CN118198691A - 一种高功率微波过模圆波导连接馈线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率微波过模圆波导连接馈线，包括圆波导接口法兰组，所述圆波导接口法兰组之间设有圆波纹波导外筒，所述圆波纹波导外筒的内侧设有扼流结构。一种高功率微波过模圆波导连接馈线，连接高功率微波源和高功率微波天线，并且利用连接馈线波纹外筒的一定柔性变形，可以连接无法精确对准的微波源输出圆波导和天线馈入圆波导，并通过内表面光滑的过模圆波导连接馈线的扼流内筒结构能确保实现连接馈线的低损耗传输和高功率容量。

Description

一种高功率微波过模圆波导连接馈线

技术领域

本发明涉及高功率微波领域，尤其是一种高功率微波过模圆波导连接馈线。

背景技术

随着高功率微波技术的发展,高功率已进入应用阶段，针对实际应用，要求高功率微波源输出GW量级以上，这意味这高功率微波源(含为高功率微波源提供强流电子束的脉冲功率源)重量在几百公斤甚至吨的量级上；同时要实现较高的辐射增益，需要设计大口径的辐射天线，天线的重量也在吨的量级上；高功率微波天线与高功率微波源重量均很重，两者在平台上安装到位后，很难对两者进行位置调整，两者之间需要功率容量较大的过模圆波导进行硬连接。从工程上实现高功率微波天线馈入圆波导与高功率微波源输出圆波导的精准对位是很困难的，存在上下左右3维方向的偏差。

以往采用圆波纹软波导连接有少许错位的微波源输出圆波导与天线馈入圆波导法兰。但实验中发现，由于软波导在连接两部分错位的波导法兰时，会因为软波导的变形引起微波电场集中和引起波导曲率增大，造成软波导内高功率微波打火和传输损耗增大，激发出非传输模式(高功率微波传输模式为TM₀₁模)。高功率微波打火除了降低微波传输功率容量外还引起微波传输脉冲脉宽的缩短。

发明内容

本发明的发明目的在于：提供一种高功率微波过模圆波导连接馈线，能够较好地解决微波源与天线馈线之间采用软波导连接时存在的功率容量和传输损耗较大的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种高功率微波过模圆波导连接馈线，包括圆波导接口法兰组，所述圆波导接口法兰组之间设有圆波纹波导外筒，所述圆波纹波导外筒的内侧设有扼流结构。

可供选择的，所述扼流结构包括环形的扼流内筒，所述扼流内筒的轴向两端分别位于圆波纹波导外筒的轴向两侧。

可供选择的，所述圆波导接口法兰组包括第一接口法兰和第二接口法兰，所述第一接口法兰和第二接口法兰通过圆波纹波导外筒进行连接，所述第一接口法兰和第二接口法兰的内侧之间设有环形的扼流槽，所述扼流内筒设于扼流槽内，且所述扼流内筒的固定端与所述第二接口法兰连接。

可供选择的，当所述第一接口法兰和第二接口法兰同轴时，所述圆波纹波导外筒、扼流槽和扼流内筒也与其同轴。

可供选择的，所述扼流内筒的自由端与扼流槽之间在轴向上具有开口。

可供选择的，所述扼流内筒与扼流槽之间具有径向间隙。

可供选择的，所述第一接口法兰的轴向外侧设有定位直口。

可供选择的，所述第一接口法兰的轴向外侧设有电连接槽。

可供选择的，所述第二接口法兰的轴向外侧设有真空密封槽。

可供选择的，所述圆波导接口法兰组、圆波纹波导外筒以及扼流内筒均采用不锈钢材料。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明所提供的一种高功率微波过模圆波导连接馈线，连接高功率微波源和高功率微波天线，并且利用连接馈线波纹外筒的一定柔性变形，可以连接无法精确对准的微波源输出圆波导和天线馈入圆波导。

2、本发明所提供的一种高功率微波过模圆波导连接馈线，通过内表面光滑的过模圆波导连接馈线的扼流内筒结构能确保实现连接馈线的低损耗传输和高功率容量。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的立体结构示意图。

图2是本发明的内部结构示意图。

附图3是连接馈线的馈入反射波形。

附图4是连接馈线的传输损耗波形。

附图5是连接馈线的电场分布。

附图6是连接馈线传输损耗随形变角(偏离轴线)变化曲线。

附图7是形变角3°的连接馈线馈入反射波形。

附图8是形变角3°的连接馈线传输损耗波形。

附图9是形变角3°的连接馈线电场分布。

附图10是本发明变形前的传输损耗曲线。

附图11是本发明变形后的传输损耗曲线。

附图12是经本发明的连接馈线传输后，辐射的高功率微波辐射场波形。

附图13是原软波连接馈线连接微波源与天线后辐射场波形。

图中标记：1-圆波导接口法兰组，11-第一接口法兰，111-定位直口，112-电连接槽，12-第二接口法兰，121-真空密封槽，2-圆波纹波导外筒，3-扼流内筒，4-扼流槽。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

一种高功率微波过模圆波导连接馈线，如图1、2所示，包括圆波导接口法兰组1，所述圆波导接口法兰组1之间设有圆波纹波导外筒2，所述圆波纹波导外筒2的内侧设有扼流结构。

其中，圆波导接口法兰组1为带电连接，实现与高功率微波源输出圆波导法兰和天线馈入圆波导法兰的真空密封和电连接；圆波纹波导外筒2实现对高功率微波源输出圆波导与天线馈入圆波导间的一定角度的柔性连接；扼流内筒3实现连接馈线高功率微波的低损耗传输和高功率微波功率容量。具体的，原软波导内腔为折叠钜齿结构，表面不光滑，连接不同轴的圆波导时，变形的内腔锯齿结构会激励起非对称模式(例如TE₁₁模)，增加波导壁电场集中，同时会增大传输损耗，造成功率容量降低。针对常规软波导连接高功率微波源与天线时存在的高功率微波打火和传输损耗增加的技术难题，本发明在软波导中引入扼流结构，确保腔体主要部分为光滑内壁的圆波导。利用扼流结构的光滑内壁传输高功率微波，从而不影响高功率微波传输的功率容量和不增大传输损耗；同时利用构成圆波纹波导外筒2的波纹结构的柔性变化，结合扼流结构一定的空间允许变化范围，实现在3维小角度(工程上一般不超过4°)内错位的过模圆波导法兰之间的硬连接。

作为另一具体的实施方式，所述扼流结构包括环形的扼流内筒3，所述扼流内筒3的轴向两端分别位于圆波纹波导外筒2的轴向两侧。通过扼流内筒3将圆波纹波导外筒2的弯折部分进行遮挡，保证在连接馈线稍变形后扼流内筒3不变，微博传输时可以更顺畅地通过，以减小能量损耗、干扰和信号失真，提高传输效率和性能。

作为另一具体的实施方式，所述圆波导接口法兰组1包括第一接口法兰11和第二接口法兰12，所述第一接口法兰11和第二接口法兰12通过圆波纹波导外筒2进行连接，所述第一接口法兰11和第二接口法兰12的内侧之间设有环形的扼流槽4，所述扼流内筒3设于扼流槽4内，且所述扼流内筒3的固定端与所述第二接口法兰12连接。第一接口法兰11和第二接口法兰12之间设置圆波纹波导外筒2，利用波纹结构能实现一定程度的三维形变(轴向和横向)，实现微波源输出圆波导与天线馈入圆波导之间存在少许对接误差时的硬连接，解决连接馈线一定程度的变形问题。通过扼流槽4槽口宽度变化能够抵消连接馈线的形变，并且轻微变形引起的扼流槽4面向圆波导腔体的槽口宽度的变化不会严重影响微波传输损耗和功率容量，进而能够实现减小连接馈线变形后的传输损耗。具体的，第一接口法兰11和第二接口法兰12与圆波纹波导外筒2采用真空焊接，以确保连接馈线的真空密封特性。所述扼流槽4的轴向长度为0.4波长～0.6波长，保证在开口处电场最小。

作为另一具体的实施方式，当所述第一接口法兰11和第二接口法兰12同轴时，所述圆波纹波导外筒2、扼流槽4和扼流内筒3也与其同轴。即是，在无变形情况下，上述结构同轴，进而能够保证微波的均匀流通。

作为另一具体的实施方式，所述扼流内筒3的自由端与扼流槽4之间在轴向上具有开口。通过开口能够保证第一接口法兰11和第二接口法兰12之间能够在轴向进行相对移动，适应以一定的小角度内连接不同轴的微波源输出圆波导和天线馈入圆波导。所述开口的轴向长度优选小于1/10波长，进而减小开口宽度对扼流槽4物理性能的影响，减小电场强度和损耗。

作为另一具体的实施方式，所述扼流内筒3与扼流槽4之间具有径向间隙。通过径向间隙以确保第一接口法兰11和第二接口法兰12之间能够实现径向的相对移动，适应以一定的小角度内连接不同轴的微波源输出圆波导和天线馈入圆波导。具体的，所述径向间隙小于1/10波长。

作为另一具体的实施方式，所述第一接口法兰11的轴向外侧设有定位直口111。确保两接口法兰对齐，实现波导连接无错位，同时保证密封圈均匀受压，实现真空密封。

作为另一具体的实施方式，所述第一接口法兰11的轴向外侧设有电连接槽112。利用导电胶圈填入电连接槽112能够实现波导间微波传输的电连接，进而实现高功率微波功率容量。

作为另一具体的实施方式，所述第二接口法兰12的轴向外侧设有真空密封槽121。通过真空密封胶圈实现波导间的真空密封。

作为另一具体的实施方式，所述圆波导接口法兰组1、圆波纹波导外筒2以及扼流内筒3均采用不锈钢材料。不锈钢是一种良好的成熟的真空密封焊接材料和金属加工材料，便于制作波纹波导和实现结构部件的真空焊接。

以下提供一种高功率微波过模圆波导连接馈线实施例。

高功率微波过模圆波导连接馈线长度为41.4mm，内腔直径为80mm,扼流槽4宽度为30.5mm(0.43λ)。扼流内筒3的自由端与扼流槽4之间开口宽度为5mm，扼流内筒3与扼流槽4之间径向间隙为2mm。叠片式波纹管轴向长度为9.4mm。一般应用变形控制在4°以内。连接法兰真空密封槽121设计宽3.5mm、深2.8mm。安装导电胶条的电连接槽112设计宽2.7mm、深2mm。

附图3是连接馈线的馈入反射波形，在中心频率4.25GHz馈入反射为-50dB。附图4是连接馈线的传输损耗波形，在中心频率4.25GHz传输损耗为-0.0075dB。附图5是连接馈线的电场分布(馈入1w),取高功率微波击穿阈值为500kV/cm,连接馈线功率容量为4.76GW。附图6是连接馈线传输损耗随形变角(偏离轴线)变化曲线,连接馈线传输损耗随形变角增大而增大。附图7是形变角3°的连接馈线馈入反射波形，在中心频率4.25GHz馈入反射为-29.36dB。附图8是形变角3°的连接馈线传输损耗波形，在中心频率4.25GHz传输损耗为-0.0035dB。附图9是形变角3°的连接馈线电场分布(馈入功率1w)，传输波导腔内电场强度并没有显著增强，最大电场位于扼流槽4内，而扼流结构内电场增强不会影响中心波导高功率微波传输，连接馈线功率容量为3.13GW。

完成设计后，开展了高功率微波验证实验，附图10和附图11分别为本发明变形前后的传输损耗曲线，连接馈线未变形时在中心频率4.25GHz,传输损耗约0.05dB。本发明的连接馈线变形后，在中心频率4.25GHz传输损耗达到0.26dB。附图12是经本发明的连接馈线传输后，辐射的高功率微波辐射场波形。附图13是原软波连接馈线连接微波源与天线后辐射场波形。当微波源经带扼流结构的连接馈线连接天线后，与原软波导相比，高功率微波等效辐射功率提升25％，脉宽增加1.4倍，高功率微波功率容量超过1GW,微波脉宽达到50ns。

实验结果表明，实现微波源与天线之间一定变形连接后，高功率微波传输损耗和功率容量满足技术要求。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种高功率微波过模圆波导连接馈线，其特征在于：包括圆波导接口法兰组(1)，所述圆波导接口法兰组(1)之间设有圆波纹波导外筒(2)，所述圆波纹波导外筒(2)的内侧设有扼流结构。

2.如权利要求1所述的高功率微波过模圆波导连接馈线，其特征在于：所述扼流结构包括环形的扼流内筒(3)，所述扼流内筒(3)的轴向两端分别位于圆波纹波导外筒(2)的轴向两侧。

3.如权利要求2所述的高功率微波过模圆波导连接馈线，其特征在于：所述圆波导接口法兰组(1)包括第一接口法兰(11)和第二接口法兰(12)，所述第一接口法兰(11)和第二接口法兰(12)通过圆波纹波导外筒(2)进行连接，所述第一接口法兰(11)和第二接口法兰(12)的内侧之间设有环形的扼流槽(4)，所述扼流内筒(3)设于扼流槽(4)内，且所述扼流内筒(3)的固定端与所述第二接口法兰(12)连接。

4.如权利要求3所述的高功率微波过模圆波导连接馈线，其特征在于：当所述第一接口法兰(11)和第二接口法兰(12)同轴时，所述圆波纹波导外筒(2)、扼流槽(4)和扼流内筒(3)也与其同轴。

5.如权利要求3所述的高功率微波过模圆波导连接馈线，其特征在于：所述扼流内筒(3)的自由端与扼流槽(4)之间在轴向上具有开口。

6.如权利要求3所述的高功率微波过模圆波导连接馈线，其特征在于：所述扼流内筒(3)与扼流槽(4)之间具有径向间隙。

7.如权利要求3所述的高功率微波过模圆波导连接馈线，其特征在于：所述第一接口法兰(11)的轴向外侧设有定位直口(111)。

8.如权利要3求所述的高功率微波过模圆波导连接馈线，其特征在于：所述第一接口法兰(11)的轴向外侧设有电连接槽(112)。

9.如权利要求3所述的高功率微波过模圆波导连接馈线，其特征在于：所述第二接口法兰(12)的轴向外侧设有真空密封槽(121)。

10.如权利要求1所述的高功率微波过模圆波导连接馈线，其特征在于：所述圆波导接口法兰组(1)、圆波纹波导外筒(2)以及扼流内筒(3)均采用不锈钢材料。