[发明专利]一种用于波束方向和功率监测的毫米波耦合装置

说明书

本发明公开了一种用于波束方向和功率监测的毫米波耦合装置，属于核聚变等离子体高功率毫米波加热技术。该装置包括耦合器本体和两个相互垂直的波纹波导；耦合器本体的一侧面为用于反射毫米波的金属椭圆反射镜面，内部设置有两个魔T，每个魔T的2、3端口分别连通一段长度相同的矩形波导；矩形波导的另一端分别设置有一列耦合通孔，且耦合通孔连通金属椭圆反射镜面与矩形波导宽边。本发明结合多孔耦合特性、干涉仪原理，在测量波纹波导中毫米波传输功率的同时也可以判断毫米波入射方向的偏移以及偏移的角度。同时还具有宽带宽、方向性高、结构紧凑等优点。

技术领域

本发明属于核聚变等离子体高功率毫米波加热技术。具体涉及一种多孔阵列耦合技术的波导耦合结构。

背景技术

在磁约束受控聚变研究中，电子回旋共振加热(ECRH)因具有加热局域性强、波与等离子体耦合效率髙以及天线可远离等离子体等特点，被广泛的用于等离子体加热、电流驱动、磁流体动力学不稳定性抑制等方面。因此，ECRH系统既是重要的加热手段，又是理想的控制手段，在国际热核聚变实验堆(ITER)和我国正在建设的EAST装置等大型可控核聚变装置中都受到了广泛应用。

ECRH系统是利用回旋管产生的高功率毫米波对等离子体进行加热，具有很高的可靠性、较高的加热效率、很好的加热局域性和可控制性。系统主要由波源系统(回旋管、高压电源等)、传输系统(波纹波导、斜角弯头等)、天线系统、系统总控等组成。其中传输系统长度约百米，为了保证功率容量、减小传输损耗，通常利用波纹波导中的HE11模式进行毫米波传输。由于传输距离长、系统又由多个器件组成，因而容易发生波束的偏移，但等离子体加热对注入的毫米波有着严格的要求，因此对传输系统中HE11模式的功率、波束方向、极化方向、模式纯度等进行测量十分重要。

波导耦合法是测量高功率毫米波功率的一种常用方法，因为这种测量方法不仅操作简单、测量精度高，而且对测量环境的要求较低。其基本原理是将高功率毫米波传输系统中的传输功率通过耦合孔耦合出一小部分，再利用功率测量仪器测出耦合出的功率；最后根据耦合度C计算出系统的传输功率。

传统的耦合器件(如波导定向耦合器)通常是直接在波导壁上设计耦合孔，然而波纹波导的内壁是波纹槽，直接开孔将会破坏波纹结构，造成电打火，同时，HE11模式的电场、磁场都集中在波导中间，理论情况下不会耦合出信号到副波导中，因此需要在斜角弯头等器件上设计耦合结构。理论情况下HE11模式在波纹波导的轴线上以45度斜入射到斜角弯头反射镜面的中心，然而传输过程中HE11模式可能偏移轴线，增大传输损耗、降低模式纯度，所以需要在斜角弯头反射镜面处设计一种可以测量HE11模式传输功率以及入射角度并判断角度偏差大小的耦合装置。

赵青等人在专利“一种用于高功率测量的毫米波小孔耦合器”(申请号：201310156678.4，申请日期：2013.04.28，申请公布号：CN 103280619A)中介绍了一种单/双孔的毫米波耦合器结构。这种耦合器结构简单、易于加工，但带宽窄，方向性差，功能单一，不能测量波纹波导斜角弯头中毫米波的入射方向。

发明内容

在背景技术的基础上，本发明提出了一种用于波束方向和功率监测的毫米波耦合装置，在测量传输功率的同时也可以测量毫米波波束的入射方向，还具有宽带宽、方向性高、结构紧凑等优点。

本发明采取的技术方案是：一种用于波束方向和功率监测的毫米波耦合装置，包括耦合器本体和两个相互垂直的波纹波导。耦合器本体的一侧面为用于反射毫米波的金属椭圆反射镜面，内部设置有两个魔T，每个魔T的2、3端口分别连通一段长度相同的矩形波导；所述矩形波导的另一端分别设置有一列耦合通孔，且耦合通孔连通金属椭圆反射镜面与矩形波导宽边。

所述四列耦合通孔平行于椭圆反射镜面的长轴，且连通一个魔T的两列耦合通孔关于椭圆反射镜面的轴对称。

进一步地，所述耦合器本体材料为铜或者铜合金。