一种提高脉冲压缩能量利用效率的装置

技术领域

本发明涉及一种提高脉冲压缩能量利用效率的装置，用以解决路径编码脉冲压缩过程中微波能量利用效率低的问题，属于高功率微波技术领域。

背景技术

利用脉冲压缩技术能够将us级长脉冲压缩至ns级窄脉冲并获得一定的功率增益，可实现具有高峰值功率的微波脉冲，因此应用脉冲压缩技术是获取HPM的一种有效途径。当前应用于HPM领域的脉冲压缩技术路线主要有SES，SLED型等，其基本原理是将脉冲宽度很宽的脉冲注入谐振腔进行贮能，然后利用开关使谐振腔失配，获取窄脉冲。通常脉冲宽度与谐振腔的尺寸相关，在压缩的过程中，脉冲功率将会得到了较大的提高。但受限于微波开管性能的限制，这类脉冲压缩方法很难获得高峰值功率微波脉冲。

基于路径编码的脉冲压缩技术不采用微波开关，通过对微波长脉冲不同时刻的相位及频率进行编码，然后利用两端口大型金属腔体的多径效应实现微波脉冲在时间维度上的压缩。其原理是将编码微波长脉冲通过输入端口馈入大型金属腔体内，编码微波长脉冲在大型金属腔体内部传播后，在大型金属腔体的输出端口便形成脉宽变窄、峰值功率得到提升的窄脉冲。为获得良好的脉冲压缩效果，要求从输入端口馈入大型金属腔内的微波能量全部汇集在输出端口输出。

但由于大型金属腔为无源结构，由输入端口馈入的微波长脉冲对大型金属腔激励后，在其侧壁多次反射后在大型金属腔的输入端口反射出部分微波能量。经统计分析，从输入端口反射出的微波能量约占总输入能量的一半。由于该部分能量没有得到利用，因此总的能量利用效率较低，导致脉冲压缩效率较低。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种提高脉冲压缩能量利用效率的装置，用以改善脉冲压缩能量利用效率，提高脉冲压缩增益。

本发明解决技术的方案是：

一种提高脉冲压缩能量利用效率的装置，包括任意波形发生器、大功率放大器、大功率环形器、大型金属腔和辐射天线，

所述任意波形发生器的输出端口OUT1与大功率放大器的输入端口IN1相连；所述大功率放大器的输出端口OUT2与大功率环形器的输入端口IN2相连；所述大功率环形器的输出OUT3与大型金属腔的输入端口IN3相连，所述大功率环形器的耦合输出端口OUT5与大型金属腔的耦合输入端口IN5相连；所述大型金属腔输出端口OUT4与辐射天线输入端口IN4相连；

大型金属腔的功率容量大于MW级，具有IN2和IN5两个输入端口和OUT4一个输出端口。

进一步的，大功率环形器具有MW级以上的功率容量，由大功率放大器的输出端口OUT2输出的微波信号馈入大功率环形器的输入端口IN2时，大功率环形器的耦合输出端口OUT5无微波信号输出。

进一步的，大型金属腔输入端口IN3反射的微波信号由大功率环形器的输出端口OUT3进入大功率环形器，并由大功率环形器的耦合输出端口OUT5全部输出，大功率环形器的输入端口IN2时无微波反射信号。

进一步的，所述大型金属腔的输入端口IN2和输入端口IN5极化隔离，即从输入端口IN2馈入微波信号时，输入端口IN5无输出信号；从输入端口IN5馈入微波信号时，输入端口IN2无输出信号。

进一步的，所述大型金属腔的输出端口OUT4可接收任意极化方向的电磁波，即输入端口IN2馈入微波信号时，微波信号由输出端口OUT4输出；从输入端口IN5馈入微波信号时，微波信号也由输出端口OUT4输出。

进一步的，大型金属腔输入端口IN3反射的微波信号由大功率环形器耦合输出端口OUT5全部输出，并通过大型金属腔耦合输入端口IN5重新注入进大型金属腔内；大型金属腔输出的微波信号由，辐射天线进行辐射。

进一步的，任意波形发生器产生具有中心载频的微波窄脉冲信号，所述微波窄脉冲信号的脉宽为ns级，功率为mW量级。

进一步的，大功率放大器将任意波形发生器产生的脉宽为ns量级的微波窄脉冲信号功率放大成脉宽为ns级、功率为kW量级的微波窄脉冲信号；将任意波形发生器产生的周期为μs量级、功率为mW量级的特定编码微波长脉冲串功率放大成周期为μs量级、功率为kW量级的微波长脉冲串信号。

进一步的，大型金属腔的长、宽、高均为1米量级，具有GW级以上的功率容量，可以将十MW量级的微波长脉冲压缩成微波窄脉冲，实现100倍以上的功率增益，使微波脉冲峰值功率提高到GW量级。

进一步的，辐射天线具有GW以上量级的功率容量，用于超高重频微波窄脉冲串信号的定向辐射。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明将大型金属腔输入端口反射的微波能量馈入利用，在输入信号功率不变的情况下，有效增加了输出信号功率，提高了脉冲压缩过程的能量利用效率；

(2)本发明采用具有MW级以上功率容量的大功率环形器实现反射微波能量的再利用，避免使用大功率吸收负载的使用；

(3)本发明不限制和不改变信号频带，产生的脉冲压缩信号具有超宽瞬时带宽和高峰值功率的特点，可有效实现高功率微波的产生，且其脉冲宽度可灵活改变。

附图说明

图1为本发明实现方案。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

如图1所示，本发明所述的一种提高脉冲压缩能量利用效率的装置，主要包括任意波形发生器1，大功率放大器2，大功率环形器3，大型金属腔4，辐射天线5。

所述任意波形发生器1的输出端口OUT1与大功率放大器2的输入端口IN1相连；所述大功率放大器2的输出端口OUT2与大功率环形器3的输入端口IN2相连；所述大功率环形器3的输出OUT3与大型金属腔4输入端口IN3相连，所述大功率环形器3的耦合输出端口OUT5与大型金属腔4耦合输入端口IN5相连；所述大型金属腔4输出端口OUT4与辐射天线5输入端口IN4相连。

所述任意波形发生器1的作用是将输入的任意波形数据转换成小功率微波信号，实现数字波形文件到小功率微波信号的转换。所述大功率放大器2的作用是将任意波形发生器1输出的小功率微波信号进行放大，实现具有一定功率水平的高功率微波脉冲信号。大功率放大器2输出的大功率微波脉冲信号通过大功率环形器3后馈入大型金属腔4内。所述由大功率放大器2的输出端口OUT2输出的微波信号输入大功率环形器3的输入端口IN2时，其耦合输出端口OUT5无微波信号输出；所述大功率环形器3的作用是提取由大型金属腔4输入端口IN3反射的微波信号。所述大型金属腔44输入端口IN3反射的微波信号进入大功率环形器3后，由其耦合端口OUT5全部输出，此时大功率环形器3的输入端口IN2时无微波反射信号。

所述大型金属腔4是一个多径传输环境，其作用是建立多径传输路径，当编码微波长脉冲通过该大型金属腔4后，在大型金属腔4的输出端口便可得到脉冲变窄，功率提升的微波窄脉冲信号。辐射天线5作用是将大型金属腔4输出的高功率微波脉冲辐射出去。

本发明的原理是：大型金属腔馈入的微波长脉冲对脉冲压缩装置激励后，在其侧壁多次反射后在输入口反射出约一半的微波能量。反射的微波能量沿原路返回，通过大功率环形器后从其耦合端口输出，耦合端口输出的微波能量从大型金属腔的另一个输入口重新输入进脉冲压缩装置，从而实现输入端口反射能量的再利用，提高脉冲压缩装置输出端口的微波能量。

构造具有载频的编码微波长脉冲信号主要有数值模拟法和硬件高速采样法两种，这里给出采用高速采样法实现脉冲编码压缩技术以及提高脉冲压缩能量利用效率的整个过程，具体实施过程如下：

进一步的，构造一个具有中心载频的ns级窄脉冲波形，将产生的窄脉冲波形导入任意波形发生器，生成一个ns级窄脉冲微波信号。该ns级窄脉冲微波信号经过大型环形器和大型金属腔，从脉冲压缩装置的输出端口输出一个长脉冲。

进一步的，利用高速采样示波器对脉冲压缩装置输出的微波长脉冲信号进行监测并截取一定时间长度的采样信号。对截取的长脉冲信号进行数字化处理并颠倒时序，并对信号幅度进行一化编码，获得一个路径编码长脉冲信号波形文件。

进一步的，将该编码长脉冲信号波形文件导入任意波形发生器，生成一个长脉冲路径编码微波信号，将该长脉冲路径编码微波信号输入到大功率放大器放大后，馈入大型金属腔内进行脉冲压缩，则在大型金属腔的输出口便得到一个峰值功率得到提升、脉宽变窄的高功率微波窄脉冲信号。

从整体上看，脉冲压缩装置的输入口只有输入的微波能量，微波能量只能从输出口输出，因此输出压缩信号的能量得到提升，脉冲压缩能量利用效率得到有效提高。

本发明将大型金属腔输入端口反射的微波能量馈入利用，在输入信号功率不变的情况下，有效增加了输出信号功率，提高了脉冲压缩过程的能量利用效率；

本发明采用具有MW级以上功率容量的大功率环形器实现反射微波能量的再利用，避免使用大功率吸收负载的使用；

本发明不限制和不改变信号频带，产生的脉冲压缩信号具有超宽瞬时带宽和高峰值功率的特点，可有效实现高功率微波的产生，且其脉冲宽度可灵活改变。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。