【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微波功率测量领域，具体涉及一种适用于高功率微波发射、传输与接收系统中圆波导传输能量实时测量的高功率定向耦合器。
技术介绍
1、高功率微波技术作为现代电子工程的重要组成部分，在雷达、通信、武器系统以及科学实验等领域具有不可替代的作用。在高功率微波系统中，精确监测微波功率对于优化系统运行效率、保障设备安全具有重要意义。微波功率测量技术中，圆波导是高功率微波系统中普遍采用的传输结构，传输模式一般采用te01模式，其优点在于能够支持大功率、低损耗的微波传输。
2、常用的微波功率测量方法组要包括水负载法和定向耦合器法。水负载法作为早期广泛使用的一种功率测量手段，其工作原理是将微波能量吸收并转化为热量，再通过测量温升计算功率值。这种方法尽管在低功率条件下具有一定的可行性，但在高功率条件下，由于系统复杂、热平衡时间较长以及测量误差较大，已逐渐无法满足实时性和精确性的要求。传统单孔定向耦合器通过在波导壁面开孔将能量耦合至次级波导进行测量，但在高功率圆波导中使用时，若负载端阻抗不匹配或回波较大，传输的圆波导中会形成行驻波场分布，测量结果与开孔位置密切相关，导致测量值波动较大，误差显著增加。多孔平行式定向耦合器采用多个开孔以抵消干扰波，但其耦合孔间距受波长严格限制，导致带宽较窄，不适用于宽频带的高功率测量需求。此外，多个开孔增加了耦合强度，难以满足高功率测量中的低耦合系数需求，同时耦合孔间的局部场增强会增加定向耦合器打火风险。同时，传统微波功率测量方法一般采用在输出端连接水负载等匹配负载，以模拟高功率微波系统的整体工作状态
3、因此，开发一种高精度、宽带宽、低耦合系数且能够适应高功率运行条件的定向耦合器是解决现有技术瓶颈的关键。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于，提出了一种用于高功率圆波导传输能量实时测量的高功率定向耦合器，该定向耦合器能够对高功率微波系统进行实时的高精度功率测量，减小了负载端回波引入的测量误差，满足高功率微波系统对能量测量的高精度、宽带宽及高可靠性要求。
2、为了实现上述目的，本专利技术的具体方案如下：包括一个圆波导，两个耦合孔，两个矩形波导：
3、所述圆波导为高功率圆波导，用于在高功率微波系统中传输电磁波；
4、所述两个耦合孔开设在所述圆波导壁上，所述两个耦合孔的中心间距等于λ/4+n*λ/2，其中，λ为电磁波在圆波导中的传输波长，n为任意非负整数。
5、所述两个矩形波导与所述圆波导垂直连接，连接位置位于两个耦合孔处，用于接收通过耦合传输的能量，矩形波导短边平行于圆波导传输方向；
6、通过所述两个耦合孔，能量从所述圆波导定向耦合到所述两个矩形波导中，模式也从圆波导中的te01模式变为矩形波导的主模te10模式，通过耦合系数以及测量矩形波导内的传输功率，计算得到圆波导中正向传输的能量。
7、所述两个耦合孔的间距可通过调整参数n的值进行变化，以适应不同传输波长的要求，避免高功率传输系统中出现打火现象；所述耦合孔的直径小于传输波长的一半，以确保圆波导内的场分布基本不受影响，从而不干扰高功率微波系统的正常运行状态；所述耦合孔的数量为两个，相隔λ/4+n*λ/2位于圆波导的壁面上，以抵消由负载端回波引起的干扰，提高测量的稳定性；
8、所述矩形波导的宽度与圆波导内的传输频率匹配，以提高耦合效率并减小反射；所述矩形波导的短边方向沿圆波导传输方向，使得在所述耦合孔处圆波导中沿着圆波导切向方向传输的te01模式点场，与矩形波导中沿着矩形波导短边方向的主模te10模式电场能够尽可能耦合，利于矩形波导内主模的产生与建立；所述矩形波导内设置有功率传感器，用于实时测量通过所述矩形波导传输的能量；所述功率传感器通过校准程序与圆波导和矩形波导的耦合系数相关联，从而提高功率测量的精度，理论测量误差在3db以内；所述矩形波导为传输电磁波频率对应频段的标准波导，且长度根据传输波长调节，避免耦合能量在传输过程中出现模式干扰。
9、所述圆波导与矩形波导的连接处采用低损耗的耦合结构，确保能量定向耦合时的功率损耗最小化；所述连接方式支持宽频带耦合，满足不同波长范围内的能量测量需求；所述圆波导和矩形波导的材质选用高耐热、高导电率的金属，可以根据实际情况选择配备水冷系统，以承受高功率微波的长时间运行；所述矩形波导内壁表面设有防反射涂层，进一步降低能量损耗，提高测量精度。
10、通过测量两个耦合孔处的传输能量，利用行驻波的性质对两点能量进行平均计算，得到高功率微波系统的正向传输能量，在负载端不完全匹配的情况下能够消除回波干扰，测量误差小于传统单孔定性耦合器；所述定向耦合器的工作带宽大于传统多孔平行式定向耦合器，能够在更大频率范围内实现传输能量测量；在测量过程中实现实时数据采集和处理，为高功率微波系统提供在线监控能力。
11、其中，该高功率定向耦合器的设计方法，主要包括以下步骤：
12、步骤1：根据高功率微波系统的工作需求，确定圆波导和矩形波导的尺寸、材料、工作频率范围及功率等级，计算电磁波在圆波导内的传输波长；
13、步骤2：根据传输波长、功率及耦合系数需求，确定耦合孔的直径和位置，所述耦合孔的直径小于传输波长的一半，所述两个耦合孔的间距为λ/4+n*λ/2，其中λ为电磁波在圆波导中的传输波长，n为任意非负整数；
14、步骤3：确定圆波导与矩形波导的连接方式，采用低损耗的耦合结构，优化其宽频带匹配特性，确保高功率微波的稳定传输；
15、步骤4：加工所述定向耦合器后进行实验测试，验证耦合系数、频带范围、功率承载能力及测量精度，对功率传感器进行二次校准，以确保所述定向耦合器满足设计指标；
16、本专利技术的有益效果为：能够在高功率微波系统工作状态下进行系统中传输能量的实时测量，能够对高功率微波系统的实际状态进行监测；通过双耦合孔设计，显著降低了测量值受行驻波影响的敏感性，提升了测量稳定性及精确性；采用小孔径与优化间距设计，有效减少了高功率条件下的打火现象；实现了宽带宽适配能力，可满足多频段能量测量需求；结构设计简单，易于加工和维护，适合工业化大规模生产及广泛应用。
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1.一种用于高功率圆波导传输能量实时测量的高功率定向耦合器，其特征在于，该定向耦合器包括：一个圆波导，两个耦合孔，两个矩形波导
2.根据权利要求1所述的高功率定向耦合器，其特征在于，所述两个耦合孔的间距可通过调整参数n的值进行变化，以适应不同传输波长的要求，避免高功率传输系统中出现打火现象；所述耦合孔的直径小于传输波长的一半，以确保圆波导内的场分布基本不受影响，从而不干扰高功率微波系统的正常运行状态；所述耦合孔的数量为两个，相隔λ/4+n*λ/2位于圆波导的壁面上，以抵消由负载端回波引起的干扰，提高测量的稳定性。
3.根据权利要求1所述的高功率定向耦合器，其特征在于所述矩形波导的宽度与圆波导内的传输频率匹配，以提高耦合效率并减小反射；所述矩形波导的短边方向沿圆波导传输方向，使得在所述耦合孔处圆波导中沿着圆波导切向方向传输的TE01模式点场，与矩形波导中沿着矩形波导短边方向主模TE10模式电场能够尽可能耦合，利于矩形波导内主模的产生与建立；所述矩形波导内设置有功率传感器，用于实时测量通过所述矩形波导传输的能量；所述功率传感器通过校准程序与圆波导和矩形波导的耦
4.根据权利要求1所述的高功率定向耦合器，其特征在于，所述圆波导与矩形波导的连接处采用低损耗的耦合结构，确保能量定向耦合时的功率损耗最小化；所述连接方式支持宽频带耦合，满足不同波长范围内的能量测量需求；所述圆波导和矩形波导的材质选用高耐热、高导电率的金属，可以根据实际情况选择配备水冷系统，以承受高功率微波的长时间运行；所述矩形波导内壁表面设有防反射涂层，进一步降低能量损耗，提高测量精度。
5.根据权利要求1所述的高功率定向耦合器，其特征在于，通过测量两个耦合孔处的传输能量，利用行驻波的性质对两点能量进行平均计算，得到高功率微波系统的正向传输能量，在负载端不完全匹配的情况下能够消除回波干扰，测量误差小于传统单孔定性耦合器；所述定向耦合器的工作带宽大于传统多孔平行式定向耦合器，能够在更大频率范围内实现传输能量测量；在测量过程中实现实时数据采集和处理，为高功率微波系统提供在线监控能力。
6.根据权利要求1所述的高功率定向耦合器的设计方法，主要包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种用于高功率圆波导传输能量实时测量的高功率定向耦合器，其特征在于，该定向耦合器包括：一个圆波导，两个耦合孔，两个矩形波导
2.根据权利要求1所述的高功率定向耦合器，其特征在于，所述两个耦合孔的间距可通过调整参数n的值进行变化，以适应不同传输波长的要求，避免高功率传输系统中出现打火现象；所述耦合孔的直径小于传输波长的一半，以确保圆波导内的场分布基本不受影响，从而不干扰高功率微波系统的正常运行状态；所述耦合孔的数量为两个，相隔λ/4+n*λ/2位于圆波导的壁面上，以抵消由负载端回波引起的干扰，提高测量的稳定性。
3.根据权利要求1所述的高功率定向耦合器，其特征在于所述矩形波导的宽度与圆波导内的传输频率匹配，以提高耦合效率并减小反射；所述矩形波导的短边方向沿圆波导传输方向，使得在所述耦合孔处圆波导中沿着圆波导切向方向传输的te01模式点场，与矩形波导中沿着矩形波导短边方向主模te10模式电场能够尽可能耦合，利于矩形波导内主模的产生与建立；所述矩形波导内设置有功率传感器，用于实时测量通过所述矩形波导传输的能量；所述功率传感器通过校准程序与圆波导和矩形波导的耦合系数相关联，从而提高功率测量的精度，理...
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