一種兆瓦級波紋波導衰減器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種兆瓦級波紋波導衰減器，在波導管上依次設有支持HE11模傳輸?shù)臉藴什y波導段一、實現(xiàn)HE11模向TE11和TM11混合模轉(zhuǎn)變的光滑波導段二、實現(xiàn)TE11和TM11混合模向EH11模轉(zhuǎn)化的模式變化波導段三、對功率進行衰減的主衰減波導段四、實現(xiàn)剩余功率中EH11模到TE11模轉(zhuǎn)化的模式變化波導段五、用作TE11模傳輸?shù)墓饣▽Ф瘟?、實現(xiàn)TE11模到HE11模轉(zhuǎn)化的模式變化波導段七和支持HE11模傳輸?shù)臉藴什y波導段八。本發(fā)明周期性的槽紋的設計可以實現(xiàn)整個主衰減段內(nèi)單位長度功率衰減量的均勻性，特殊的水路設計即可減少高流速冷卻水對波導壁的沖擊又可保證水在整個水套中流速的一致性。
【專利說明】一種兆瓦級波紋波導衰減器

【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及微波工程【技術(shù)領域】，尤其涉及一種兆瓦級波紋波導衰減器。

【背景技術(shù)】
[0002] 衰減器是微波系統(tǒng)中常用的一種二端口器件，主要用其來控制傳輸線內(nèi)的傳輸功 率。內(nèi)部槽深約為四分之一工作波長的標準紋波導具有很高的功率容量和極低的傳輸損 耗，已經(jīng)成為高功率微波系統(tǒng)首選的傳輸器件。電子回旋共振加熱系統(tǒng)作為高功率微波系 統(tǒng)的一個典型代表被廣泛應用于核聚變研究領域。在電子回旋加熱系統(tǒng)的建設和運行過程 中，需要對回旋管及高功率微波傳輸器件進行性能測試及功率定標，測試傳輸線終端剩余 的微波功率需用水負載來吸收。目前電子回旋系統(tǒng)的單個回旋管輸出功率已經(jīng)達到兆瓦級 另IJ，且傳輸損耗很小，這就要求水負載必須具備兆瓦級功率的衰減能力。目前兆瓦級水負載 普遍采用圓柱腔體的結(jié)構(gòu)形式，微波能量從腔體頂部進入后，被安裝在腔體底部的金屬反 射鏡散射到腔體四周的內(nèi)壁上，通過金屬壁表面的涂覆材料及金屬壁本身把波能量轉(zhuǎn)化為 熱量，最后通過安裝在壁后的冷卻水路帶走這些熱量，從而實現(xiàn)對入射波能量的吸收。為 了避免由各種入射模式在腔體共振引起的反射，水負載內(nèi)腔直徑通常要達到工作波長的百 倍以上，腔體高度必須達到直徑的幾倍量級才能有足夠的內(nèi)腔表面積來吸收掉兆瓦級的功 率。這就導致整個水負載腔體龐大且重達到百公斤以上，如此龐大的尺寸和重量給此類型 水負載的安裝調(diào)試帶來諸多不便。如果設計一種波紋波導結(jié)構(gòu)衰減器接在傳輸線末端，且 此衰減器的衰減能力可以達到兆瓦量級，這樣如果源功率在衰減器的衰減范圍內(nèi)，則終端 將沒有功率輸出，從而不需要再連接腔體水負載。即使衰減器沒有把源功率全部衰減掉，那 么剩余的功率將下降到一個較低水平，這樣終端只需要連接一個小型的腔體水負載就可以 實現(xiàn)剩余功率吸收。波紋波導衰減器在外形上就相當于把原波導傳輸線延伸一截，且波紋 波導的半徑通常不超過工作波長的40倍，所以利用此波紋波導型衰減器將給系統(tǒng)調(diào)試運 行帶來便利。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明目的就是為了彌補已有技術(shù)的缺陷，提供一種兆瓦級波紋波導衰減器。
[0004] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的： 一種兆瓦級波紋波導衰減器，包括有圓形的波導管，在波導管上依次設有支持HE11模 傳輸?shù)臉藴什y波導段一、實現(xiàn)HE11模向TE11和TM11混合模轉(zhuǎn)變的光滑波導段二、實現(xiàn) TE11和TM11混合模向ΗΠ 1模轉(zhuǎn)化的模式變化波導段三、對功率進行衰減的主衰減波導段 四、實現(xiàn)剩余功率中ΗΠ 1模到TE11模轉(zhuǎn)化的模式變化波導段五、用作TE11模傳輸?shù)墓饣?波導段六、實現(xiàn)TE11模到HE11模轉(zhuǎn)化的模式變化波導段七和支持HE11模傳輸?shù)臉藴什y 波導段八，在波導管外壁上分布有周期性的槽紋，在整個波導管外圍套裝有圓形金屬水套， 在水套的前后端外壁上沿著圓周方向分別均勻開有12個圓孔，在水套的前后端圓孔外圍 分別套裝半徑大于水套半徑的前、后金屬圓柱腔體，在前、后金屬圓柱腔體上分別開有冷卻 水進、出口。
[0005] 兆瓦級波紋波導功率衰減器，按照功率的傳輸順序依次包括以下部分，入口處的 標準波紋波導中功率以HE11模式傳輸，此模式的功率在波導截面上呈準高斯分布特性，具 有極低的傳輸損耗。而表面波模EH11與HE11相反，其功率幾乎全部分布在波導內(nèi)壁附近， 從而導致EH11模的傳輸損耗非常大，所以把波紋管內(nèi)的模式由HE11耦合成ΗΠ 1即可實現(xiàn) 微波功率的有效衰減。但HE11模不能直接耦合成EH11模，所以先要用一段內(nèi)壁光滑波導來 把HE11分解成TM11和TE11的混合模。光滑波導后接一個模式變化段，通過對這個模式變 化段內(nèi)部槽紋的設計可實現(xiàn)TE11和TM11混合模向ΗΠ 1耦合。當ΗΠ 1模形成后其所攜帶 的微波功率開始顯著衰減，所以ΗΠ 1模形成后的波導段就承擔著兆瓦級功率衰減任務，也 是本發(fā)明設計的核心部件，要通過對主衰減段內(nèi)軸線上槽紋深度值優(yōu)化設計來實現(xiàn)單位長 度衰減功率量的均勻性，從而避免在主衰減段內(nèi)出現(xiàn)局部過熱點，同時可以發(fā)揮主衰減段 內(nèi)單位長度最大功率吸收能力以減少整個衰減器的長度。如果入口處饋入的功率超出主衰 減段的衰減能力，未被衰減掉的功率需要進一步向前傳輸，此時又需要重新把高損耗ΗΠ 1 模耦合成適合長距離傳輸?shù)腍E11模，同樣由于ΗΠ 1和HE11不能直接耦合，為此需要在主 衰減段后面加一個模式變化段來實現(xiàn)ΗΠ 1到TE11的轉(zhuǎn)變。TE11形成后還要經(jīng)過一個模式 變化段來實現(xiàn)TE11到HE11的轉(zhuǎn)變，同樣這兩個模式變段也是通過對波紋管內(nèi)部槽紋的設 計來實現(xiàn)的。通過這些功能段后既實現(xiàn)了微波功率的有效衰減，又使輸入輸出傳輸模式保 持一致，所以此種類型衰減器可以連接在電子回旋系統(tǒng)傳輸線上任何位置，更重要的是通 過若干個這樣的衰減器級聯(lián)可以實現(xiàn)若干兆瓦級功率的衰減吸收。
[0006] 在整個衰減器波導壁外圍套裝圓形金屬水套，高流速冷卻水在水套和波導壁形成 的夾層中流動。為了保證高流速冷卻水在整個水套中流速的均勻性，在水套的前后端金屬 外壁上沿著圓周方向分別均勻開有十二個圓孔，在水套的前后端圓孔外圍分別套裝半徑大 于水套半徑的前、后金屬圓柱腔體，在前、后金屬圓柱腔體上分別開有冷卻水進、出口。冷卻 水由進口進入圓柱腔體，然后通過十二個圓孔引導進入水套中，這種開孔結(jié)構(gòu)還可以減少 高流速冷卻水對波導外壁的直接沖擊。波紋外壁上分布有周期性的槽紋，這可以增加金屬 壁與水的接觸面積以增加換熱效率，進一步增加衰減器單位長度的熱負荷。
[0007] 本發(fā)明的優(yōu)點是：本發(fā)明采用圓波紋波導結(jié)構(gòu)，其衰減功率可以達到兆瓦級別，前 后端都可以直接和標準波紋波導相連接，周期性的槽紋的設計可以實現(xiàn)整個主衰減段內(nèi)單 位長度功率衰減量的均勻性，特殊的水路設計即可減少高流速冷卻水對波導外壁的沖擊又 可保證水在整個水套中流速的一致性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008] 圖1為本發(fā)明專利總體結(jié)構(gòu)剖面示意圖。
[0009] 圖2為圖1的A-A剖視圖。
[0010] 圖3為本實施例內(nèi)壁槽紋深度軸向分布曲線。
[0011] 圖4為本實施例軸向功率分布規(guī)律。
[0012] 圖5為本實施例內(nèi)部槽紋在各波導段內(nèi)的分布規(guī)律。

【具體實施方式】
[0013] 如圖1、2所示，一種兆瓦級波紋波導衰減器，包括有圓形的波導管9,在波導管9上 依次設有支持HE11模傳輸?shù)臉藴什y波導段一 1、實現(xiàn)HE11模向TE11和TM11混合模轉(zhuǎn)變 的光滑波導段二2、實現(xiàn)TE11和TM11混合模向ΗΠ 1模轉(zhuǎn)化的模式變化波導段三3、對功率 進行衰減的主衰減波導段四4、實現(xiàn)剩余功率中ΗΠ 1模到TE11模轉(zhuǎn)化的模式變化波導段五 5、用作TE11模傳輸?shù)墓饣▽Ф瘟?、實現(xiàn)TE11模到HE11模轉(zhuǎn)化的模式變化波導段七7 和支持HE11模傳輸?shù)臉藴什y波導段八8,在波導管9外壁上分布有周期性的槽紋14,在 整個波導管13外圍套裝有圓形金屬水套16形成圓環(huán)形水道15,在水套16的前后端外壁上 沿圓周方向分別開有十二個圓孔13、20,在水套16的前后端的圓孔外分別套裝一個半徑大 于水套半徑的前、后金屬圓柱腔體12、19,在前、后金屬圓柱腔體12、19的外壁11和18上開 有冷卻水的進口 10和出口 17。
[0014] 通過整個波紋波導的八個傳輸段后，實現(xiàn)了兆瓦級微波功率的衰減，同時剩余功 率以低損耗模HE11的形式從末端輸出。衰減的微波功率將轉(zhuǎn)化為波導金屬壁的熱量，高流 速冷卻水從冷卻水的進口 10進入并到達前金屬圓柱腔體12,然后從圓孔13流進圓環(huán)形水 道15,在圓環(huán)形水道15末端通過圓孔20流進后金屬腔體19,最后從冷卻水出口 17流出， 從而把波導管9和槽紋14上產(chǎn)生的熱量帶走。設入射波工作頻率為140GHz，1到8段波紋 波導直徑都為31. 75mm，波導壁材料為純銅且槽紋寬度和周期分別為：0. 45mm和0. 65mm。1 段處入射功率為1. 1麗，當波紋波導內(nèi)壁的槽紋深度沿軸向分布滿足如圖3所示的曲線時 就可以現(xiàn)實mw功率的衰減，相應的軸向功率分布規(guī)律如圖4所示。從圖4可見，在衰減器 的出口段8處剩余功率為0. 1MW，即2. 32米長的波紋波導衰減器實現(xiàn)了 1MW微波功率的衰 減吸收。圖5為吸收1MW功率的衰減器內(nèi)部1至8段內(nèi)部槽紋分布特性。
【權(quán)利要求】
1. 一種兆瓦級波紋波導衰減器，其特征在于：包括有圓形的波導管，在波導管上依次 設有支持HE11模傳輸?shù)臉藴什y波導段一、實現(xiàn)HE11模向TE11和TM11混合模轉(zhuǎn)變的光滑 波導段二、實現(xiàn)TE11和TM11混合模向ΗΠ 1模轉(zhuǎn)化的模式變化波導段三、對功率進行衰減 的主衰減波導段四、實現(xiàn)剩余功率中EH11模到TE11模轉(zhuǎn)化的模式變化波導段五、用作TE11 模傳輸?shù)墓饣▽Ф瘟?、實現(xiàn)TE11模到HE11模轉(zhuǎn)化的模式變化波導段七和支持HE11模傳 輸?shù)臉藴什y波導段八，在波導管外壁上分布有周期性的槽紋，在整個波導管外圍套裝有 圓形金屬水套，在水套的前后端外壁上沿著圓周方向分別均勻開有12個圓孔，在水套的前 后端圓孔外圍分別套裝半徑大于水套半徑的前、后金屬圓柱腔體，在前、后金屬圓柱腔體上 分別開有冷卻水進、出口。
【文檔編號】H01P1/22GK104091987SQ201410313330
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月1日
【發(fā)明者】吳大俊, 王曉潔, 徐旵東, 劉甫坤, 單家方, 徐麗 申請人:中國科學院等離子體物理研究所