一种高功率容量HPM耦合测量装置

曹亦兵，孙　钧，张黎军，张晓微，张余川，宋志敏，梁玉钦

(西北核技术研究所，西安　710024；高功率微波技术重点实验室，西安　710024)



一种高功率容量HPM耦合测量装置

曹亦兵，孙钧†，张黎军，张晓微，张余川，宋志敏，梁玉钦

(西北核技术研究所，西安710024；高功率微波技术重点实验室，西安710024)

摘要：设计了一种具有高功率容量的高功率微波(high power microwave ，HPM)耦合测量装置。该装置使用截止波导对HPM信号取样，并经过同轴探针将取样信号耦合到同轴电缆中。截止波导可以限制进入耦合单元的射频功率，同时，截止波导和传输高功率微波的主波导连接处允许大的倒角，因此，该耦合装置能够保证较高的功率容量。此外，通过调节截止波导中探针的长度，可以实现不同的耦合度，容易满足不同功率水平HPM测量的应用需求。与传统的耦合器相比，所设计的耦合器结构简单且功率容量高，其可行性已经得到了HPM实验的证实。

关键词：耦合测量；高功率容量；截止波导；同轴探针

高功率微波(high power microwave ，HPM)测量是实时监测HPM源工作状态的必要技术手段。传统的HPM测量通常以探针或者小孔耦合的方式对HPM信号进行取样[1-7]。探针耦合方法容易导致探针头局部强场击穿[1-2]，尽管多孔耦合方式可以在一定程度上提高测量系统的功率容量，但设计和加工较为复杂，且对小孔之间的相位匹配精度要求高[3-4]，任何环节引入的误差都会影响测量系统的可靠性。

随着单个HPM源输出脉冲能量的不断提高，对测量系统的功率容量也提出了更高要求。立足于此，本文设计了一种具有较高功率容量的新型耦合测量装置，该装置结合了传统探针耦合器的简易性，也继承了多孔耦合器高功率容量的特点。它通过使用截止波导来限制进入耦合单元中探针处的射频功率，同时由于采用单孔耦合的方法，有效避免了多孔设计中需要考虑的相位关系，从而使设计和加工难度大大降低。

1理论分析

在截止波导中，射频场衰减因子α可以表示为

(1)

其中，k、Г分别为射频场在自由空间中的相移常数和截止波导中的横向波数；r为截止波导半径；c为真空中光速；f为射频场频率。如图1所示，假设主波导与耦合孔连接处的射频场功率为P0，射频场传输到截止波导z处的功率P1(z)可以表示为

(2)

截止波导耦合度A(z)可表示为

(3)

将式(1)代入式(3)得到：

(4)

因此，耦合度A是与工作频率f、截止波导半径r以及截止波导长度z相关的物理量。

定义从频率f1变化到f2引起的耦合度相对变化函数R(r,z)：

(5)

图1　截止波导波耦合示意图Fig.1　Schematic of microwave coupling in a cut-off waveguide

式(5)表明，耦合度相对变化函数仅与工作频率和耦合孔大小相关。

图2给出了频率在9～10 GHz之间的射频场耦合度相对变化量与截至波导半径的关系。由图可见，当耦合孔孔径较小时，9～10 GHz带宽内耦合度相对变化量随耦合孔径增大而线性缓慢增加；当截至波导半径较大时，耦合度相对变化量随耦合孔径增大呈指数增加。在较大孔径条件下，耦合孔尺寸的稍微波动就会引起耦合度的急剧变化，此时，耦合度较为灵敏，截止波导不稳定，不适于在测量中应用。

图2　耦合度相对变化量随截至波导半径变化曲线 Fig.2　Relative variation of couples degree vs. radius of coupling hole

为保证耦合度在一定带宽范围内保持相对稳定，需截至波导半径r≪2.405/k=2.405c/(2πf)，即耦合孔可以在很大程度上截止射频场，例如，当截至波导半径小于5 mm时，在9～10 GHz带宽内耦合度相对变化量小于2.5%。实际上，现有各种定向耦合器都是通过较小耦合孔耦合射频功率的。

2模拟与测试

基于理论分析，设计了一种带探针的截止波导耦合测量装置。图3给出了该耦合器的CST仿真模型，其中，主波导为BJ-100矩形波导，耦合波导为圆柱形波导，对应半径为2.05 mm，远小于截止10 GHz射频场所需的最大波导半径11 mm，能够较大程度地截止主波导中传输的射频场。截止波导中电探针直径为1.3 mm，探针头部设计为球形以便于抑制局部场增强，通过调节探针顶端到主波导壁的距离d，可以改变测量系统的耦合度。如图3所示，对于某一确定的参数d，当主波导中传输的射频功率达到500 kW时，耦合器中最大射频场强低于30 kV·cm-1，小于大气击穿阈值[8]。

图3　探针耦合器仿真模型 Fig.3　Simulation model of the proposed coupler

图4给出了不同距离d下耦合度随频率的变化。在9～10 GHz的带宽内，耦合度相对变化量小于2%，这与理论结果吻合较好。同时，从图4中可以看出，距离d每增加0.2 mm，对应的耦合度减小约2 dB，因此，通过改变距离d容易获得不同的耦合度。基于仿真结果，加工了带有不同探针长度的该型耦合器，其实物照片如图5所示。图6分别给出了距离d=1.6 mm和d=2.8 mm时的探针耦合器标定曲线，标定曲线与图4中的仿真结果吻合较好，耦合度存在约0.5 dB的偏差可能与加工精度有关。

图4　耦合度随频率的变化Fig.4　Coupling degree vs. frequency

图5　所设计的探针耦合器实物照片Fig.5　Photo of the coupler with variable probes

(a)　d=1.6 mm

(b)　d=2.8 mm

图6探针耦合器标定曲线

Fig.6Calibration curves of the proposed couplers

3实验验证

所设计的耦合度约57 dB的耦合器，应用到X波段高功率微波实验测量中。高功率微波源为相对论返波管，在早期实验中，已经通过使用定向耦合器对在线和辐射场高功率微波进行了测量，其输出功率能够稳定在3 GW水平[9]。

作为对比，实验中将所设计的耦合器放置于辐射场中功率密度约25 kW·cm-2的位置，接收口面有效面积为13 cm2，进入耦合器主波导的射频功率约325 kW。实验测得的典型检波波形，如图7所示,CH1为在线耦合器测量波形，CH2为所设计的探针耦合器在辐射场测得的微波波形，CH3和CH4分别为已有辐射场定向耦合器测得的微波波形。由实验结果不难看出，利用截止波导法设计的探针耦合器测得的微波波形与在线和已有辐射场定向耦合器测量结果吻合较好，波形较为饱满平滑，无明显畸变，未发现功率容量问题。在微波源同一工作状态下，利用各耦合器测量得到的微波功率也基本相当。

图7　典型实验波形Fig.7　The typical waveforms measured by the couplers

4结语

提出并设计了一种新型的HPM测量装置。与传统的耦合器相比，该装置结构简单，能够容易实现不同的耦合度并允许较高的功率容量，其可行性已经得到了HPM实验的证实。理论、仿真和测试结果显示了较好的一致性，进一步的HPM实验也证实了该装置具有较高的功率容量，因此，有望应用于更高功率水平的HPM测量中。

参考文献

[1]刘金亮, 钟辉煌, 谭启美. 同轴电探针耦合测高功率微波[J]. 微波学报, 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]孙钧, 胡咏梅, 张立刚, 等. 圆波导定向耦合器在高功率微波测量中的应用[J]. 强激光与粒子束, 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]胡咏梅, 张黎军, 肖仁珍, 等. 关于HPM 在线耦合器法的高功率容量功率测量装置的研究探讨[C]//第12届高功率粒子束学术交流会, 海拉尔, 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, 李国林, 张军. X波段高功率微波选模定向耦合器[J]. 强激光与粒子束, 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]曹乃胜, 罗勇, 王建勋. 圆波导-矩形波导小孔耦合定向耦合器设计[J]. 强激光与粒子束, 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. 高功率微波选模定向耦合器的设计制作[J]. 电子学报, 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

文献标志码：A

文章编号：2095-6223(2016)010502(4)

中图分类号：TN622

通讯作者†简介：孙钧(1978- )，男，山东安丘人，副研究员，博士，主要从事高功率微波源及相关领域的理论和实验研究。E-mail:sunjun@nint.ac.cn

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61401367)

收稿日期：2015-09-14；修回日期：2015-10-27