圍，與焦點的距離遠遠小於所述焦點與所述反射面的最小距離。微波輻射源均勻分布在拋物面焦點周圍，並儘可能接近焦點，在拋物面口徑足夠大，微波輻射源與焦點的距離遠遠小於焦點到反射面的最小距離時，可以認為各個微波輻射源的微波是從焦點發出的，能夠使反射面口徑上產生平面波前，提高反射面的增益。為了提高微波的功率密度，從每個微波輻射源發出的微波都要儘量輻射到整個反射面上，提高反射面的口徑效率，如採用定向發射天線等。優選的，所述微波輻射源之一置於所述焦點上，其餘均勻分布在所述拋物面焦點周圍，且與焦點的距離遠遠小於所述焦點與反射面的最小距離。這種微波輻射源的布置方式，可以充分利用拋物面的焦點，便於布置更多的微波輻射源。進一步的，所述微波輻射源與反射面採用偏置饋源方式配置，使所述微波輻射源置於所述反射面反射路徑之外。採用偏置饋源方式配置，拋物面的焦點不在拋物面的反射路徑內，布置在焦點附近的微波輻射源處於反射路徑之外，不會阻擋反射波，能夠提高反射率。進一步的，所述拋物面的頂點為反射面的中心，其與焦點的連線為反射面的對稱軸，所述微波輻射源以所述旋轉軸為對稱軸，均勻分布在所述焦點周圍。該方案採用拋物面的底部部分作為反射面，具有最大的有效口徑，但微波輻射源會遮擋一部分反射波。進一步的，所述微波輻射源置於旋轉橢球面的一個焦點上，所述旋轉橢球面的另一個焦點與所述拋物面焦點重合，所述旋轉橢球面由橢圓繞其長軸旋轉構成。旋轉橢球面的特性是，從旋轉橢球面的一個焦點發出的微波，經該旋轉橢球面反射後匯聚到該旋轉橢球面的另一個焦點上。將微波輻射源置於旋轉橢球面的一個焦點上， 利用旋轉橢球面的反射特性，通過選擇旋轉橢球面的結構參數(主要是兩個焦點的距離)， 可以適應不同的拋物面而將微波輻射源置於反射路徑之外。推薦的，所述拋物面的頂點為反射面的中心，其與焦點的連線為反射面的對稱軸， 所述微波輻射源以所述對稱軸為對稱軸，均勻分布在所述反射面周邊。該方案特別適合採用拋物面的底部部分作為反射面，並可以採用大口徑反射面， 布置更多的微波輻射源，從而提高微波功率密度。優選的，所述微波輻射源分布在所述拋物面反射路徑之外。由於微波輻射源帶有反射器(旋轉橢球面)，如果置於拋物面反射口徑內，將會增加遮擋作用，造成微波功率損失，有必要而且有條件將微波輻射源置於拋物面反射路徑之外。推薦的，所述微波輻射源為固態源。固態源發射功率相對較小，最適合採用本發明的方案進行合束髮射，提高波束功率。優選的，所述微波輻射源發射的微波為毫米波。毫米波位於微波的高頻端，具有很多有益的特性，如容易實現定向發射、通信容量大、定位精度高、穿透力強等，採用本發明的合束髮射技術，可以提高波束的功率密度，獲得高功率的毫米波，實現各種特殊用途。本發明的有益效果是，採用非相干微波輻射源，無需對每個微波輻射源的相位進行控制，大大的降低了成本和系統的複雜性。發射到目標區域的微波能量密度只與每個微波輻射源功率大小、個數和反射面的口徑相關，與各個微波輻射源是否相干無關，特別適合需要高功率密度微波覆蓋的應用場合。
圖1是實施例1的示意圖2是圖1的平面示意圖3是實施例2的示意圖4是實施例3的示意圖5是實施例4的示意圖6是圖5的平面示意圖7是實施例5的示意圖。
圖中10、20、30為微波輻射源；1、2、3為旋轉橢球面；5為反射面。
具體上述方式
下面結合附圖及實施例，詳細描述本發明的技術方案。
本發明的微波合束髮射裝置，包括反射面、2個或2個以上的微波輻射源。本發明
的反射面採用由拋物線繞其對稱軸旋轉180°構成的拋物面反射面，每個微波輻射源發射的微波經過拋物面反射後，都沿拋物面的對稱軸方向發射，在該方向形成高功率密度的微波束。本發明採用的微波輻射源為非相干微波輻射源，無需對每個微波輻射源的相位進行控制，大大的降低了成本和系統的複雜性。實施例1如圖1所示，本例微波合束髮射裝置採用2個微波輻射源，包括拋物面5、微波輻射源10和微波輻射源20。圖中帶箭頭的實線表示微波輻射源10發射的微波，帶箭頭的虛線表示微波輻射源20發射的微波。微波輻射源10和20均勻分布在拋物面5的焦點0周圍， 與焦點0的距離遠遠小於焦點0到反射面的最小距離，參見圖2。微波輻射源10和微波輻射源20發射的微波可以看成是由焦點0發出的，其反射方向如圖1中箭頭所示，均指向拋物面5的對稱軸方向。本例拋物面5為拋物面的底部部分，拋物面5的頂點為反射面的中心，該中心與焦點的連線就是反射面的對稱軸。這裡微波輻射源也以該對稱軸為對稱軸，均勻分布在焦點0周圍。本例反射面口徑為圓形，相對於其他拋物面反射面，具有更大的有效口徑。實施例2本例微波輻射源共三個，如圖3中的微波輻射源10、微波輻射源20和微波輻射源 30。他們均勻分布在拋物面5的焦點0周圍。由於微波輻射源10、微波輻射源20和微波輻射源3與焦點0的距離相等，且均遠遠小於所述焦點0與反射面5的最小距離，所以他們發射微波也可以看成是由焦點0發出的。本例其他結構可以參見實施例1的描述。本例如果在焦點0處再布置一個微波輻射源，可以構成4個微波輻射源構成的微波合束髮射裝置。實施例3本例微波輻射源10、20與反射面5採用偏置饋源方式配置，如圖4所示使，微波輻射源10和微波輻射源20均置於反射面5的反射路徑之外，不會遮擋反射波。顯然，本例也可以像實施例2 —樣採用3個或4個微波輻射源。實施例4本例微波合束髮射裝置採用2個微波輻射源，微波輻射源10置於旋轉橢球面1的一個焦點上，微波輻射源20置於旋轉橢球面2的一個焦點上。旋轉橢球面1和旋轉橢球面 2的另一個焦點與拋物面5的焦點0重合，如圖5所示。本例旋轉橢球面1和旋轉橢球面2 均由橢圓繞其長軸旋轉構成，根據該旋轉橢球面的性質，由其焦點發出的微波，經過旋轉橢球面反射後，匯聚到另一個焦點上。當該另一個焦點與拋物面5的焦點0重合時，就可以看成是由拋物面5的焦點0發射的微波。這種布置方式理論上可以布置無限多個微波輻射源， 經過拋物面5反射後向同一方向發射。該方案具有微波輻射源數量配置靈活，可以非常容易地將微波輻射源及其旋轉橢球面置於拋物面5的反射路徑之外，從而避免對反射波的阻擋，參見圖5和圖6。實施例5本例拋物面5為拋物面的底部部分，拋物面5的頂點為反射面的中心，該中心與焦點的連線就是反射面的對稱軸。本例布置了 3個微波輻射源，參見圖7。圖中的微波輻射源10、20和30被分別置於旋轉橢球面1、2和3的一個焦點上，他們的另一個焦點與拋物面 5的焦點0重合。微波輻射源10、20和30以拋物面5的對稱軸為對稱軸，均勻分布在拋物面5的周圍。本例反射面口徑為圓形，相對於其他拋物面反射面，具有更大的有效口徑。本例微波輻射源10、20和30均採用固態源，其微波功率源均為微波固態器件，具有結構緊湊、 體積小、可靠性高的特點，其發射的微波頻率處於微波的高端，波長為1 IOmm的毫米波頻段。上述實施例4和實施例5最適合採用拋物面的底部部分作為反射面，而且所有旋轉橢球面都可以採用相同的結構參數，從而降低製造成本，提高微波反射率。
權利要求
1.微波合束髮射裝置，包括反射面和至少2個微波輻射源，其特徵在於，所述反射面為拋物面，所述微波輻射源發射的微波經所述拋物面反射後向同一方向發射，所述微波輻射源為非相干微波輻射源。
2.根據權利要求1所述的微波合束髮射裝置，其特徵在於，所述微波輻射源均勻分布在所述拋物面焦點周圍，與焦點的距離遠遠小於所述焦點與所述反射面的最小距離。
3.根據權利要求1所述的微波合束髮射裝置，其特徵在於，所述微波輻射源之一置於所述焦點上，其餘均勻分布在所述拋物面焦點周圍，且與焦點的距離遠遠小於所述焦點與反射面的最小距離。
4.根據權利要求1、2或3所述的微波合束髮射裝置，其特徵在於，所述微波輻射源與反射面採用偏置饋源方式配置，使所述微波輻射源置於所述反射面反射路徑之外。
5.根據權利要求1、2或3所述的微波合束髮射裝置，其特徵在於，所述拋物面的頂點為反射面的中心，其與焦點的連線為反射面的對稱軸，所述微波輻射源以所述對稱軸為對稱軸，均勻分布在所述焦點周圍。
6.根據權利要求1所述的微波合束髮射裝置，其特徵在於，所述微波輻射源置於旋轉橢球面的一個焦點上，所述旋轉橢球面的另一個焦點與所述拋物面焦點重合，所述旋轉橢球面由橢圓繞其長軸旋轉構成。
7.根據權利要求6所述的微波合束髮射裝置，其特徵在於，所述拋物面的頂點為反射面的中心，其與焦點的連線為反射面的對稱軸，所述微波輻射源以所述旋轉軸為對稱軸，均勻分布在所述反射面周邊。
8.根據權利要求7所述的微波合束髮射裝置，其特徵在於，所述微波輻射源分布在所述拋物面反射路徑之外。
9.根據權利要求1所述的微波合束髮射裝置，其特徵在於，所述微波輻射源為固態源。
10.根據權利要求1所述的微波合束髮射裝置，其特徵在於，所述微波輻射源發射的微波為毫米波。
全文摘要
本發明涉及微波功率合成技術，特別涉及一種微波合束髮射裝置。本發明公開了一種微波合束髮射裝置，對多路非相干微波源進行功率合成，形成大功率微波合束髮射。本發明的技術方案是，微波合束髮射裝置，包括反射面和至少2個微波輻射源，所述反射面為拋物面，所述微波輻射源發射的微波經所述拋物面反射後向同一方向發射，所述微波輻射源為非相干微波輻射源。本發明採用非相干微波輻射源，無需對每個微波輻射源的相位進行控制，大大的降低了成本和系統的複雜性。發射到目標區域的微波能量密度只與每個微波輻射源功率大小、個數和反射面的口徑相關，與各個微波輻射源是否相干無關，特別適合需要高功率密度微波覆蓋的應用場合。
文檔編號H01Q19/17GK102427169SQ20111025253
公開日2012年4月25日 申請日期2011年8月30日 優先權日2011年8月30日
發明者劉長軍, 楊曉慶, 楊陽, 趙翔, 郭慶功, 閆麗萍, 陳倩, 陳星 , 黃卡瑪 申請人:四川大學