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)耦合測量裝置。該裝置使用截止波導(dǎo)對HPM信號取樣，并經(jīng)過同軸探針將取樣信號耦合到同軸電纜中。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，通過調(diào)節(jié)截止波導(dǎo)中探針的長度，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)測量是實(shí)時(shí)監(jiān)測HPM源工作狀態(tài)的必要技術(shù)手段。傳統(tǒng)的HPM測量通常以探針或者小孔耦合的方式對HPM信號進(jìn)行取樣[1-7]。探針耦合方法容易導(dǎo)致探針頭局部強(qiáng)場擊穿[1-2]，盡管多孔耦合方式可以在一定程度上提高測量系統(tǒng)的功率容量，但設(shè)計(jì)和加工較為復(fù)雜，且對小孔之間的相位匹配精度要求高[3-4]，任何環(huán)節(jié)引入的誤差都會影響測量系統(tǒng)的可靠性。

隨著單個(gè)HPM源輸出脈沖能量的不斷提高，對測量系統(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量裝置，該裝置結(jié)合了傳統(tǒng)探針耦合器的簡易性，也繼承了多孔耦合器高功率容量的特點(diǎn)。它通過使用截止波導(dǎo)來限制進(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，射頻場衰減因子α可以表示為

(1)

其中，k、Г分別為射頻場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功率為P0，射頻場傳輸?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之間的射頻場耦合度相對變化量與截至波導(dǎo)半徑的關(guān)系。由圖可見，當(dāng)耦合孔孔徑較小時(shí)，9～10 GHz帶寬內(nèi)耦合度相對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就會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，不適于在測量中應(yīng)用。

圖2　耦合度相對變化量隨截至波導(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，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較小耦合孔耦合射頻功率的。

2模擬與測試

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)，對應(yīng)半徑為2.05 mm，遠(yuǎn)小于截止10 GHz射頻場所需的最大波導(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。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增強(qiáng)，通過調(diào)節(jié)探針頂端到主波導(dǎo)壁的距離d，可以改變測量系統(tǒng)的耦合度。如圖3所示，對于某一確定的參數(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，對應(yīng)的耦合度減小約2 dB，因此，通過改變距離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)測量中。高功率微波源為相對論返波管，在早期實(shí)驗(yàn)中，已經(jīng)通過使用定向耦合器對在線和輻射場高功率微波進(jìn)行了測量，其輸出功率能夠穩(wěn)定在3 GW水平[9]。

作為對比，實(shí)驗(yàn)中將所設(shè)計(jì)的耦合器放置于輻射場中功率密度約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)測得的典型檢波波形，如圖7所示,CH1為在線耦合器測量波形，CH2為所設(shè)計(jì)的探針耦合器在輻射場測得的微波波形，CH3和CH4分別為已有輻射場定向耦合器測得的微波波形。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果不難看出，利用截止波導(dǎo)法設(shè)計(jì)的探針耦合器測得的微波波形與在線和已有輻射場定向耦合器測量結(jié)果吻合較好，波形較為飽滿平滑，無明顯畸變，未發(fā)現(xiàn)功率容量問題。在微波源同一工作狀態(tài)下，利用各耦合器測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

提出并設(shè)計(jì)了一種新型的HPM測量裝置。與傳統(tǒng)的耦合器相比，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，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測量中。

參考文獻(xiàn)

[1]劉金亮, 鐘輝煌, 譚啟美. 同軸電探針耦合測高功率微波[J]. 微波學(xué)報(bào), 1997, 13(1): 83-87.(LIU Jin-liang, ZHONG Hui-huang, TAN Qi-mei. Coaxial E-field probe coupling for high power microwave measurement [J]. Journal of Microwaves, 1997, 13(1): 83-87.)

[2]BURKHART S. Coaxial E-field probe for high-power microwave measurement [J]. IEEE Trans Microw Theory Tech, 1985, 33(3):262-265.

[3]孫鈞, 胡詠梅, 張立剛, 等. 圓波導(dǎo)定向耦合器在高功率微波測量中的應(yīng)用[J]. 強(qiáng)激光與粒子束, 2014, 26(6): 063040.(SUN Jun, HU Yong-mei, ZHANG Li-gang, et al. Application of circular waveguide couplers in high power microwave measurement [J]. High Power Laser and Particle Beams, 2014, 26(6): 063040.)

[4]胡詠梅, 張黎軍, 肖仁珍, 等. 關(guān)于HPM 在線耦合器法的高功率容量功率測量裝置的研究探討[C]//第12屆高功率粒子束學(xué)術(shù)交流會, 海拉爾, 2010: 112-116. (HU Yong-mei, ZHANG Li-jun, XIAO Ren-zhen, et al. Discussion on HPM high power capacity power measurement device-online directional coupler [C]//12th International Conference on High-Power Particle Beams, Hailar, 2010: 112-116.)

[5]白珍, 李國林, 張軍. X波段高功率微波選模定向耦合器[J]. 強(qiáng)激光與粒子束, 2013, 25(7): 1 747-1 750.(BAI Zhen, LI Guo-Lin, ZHANG Jun. X-band high power microwave mode-selective directional coupler [J]. High Power Laser and Particle Beams, 2013, 25(7): 1 747-1 750.)

[6]曹乃勝, 羅勇, 王建勛. 圓波導(dǎo)-矩形波導(dǎo)小孔耦合定向耦合器設(shè)計(jì)[J]. 強(qiáng)激光與粒子束, 2008, 20(4): 637-640.(CAO Nai-sheng, LUO Yong, WANG Jian-xun. Design of aperture-coupling directional coupler [J]. High Power Laser and Particle Beams, 2008, 20(4): 637-640.)

[7]袁乃昌, 赫崇俊. 高功率微波選模定向耦合器的設(shè)計(jì)制作[J]. 電子學(xué)報(bào), 1997, 25(9): 115-116.(YUAN Nai-chang, HE Chong-jun. The analysis and design of high power mode selectivity coupler [J]. Acta Electronica Sinica, 1997, 25(9): 115-116.)

[8]BOOSKE J H. Plasma physics and related challenges of millimeter-wave-to-terahertz and high power microwave generation [J]. Phys Plasmas, 2008,15(5): 055502.

[9]SONG W, CHEN H, ZHANG L G, et al. A dual-resonant reflector in powerful relativistic backward wave oscillator [J]. Phys Plasmas, 2011, 18(6): 063105.

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：2095-6223(2016)010502(4)

中圖分類號：TN622

通訊作者?簡介：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