阅读说明：本技术 一种基于光学干涉原理的高功率容量准光双频合成器 (High-power capacity quasi-optical dual-frequency synthesizer based on optical interference principle ) 是由 李�浩 于建秀 王克强 汪海洋 胡标 李天明 于 2020-04-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于光学干涉原理的高功率容量准光双频合成器,属于微波技术领域。该准光双频合成器包括两组宽口径高斯波束激励器、第一分束器、第二分束器、第一相位反转镜、第二相位反转镜、合成输出端口和匹配输出端口。本发明传输波束基于光学干涉原理,增加了波束传输通道的口径；实现了合成器在大口径高斯波束准光传输情况下的高功率和高效率传输。(The invention discloses a high-power capacity quasi-optical dual-frequency synthesizer based on an optical interference principle, and belongs to the technical field of microwaves. The quasi-optical dual-frequency synthesizer comprises two groups of wide-aperture Gaussian beam exciters, a first beam splitter, a second beam splitter, a first phase inversion mirror, a second phase inversion mirror, a synthesis output port and a matching output port. The transmission beam is based on the optical interference principle, and the aperture of the beam transmission channel is increased; the high-power and high-efficiency transmission of the synthesizer under the condition of large-caliber Gaussian beam quasi-optical transmission is realized.)

一种基于光学干涉原理的高功率容量准光双频合成器

技术领域

本发明属微波技术领域，提出一种基于光学干涉原理的高功率容量准光双频 合成器。

背景技术

高功率微波(High Power Microwave,HPM)在高能粒子加速器、高功率雷达、 超级干扰机、高能微波武器和高功率微波源等军用和民用领域有诸多应用。在这 些应用领域中都对功率容量提出了更高的要求。但是由于单个器件受工作机理、 物理极限和加工工艺的限制，其辐射功率存在上限，功率合成技术成为解决上述 问题，满足应用需求的重要技术手段。

当前国际上针对HPM功率合成技术的研究主要集中在两种技术途径上，按照 合成所处的环节可分为空间功率合成与通道功率合成两种类型。其中，空间功率 合成是利用多个天线和发射系统在空间实现电磁波的有效叠加,该方式对单个辐 射系统的功率容量要求较低，但工程实现难度巨大；通道合成技术是在波束的传 输通道中集成滤波器、合成器、极化分配器、双色片等器件，利用频率、极化等 特性实现功率的有效合成。与空间功率合成方式相比，由于通道功率合成传输与 辐射系统在很大程度上共用，因此在系统复杂度方面具有较大优势，是当前功率 合成技术研究中的重要方向。

合成器是HPM通道功率合成链路中的核心器件，其主要技术难点在于如何有 效降低器件的最大电场强度，提高功率容量，同时保证合成效率。围绕这一技术 难题，西北核技术研究所、国防科大等单位开展了大量研究工作。2010年，西 北核技术研究所研制了正交耦合圆波导TE₁₁模式合成器，首次实现了GW量级的 HPM长、短脉冲组合输出，并研究了副通道击穿等离子体对微波传输特性的影响。 同年，国防科大通过在T型结构过模矩形波导中加载金属插片，实现X波段正交 极化的矩形波导合成，实测功率容量达到了2GW。上述两种合成器均实现了95％ 的合成效率，但在合成方式上都采用了极化隔离的方式实现合成通道的共用，无 法满足同极化合成的特殊应用需求。同时，由于在波导结构中引入了隔离膜片， 为了避免寄生模式的出现，波导的横截面尺寸较小，因此其功率容量有限。

为了满足同极化合成的需求，2013年，西北核技术研究所李佳伟等人研制了 基于圆波导滤波器的TM₀₁双频合成器。理论计算结果表明，在9.3GHz与9.7GHz 两个频点的±50MHz带宽范围内，合成效率大于96％；在注入微波功率3GW时， 最大电场强度约720kV/cm。实验测试结果表明，该合成器有效传输功率大于 2.8GW。

上述两种方案均需要采用波导腔体滤波器结构实现合成器两个输入端口的 隔离。由滤波器的基本工作原理可知，每个独立的腔体本身必然在某个频点附近 谐振，导致滤波器内极易形成很强的驻波场，从而大大降低通道的功率容量，继 续增加通道的传输截面积，高阶模式竞争的问题必然出现，导致器件在滤波、合 成等方面的性能急剧下降。因此，该方法在面对更短工作波长、更高功率容量的 要求下必然面对极大的设计难度。如何解决上述技术难题，在保证功率容量的前 提下，维持导波系统中的单模传输，实现双频或多频的同极化合成成为本发明关 注的重点问题。

发明内容

本发明公开了一种基于光学干涉原理的高功率容量准光双频合成器。本发明 实现了合成器在大口径高斯波束准光传输情况下的高功率和高效率传输。本发明 的准光双频合成器与基于波导腔体滤波器方案的双工器相比具有明显优势：传输 波束基于光学干涉原理，增加了波束传输通道的口径；合成器中没有采用滤波器 结构，不会发生谐振，更有利于高效率传输。

准光双频合成器的基本工作原理是利用两个相干波束的叠加干涉实现对电 磁波传输方向的控制。其基本思路可利用图1所示的等效传输网络来进行说明， 其中分束器起90度相移功分的作用。当输入电磁波f₁从端口1馈入时，经分束 器1-1分为等幅但相位相差90°的两路信号；而后经过两段不同长度的传输线 L1-1和L2-1，假设L1-1和L2-1的传输路径差为波长的整数倍，则经过分束器 2-1后，两路信号合成输出至端口3。当输入电磁波f₂从端口2馈入时，经分束 器1-2同样分为等幅但相位相差90°的两路信号；经过两段不同长度的传输线 L1-2和L2-2，假设L1-2和L2-2的传输路径差为半波长的奇数倍，则经由分束器2-2后，两路信号同样合成输出至端口3。

通过上述分析，波束传输路径差可以通过下式来确定：

式中：L₁、L₂分别是波束经过两条空间传输通道传输线的长度，f₁为输入频 率f₁(Hz)，f₂为输入频率f₂(Hz)，c为光速。

基于上述准光双频合成器的基本工作原理，本发明采用的技术方案如下：

一种基于光学干涉原理的高功率容量准光双频合成器，包括两组宽口径高斯 波束激励器、第一分束器、第二分束器、第一相位反转镜、第二相位反转镜、合 成输出端口和匹配输出端口。

所述第一分束器和第二分束器呈一条直线，其余成对部件关于第一分束器和 第二分束器所在直线镜像对称设置。

所述一组宽口径高斯波束激励器由内壁光滑的渐变金属喇叭馈源、一对呈45° 夹角放置的蛤壳式(clamshell)全金属反射镜面组成。所述渐变金属喇叭馈源将 输入的TM₀₁模信号转化为小口径高斯波束输出，小口径高斯波束经过一对蛤壳 式全金属反射镜面形成大口径高斯波束。

所述第一分束器、第二分束器为透射式金属光栅分束器，分束器对波束的控 制作用在于：对于反射的波束实现3dB功分,对于透射的波束实现3dB功分和90° 相移。

所述第一相位反转镜、第二相位反转镜为相位反转镜面，用于控制波束的传 输方向。

合成器正常工作时，两路频率分别为f₁、f₂的TM₀₁模信号分别经过一组宽口 径高斯波束激励器输出两路频率为f₁、f₂的大口径高斯波束。频率为f₁的大口径 高斯波束分为两路等幅同相的信号传输至匹配输出端口、两路等幅反相的信号传 输至合成输出端口；频率为f₂的大口径高斯波束分为两路等幅反相的信号传输至 匹配输出端口、两路等幅同相的信号传输至合成输出端口。最后合成输出端口和 匹配输出端口均将四路信号输出，合成输出端口与匹配输出端口具有相对性，当 规定一个输出端口为合成输出端口时，另一个输出端口即为匹配输出端口，反之 亦然。

具体地，频率为f₁的大口径高斯波束经过第一分束器形成等幅且相位相差90° 的两路信号f₁₁、f₁₂；所述信号f₁₁经过第一相位反转镜的反射传输至第二分束器， 经过第二分束器形成等幅且相位相差90°的两路信号f₁₃、f₁₄，其中信号f₁₃传输 至匹配输出端口，信号f₁₄传输至合成输出端口。所述信号f₁₂经过第二相位反转 镜的反射传输至第二分束器，经过第二分束器形成等幅且相位相差90°的两路 信号f₁₅、f₁₆，其中信号f₁₅传输至匹配输出端口，信号f₁₆传输至合成输出端口。

由于信号f₁₄、f₁₆均经历了一次分束器反射和一次分束器透射，两路信号所 经过的传输距离相等，因此在合成输出端口可以输出频率为f₁的一半功率信号。

信号f₁₃、f₁₅传输至匹配输出端口，信号f₁₃经历了两次反射，信号f₁₅经历了 两次透射，二者的传输路径长度不同，优化合成器中各个部件的位置，将信号经 过两条路径的路径差控制在半波长的奇数倍，便可以在匹配输出端口输出频率为 f₁的另一半功率信号。

同理，频率为f₂的大口径高斯波束在合成输出信号f₂₃、f₂₅，在匹配端口输 出信号f₂₄、f₂₆。

进一步地，所述透射式金属光栅分束器中，光栅的栅条为光滑的圆角矩形结 构。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

(1)本发明中的高斯波束喇叭采用内壁光滑的渐变结构，与传统的内壁波 纹喇叭结构相比，可以极大减小其内部最大电场强度，实现更高功率容量辐射。

(2)本发明采用一对呈45°角全金属蛤壳式(clamshell)的反射面，与单个 反射镜面方案相比，可以很好地抑制交叉极化分量的产生，扩大束腰的作用，更 有利于形成大口径高斯波束，提供更高的转换效率。

(3)本发明采用透射式金属光栅作为分束器，金属光栅的栅条呈光滑的圆 角矩形结构，可以保证栅条表面平滑的电位梯度，不易形成栅条表面的尖端放电； 透射式金属光栅的另一个有益效果是金属分光，与常规的介质分光不同，可以避 免电离击穿，进一步提高了整个器件的功率容量。

(4)本发明通过对波束传输路径的设计优化，确定分束器的具***置，可 以保证两路信号相位差为180°，在输出端口面上实现大小一致且重叠的束斑， 实现最高效率传输。

(5)本发明的相位反转镜面通过对波束传输路径的控制，可以在最小传输 损耗下保证波束的可逆传输，在同一个端口实现两种不同频率电磁波信号的合成 输出。

附图说明

图1准光双频合成器设计的基本思路。

图2准光双频合成器整体结构示意图。

图3高斯波束经一对蛤壳式(clamshell)反射镜面的波束路线图。

图4透射式金属光栅分束器的工作方式图。

图5准光双频合成器波束传输路径示意图。

图6输出端口N1处的典型空间场分布。

图7双频合成器通带效率测试与仿真结果对比。

附图标记说明：1.第一渐变金属喇叭馈源；2.第二渐变金属喇叭馈源；3. 第一组45°角全金属蛤壳式(clamshell)反射面1；4.第一组45°角全金属蛤 壳式(clamshell)反射面2；5.第二组45°角全金属蛤壳式(clamshell)反射面 1；6.第二组45°角全金属蛤壳式(clamshell)反射面2；7.第一分束器；8.第二 分束器；9.第一相位反转镜；10.第二相位反转镜；11.匹配输出端口；12.合成 输出端口。

具体实施方式

现以合成器的匹配输出端口和合成输出端口合成两路不同频率信号为例，结 合附图说明本双工合成器的工作方式：

图2为本实施例准光双频合成器结构示意图。仅采用内壁光滑渐变喇叭馈源 难以实现高增益的初级辐射，为了提高整个双工合成器的传输效率，必须保证输 入波束具有较强的准光特性，即输入波束的束腰直径远大于工作波长。因此光滑 渐变喇叭馈源的辐射场需要经过两组蛤壳式(clamshell)反射面，将喇叭辐射出 的小口径高斯波束转换为大口径高斯波束，详细的波束路线图如图3所示。为了 实现双工器的高功率、高效率传输，两块反射镜均采用表面光滑的金属材料，且 镜面之间呈45°夹角。第一、第二分束器用于实现波束的功分和90°相移的功 能，如图4所示，分束器采用表面光滑、矩形圆角结构的低色散透射式金属光栅， 以提高准光双频合成器功率容量和传输效率。第一、第二相位反转镜面采用表面 光滑的金属镜面，用于控制波束的传输路径，产生固定波长的路径差。合成输出 端口和匹配输出端口控制波束发生干涉的位置，在端口面形成最强的干涉束斑， 实现最高功率容量、最大效率传输

由于频率分别为f₁、f₂的信号传输路径相似，因此以频率为f₁的信号为例说 明其具体的传输路径，见图5。

(1).首先频率为f₁的信号由矩形波导中传输的TM₀₁模馈入内壁光滑渐变喇 叭1，经过喇叭辐射输出小口径高斯波束信号f₁；

(2).喇叭输出的小口径高斯波束信号f₁经过第一组蛤壳式(clamshell)全金属反射镜面3、4的反射形成大口径高斯波束信号f₁，经过第一分束器的反射和透 射后形成等幅、相位相差90°的两路信号f₁₁和f₁₂；

(3).f₁₁这一路信号经过第一相位反转镜面的反射传输至第二分束器，经过反 射和透射形成等幅、相位相差90°的两路信号f₁₃、f₁₄，f₁₂这一路信号经过第二 相位反转镜面的反射传输至第二分束器，经过透射和反射形成等幅、相位相差 90°的两路信号f₁₅、f₁₆，此时f₁₃通过分束器的两次反射，f₁₅通过分束器的两次 透射，这两路信号变为等幅、相位相差180°的信号在匹配端口输出，此时f₁₄、 f₁₆各通过了分束器的一次反射和一次透射，这两路等幅、同相的信号在合成端 口输出。

以端口P1馈入93GHz信号、端口P2馈入97GHz信号为例，仿真和测试本 实施例所设计的准光双频合成器的部分性能，仿真和实验结果中P1、P2和N2 分别对应图2的序号1、2和12。

双频合成器典型的输出端口场分布测试结果见图6，测试结果与仿真计算结 果一致性良好，输出束斑轴对称、呈现较好的高斯分布特性。通过扫描端口面上 的场积分可获得输出端口处接收到的总功率值Prev。由图可知两个通带范围内， 传输效率的测试曲线与仿真结果吻合较好。在93GHz、97GHz两个通带中心的 传输效率约为97％，在±0.5GHz的范围内传输效率高于85％。

传输效率实验结果如图7所示，图中P1、P2、N1和N2分别对应图2的序 号1、2、11和12可以发现该合成器良好地实现了双工合成的功能。在 92.5-93.5GHz的低频通带范围内P1至N1的传输效率大于85％，在96.5-97.5GHz 的高频通带范围内端口P2至N1的传输效率大于90％，通带内最大传输效率高 于97％，功率容量可达50GW，并且实测的插损与仿真结果具有良好的一致性。

上述实例只为说明本发明的技术构思和特点，只用于对本发明进行具体的描 述，使熟悉该项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制 本发明的保护范围，凡根据本发明内容所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发 明的保护范围之内。