[发明专利]一种用于高功率测量的毫米波小孔耦合器

说明书

技术领域

本发明属于核聚变等离子体大功率射频波加热技术研究与实验领域，特别涉及一种耦合孔的直径φ≤0.25mm，用于对ECRH(电子回旋共振加热)系统传输频率为138GHz-142GHz、传输功率在兆瓦级的传输线进行功率测量的毫米波小孔定向耦合器。

背景技术

在ECRH系统中，微波功率是表征系统规模的重要参数之一，通过微波功率的测量，可以得到微波源输出功率、模式转换处功率损耗、传输系统传输效率等参数，ECRH传输线传输功率已达到兆瓦级。由于一般的功率测量仪器都是小功率的，所以不能直接用于高功率微波测量。定向耦合器的性能稳定，指标基本不受外部环境温度的影响，因此目前在高功率微波测量领域较为关注的方法是：ECRH传输线的传输功率，一小部分通过定向耦合器耦合出去，再利用功率计测量耦合出的功率，最后根据定向耦合器的耦合度和方向性等进行换算，计算出ECRH系统的传输功率。这种通过小孔耦合的方式搭建的测量系统避免了外部环境对测量结果的影响。

定向耦合器是一种具有方向性的功率分配器，有着广泛用途，如用于功率监视系统、测量系统以及功率的分配与合成系统等，其主要作用是将微波信号按照一定的比例进行功率分配。定向耦合器一般由两条传输线组成，像是同轴线、圆波导、带状线、矩形波导和微带线均可构成定向耦合器，因此从结构上来看，定向耦合器的差异很大，种类繁多。从定向耦合器的耦合机理来看主要分为小孔耦合、分支耦合、匹配双T以及平行耦合四种。

高功率定向耦合器一般要求弱耦合、定向性较好、输入端驻波比小、功率容量大等指标，因此可选择功率容量大的矩形波导作为传输载体。小孔耦合在各式各样的耦合方式当中，是一种非常典型的耦合方式，大多数波导定向耦合器都是通过小孔实现主波导和副波导的耦合，而缝隙耦合的定向耦合器亦可看作是小孔数目不断增加情况下的一种极限形式—孔间距变为零。而针对弱耦合的情况，单孔或双孔耦合是较为合适的，双孔定向耦合器结构简单、参数较少，设计起来比较方便。

在“Numerical and experimental investigation of5-port mitre-bend directional coupler for mode analysis in corrugated waveguides（波纹波导上用于模式分析的五口弯头定向耦合器的数值和实验研究）”（德国University of stuttgart的Juan Ruiz、Walter Kasparek等人于2012年发表于《Infrared Milli Terahz Waves》第Vol.33,PP.491-504，）一文中公开了一种由五组、每组由19个直径不同的小耦合孔组成的定向耦合器，耦合器包括环状壳体，设于壳体内的波导腔及位于波导腔前面的设有五组小耦合孔阵列的反射（镜）面（每组小孔阵列长度是19.8mm、小孔个数为19、各小孔之间的间距为1.1mm，小孔的直径变化范围是0.55mm—0.82mm），以及设于波导腔的后部带铜质冷却管的背板；该定向耦合器使用时设于波纹波导传输线的弯头处并与波纹波导腔连通并固定，带五组小耦合孔阵列的镜面位于波纹波导的波导腔内，波纹波导传输的微波经阵列耦合孔、耦合器波导腔，然后经设有冷却管的背板辐射输出，输出的微波信号由（测量系统的）喇叭天线接收后将耦合信号的振幅分别乘以相应的权重因子后求和，最后取平方得到对应模式的功率值；该耦合器虽然通过五组、每组由19个直径不同的小耦合孔阵列可以测得不同模式微波的功率值，但却存在定向耦合器本身制造较困难、成本高，而且在功率测量时由于要通过喇叭天线接收其辐射信号，因此极易因外界环境的干扰影响测量的准确性。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，研究设计一种用于高功率测量的毫米波小孔耦合器，该耦合器耦合孔的直径φ≤0.25mm，可直接与毫米波功率计配套、以测定传输线的传输功率；达到简化耦合器结构，降低生产成本，使用中受外界环境的影响小，有效提高对系统传输线传输功率测量的稳定性和准确性等目的。