一种高功率毫米波功率合成系统

摘要

本发明公开了一种高功率毫米波功率合成系统，包括：第一相位矫正镜和第二相位矫正镜；其中，第一相位矫正镜用于矫正入射的N束高功率毫米波的幅值分布和相位分布，并将多束高功率毫米波合成为一束高功率毫米波，反射到第二相位矫正镜的第一表面；第二相位矫正镜用于进一步矫正经所述第一相位矫正镜反射的高功率毫米波的幅值分布和相位分布，得到最终的高功率毫米波，并反射出去；其中，最终的高功率毫米波束的功率为N束高功率毫米波的功率之和，模式成分为高斯基模。本发明所提出的高功率毫米波功率合成系统结构简单、体积小、研制难度低、可维护性好，能满足高功率毫米波系统对功率合成系统提出的可靠性高的要求。

权利要求

1.一种高功率毫米波功率合成系统，其特征在于，包括：第一相位矫正镜和第二相位矫正镜；

所述第一相位矫正镜和第二相位矫正镜沿高功率毫米波的传播方向依次放置；

所述第一相位矫正镜用于矫正入射的N束高功率毫米波的幅值分布和相位分布，并将多束高功率毫米波合成为一束高功率毫米波，反射到第二相位矫正镜的第一表面；其中，所述N束高功率毫米波互相平行，入射到所述第一相位矫正镜的第一表面，N为大于或等于2的整数；

所述第二相位矫正镜用于进一步矫正经所述第一相位矫正镜反射的高功率毫米波的幅值分布和相位分布，得到最终的高功率毫米波，并反射出去；其中，最终的高功率毫米波束的功率为N束高功率毫米波的功率之和，模式成分为高斯基模；

所述第一相位矫正镜和所述第二相位矫正镜的第一表面凹凸，存在相位矫正槽纹，第二表面平坦；所述第一相位矫正镜和所述第二相位矫正镜的第一表面各位置处的槽纹深度根据该位置处需要矫正的相位差确定；具体为：根据所述最终的高功率毫米波束的高斯基模的幅值信息与所述第一相位矫正镜的幅值信息，在所述第一相位矫正镜与所述第二相位矫正镜之间进行相位重构，得到所述第一相位矫正镜的输出相位信息和所述第二相位矫正镜的输入相位信息；通过对所述第一相位矫正镜的输入相位信息和输出相位信息做差，得到高功率毫米波传播到所述第一相位矫正镜时波平面位置处需矫正的相位差；进而基于高功率毫米波传播到所述第一相位矫正镜时波平面位置处需矫正的相位差，得到所述第一相位矫正镜表面各位置处的槽纹深度；通过对所述第二相位矫正镜的输入相位信息和输出相位信息做差，得到高功率毫米波传播到所述第二相位矫正镜时波平面位置处需矫正的相位差；进而基于所述高功率毫米波传播到所述第二相位矫正镜时波平面位置处需矫正的相位差，得到所述第二相位矫正镜表面各位置处的槽纹深度。

2.根据权利要求1所述的高功率毫米波功率合成系统，其特征在于，还包括N个反射镜，各高功率毫米波分别经过对应的反射镜入射到第一相位矫正镜的第一表面；反射镜用于改变入射的高功率毫米波的传播方向，使得入射到第一相位矫正镜的N束高功率毫米波互相平行。

3.根据权利要求1所述的高功率毫米波功率合成系统，其特征在于，以高功率毫米波传播到所述第一相位矫正镜或第二相位矫正镜第一表面的位置为原点，以所述第一相位矫正镜或第二相位矫正镜第一表面的平面法向为z轴建立xyz坐标系；以高功率毫米波传播到所述第一相位矫正镜或第二相位矫正镜第一表面的位置为原点，以高功率毫米波传播方向为z′轴建立高功率毫米波的功率分布坐标系x′y′z′，其中，x′y′坐标系为波平面坐标系；当高功率毫米波传播到所述第一相位矫正镜或第二相位矫正镜第一表面(x,y)位置处时，对应在波平面上的位置为(x′,y′)，其中，x＝x′/cosθ,y＝y，θ为高功率毫米波入射到所述第一相位矫正镜或第二相位矫正镜的入射角；

所述第一相位矫正镜或第二相位矫正镜第一表面(x,y)位置处的槽纹深度为：其中，Δ(x′,y′)为高功率毫米波传播到所述第一相位矫正镜或第二相位矫正镜第一表面(x,y)位置处时，波平面对应的(x′,y′)位置处需矫正的相位差；k为入射到第一相位矫正镜或第二相位矫正镜的高功率毫米波的波矢。

4.根据权利要求1所述的高功率毫米波功率合成系统，其特征在于，入射的各高功率毫米波的输入功率为200kW‑1MW。

5.根据权利要求2所述的高功率毫米波功率合成系统，其特征在于，各反射镜的材料、结构、尺寸以及与水平方向的夹角均相同。

6.根据权利要求1‑5任意一项所述的高功率毫米波功率合成系统，其特征在于，用于微波技术领域。

说明书

一种高功率毫米波功率合成系统

技术领域

[0001] 本发明属于微波技术领域，更具体地，涉及一种高功率毫米波功率合成系统。

背景技术

[0002] 在目前的磁约束受控核聚变研究领域中，高功率毫米波因其加热效果好、加热局域性好等优点，是聚变装置广泛使用的一种加热方式。高功率毫米波加热系统主要由波源
系统、传输系统、天线系统等组成，单套功率一般在200kW到1MW之间。通常，一个聚变装置会
有多套高功率毫米波加热系统，因而这些高功率毫米波加热系统可能会占据聚变装置多数
的窗口资源；特别是对于未来的聚变装置而言，窗口数目相对较少，窗口资源尤为宝贵；虽
然目前的聚变装置的高功率毫米波加热系统可通过天线系统实现多功率注入，在一定程度
上解决了聚变装置窗口的占用率问题，但是在实施中，这些高功率毫米波加热系统均需要
一套对应的功率传输系统，同时每套传输系统还均需要对应的一套保护设备，在传输系统
的建设上将耗费大量的人力资源和财力资源，造成资源冗余。而高功率毫米波功率合成技
术不仅可以减少高功率毫米波加热系统对聚变装置窗口的占用率，同时还能减少高功率毫
米波的传输系统与天线系统，降低高功率毫米波加热系统的建设成本，故研究一种高功率
毫米波功率合成系统具有重要的意义。

[0003] 聚变装置中现有的高功率毫米波功率合成系统是一种基于法布里‑珀罗干涉仪的高功率毫米波功率合成系统，该系统结构复杂且体积较大，包括一个带有光栅耦合器的环
形谐振腔以及四个用于入射和出射波束的双镜光学器件；其中，四个双镜光学器件主要用
于协调环形谐振腔的位置以及电子回旋共振加热系统与聚变装置的安装布局，环形谐振腔
用于实现入射的高功率毫米波的合成，但其只能合成两束频率相近且相位相反的高功率毫
米波。

发明内容

[0004] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种高功率毫米波功率合成系统，用以解决现有技术由于不同的高功率毫米波均需要一套对应的光学器件以适应功率合
成的谐振腔与波源以及聚变装置的安装布局而导致系统结构复杂且体积较大的技术问题。

[0005] 为了实现上述目的，本发明提供了一种高功率毫米波功率合成系统，包括：第一相位矫正镜和第二相位矫正镜；

[0006] 其中，第一相位矫正镜和第二相位矫正镜沿高功率毫米波的传播方向依次放置；

[0007] 第一相位矫正镜用于矫正入射的N束高功率毫米波的幅值分布和相位分布，并将多束高功率毫米波合成为一束高功率毫米波，反射到第二相位矫正镜的第一表面；其中，N
束高功率毫米波互相平行，入射到第一相位矫正镜的第一表面，N为大于等于2的整数；

[0008] 第二相位矫正镜用于进一步矫正经第一相位矫正镜反射的高功率毫米波的幅值分布和相位分布，得到最终的高功率毫米波，并反射出去；其中，最终的高功率毫米波束的
功率为N束高功率毫米波的功率之和，模式成分为高斯基模。

[0009] 进一步优选地，高功率毫米波功率合成系统还包括N个反射镜，分别放置在第一相位矫正镜之前；各高功率毫米波分别经过对应的反射镜入射到第一相位矫正镜中；反射镜
用于改变入射的高功率毫米波的传播方向，使得入射到第一相位矫正镜的N束高功率毫米
波互相平行。

[0010] 进一步优选地，第一相位矫正镜和第二相位矫正镜的第一表面凹凸，存在相位矫正槽纹，第二表面平坦；第一相位矫正镜和第二相位矫正镜的第一表面各位置处的槽纹深
度根据该位置处需要矫正的相位差确定，所需要矫正的相位差越大，槽纹深度越深。

[0011] 进一步优选地，以高功率毫米波传播到第一相位矫正镜或第二相位矫正镜第一表面的位置为原点，以第一相位矫正镜或第二相位矫正镜第一表面的平面法向为z轴建立xyz
坐标系；以高功率毫米波传播到第一相位矫正镜或第二相位矫正镜第一表面的位置为原
点，以高功率毫米波传播方向为z′轴建立高功率毫米波的功率分布坐标系xy′z′，其中，x′
y′坐标系为波平面坐标系；当高功率毫米波传播到第一相位矫正镜或第二相位矫正镜第一
表面(x，y)位置处时，对应在波平面上的位置为(x′，y′)，其中，x＝x′/cosθ，y＝y，θ为高功
率毫米波入射到第一相位矫正镜或第二相位矫正镜的入射角；

[0012] 第一相位矫正镜或第二相位矫正镜第一表面(x，y)位置处的槽纹深度为：

[0013]

[0014] 其中，Δ(x′，y′)为高功率毫米波传播到第一相位矫正镜或第二相位矫正镜第一表面(x，y)位置处时，波平面对应的(x′，y′)位置处需矫正的相位差；k为入射到第一相位矫
正镜或第二相位矫正镜的高功率毫米波的波矢。

[0015] 进一步优选地，入射的各高功率毫米波的输入功率为200kW‑1MW。

[0016] 进一步优选地，各反射镜的材料、结构、尺寸以及与水平方向的夹角均相同。

[0017] 进一步优选地，本发明所提供的高功率毫米波功率合成系统用于微波技术领域。

[0018] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

[0019] 1、本发明提供了一种高功率毫米波功率合成系统，采用一对相位矫正镜实现多束不同参数的高功率毫米波的功率合成，所得的合成后的高功率毫米波的输出功率为输入多
束高功率毫米波的功率之和，同时将输出波束矫正为一束模式成分主要为高斯基模的高功
率毫米波束，该系统结构简单、研制难度低，体积小，便于在高功率毫米波传输路径上灵活
的进行安装。

[0020] 2、本发明所提供的高功率毫米波功率合成系统对于输入波束的相位不作任何限制要求，采用一套矫正镜便可实现多束回旋管输出的高功率毫米波的功率合成，通用性较
强。

[0021] 3、本发明所提供的高功率毫米波功率合成系统可以大大减少高功率毫米波加热系统对聚变装置窗口的占用率，同时还能进一步提高对聚变装置窗口的利用率；且本发明
提供的高功率毫米波功率合成系统还能减少高功率毫米波的传输系统，以此降低高功率毫
米波加热系统的建设成本以及节省占地空间。

附图说明

[0022] 图1为本发明提供的一种高功率毫米波功率合成系统结构示意图；

[0023] 图2为本发明提供的带反射镜的高功率毫米波功率合成系统结构示意图；

[0024] 图3为本发明提供的相位矫正镜剖面图。

具体实施方式

[0025] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并
不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要
彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0026] 为了实现上述目的，本发明提供了一种高功率毫米波功率合成系统，如图1所示，包括：第一相位矫正镜1和第二相位矫正镜2；

[0027] 其中，第一相位矫正镜1和第二相位矫正镜2沿高功率毫米波的传播方向依次放置；

[0028] 第一相位矫正镜用于矫正入射的N束高功率毫米波的幅值分布和相位分布，并将多束高功率毫米波合成为一束高功率毫米波，反射到第二相位矫正镜的第一表面；其中，N
束高功率毫米波互相平行，入射到第一相位矫正镜的第一表面，N为大于等于2的整数；本实
施例中，N＝2，入射的各高功率毫米波的输入功率为200kW‑1MW；入射时可等效为功率为各
高功率毫米波功率之和，且带有两个功率峰值的一束高功率毫米波。

[0029] 第二相位矫正镜2用于进一步矫正经第一相位矫正镜反射的高功率毫米波的幅值分布和相位分布，得到最终的高功率毫米波，并反射出去；其中，最终的高功率毫米波束的
功率为N束高功率毫米波的功率之和，模式成分为高斯基模。

[0030] 优选地，高功率毫米波功率合成系统还包括N个反射镜，分别放置在第一相位矫正镜之前，各高功率毫米波分别经过对应的反射镜入射到第一相位矫正镜中；反射镜用于改
变入射的高功率毫米波的传播方向，使得入射到第一相位矫正镜的N束高功率毫米波互相
平行。优选地，各反射镜的材料、结构、尺寸以及与水平方向的夹角均相同。

[0031] 具体的，如图2所示，本实施例中，反射镜的个数为2，分别为第一反射镜3和第二反射镜4。将两束功率为P1与P2的高功率毫米波同时输入高功率毫米波功率合成系统，分别以
入射角θ1与θ2入射到第一反射镜与第二反射镜上，经过反射镜反射后得到功率为P3与P4的
两束平行传播的高功率毫米波(可等效为功率为P5且带有两个功率峰值的一束高功率毫米
波，其中，P5＝P3+P4)，并以入射角θ3入射到第一相位矫正镜的第一表面。第一相位矫正镜对
两束平行传播的高功率毫米波的幅值分布和相位分布进行矫正，并将其合成一束功率为P6
且幅值信息符合类高斯分布的高功率毫米波，反射到第二相位矫正镜的第一表面。该高功
率毫米波以入射角θ4入射到第二相位矫正镜的第一表面，经过进一步矫正后，最终得到一
束功率为P7(P7＝P1+P2)且幅值信息与相位信息均符合高斯分布的高功率毫米波，即主要模
式成分为高斯基模。

[0032] 进一步地，第一相位矫正镜和第二相位矫正镜的第一表面凹凸，存在相位矫正槽纹，第二表面平坦；第一相位矫正镜和第二相位矫正镜的第一表面各位置处的槽纹深度根
据该位置处需要矫正的相位差确定，所需要矫正的相位差越大，槽纹深度越深。

[0033] 具体的，在设计上述第一相位矫正镜和第二相位矫正镜时，需借助高功率毫米波的功率分布信息，具体包括如下步骤：首先采用高功率毫米波功率P的分布信息得到第一相
位矫正镜1的幅值信息和输入相位信息；然后根据最终的高功率毫米波高斯基模的幅值信
息与第一相位矫正镜1的幅值信息，采用基于高功率毫米波幅值的迭代算法或是多阶矩方
法，在第一相位矫正镜1与第二相位矫正镜2之间进行相位重构，得到第一相位矫正镜1的输
出相位信息和第二相位矫正镜2的输入相位信息；最后，通过对第一相位矫正镜1的输入相
位信息和输出相位信息做差，得到高功率毫米波传播到第一相位矫正镜1时，波平面位置处
需矫正的相位差；进而基于所得相位差，得到第一相位矫正镜1表面各位置处的槽纹深度；
通过对第二相位矫正镜2的输入相位信息和输出相位信息做差，得到高功率毫米波传播到
第二相位矫正镜2时，波平面位置处需矫正的相位差；其中，第二相位矫正镜2的输出相位信
息为最终的高功率毫米波高斯基模的相位信息；进而基于所得相位差，得到第二相位矫正
镜2表面各位置处的槽纹深度。

[0034] 进一步地，通常情况下，由于高功率毫米波会以一定的夹角入射到相位矫正镜上，因此，在计算相位矫正镜表面各位置处的槽纹深度时，需考虑高功率毫米波的功率分布坐
标系与相位矫正镜的坐标系之间的关系。具体的，以高功率毫米波传播到相位矫正镜第一
表面的位置为原点，以相位矫正镜第一表面的平面法向为z轴为相位矫正镜建立xyz坐标
系；以高功率毫米波传播到相位矫正镜第一表面的位置为原点，以高功率毫米波传播方向
为z′轴建立高功率毫米波的功率分布坐标系x′y′z′，其中，x′y′坐标系为波平面坐标系，
+
x′、y′为高功率毫米波在波平面上传播位置的横坐标和纵坐标；具体如图3所示，其中，R 为
‑
自由空间部分，R为相位矫正镜部分。自由空间中功率为P的高功率毫米波以夹角θ入射到
相位矫正镜表面，即图3中波矢k与相位矫正镜平面法向或z坐标轴的夹角。当高功率毫米波
传播到相位矫正镜第一表面(x，y)位置处时，对应在波平面上的位置为(x′，y′)，其中，x＝
x′/cosθ，y＝y。考虑到高功率毫米波的功率分布坐标系与相位矫正镜的坐标系之间的旋转
关系，相位矫正镜第一表面(x，y)位置处的槽纹深度为：

[0035]

[0036] 其中，Δ(x′，y′)为高功率毫米波传播到第一相位矫正镜或第二相位矫正镜第一表面(x，y)位置处时，波平面对应的(x′，y′)位置处需矫正的相位差；k为入射到第一相位矫
正镜或第二相位矫正镜的高功率毫米波的波矢。

[0037] 进一步地，本发明不仅仅局限于采用两个相位矫正镜，也可加入更多多个相位矫正镜，在第一相位矫正镜和第二相位矫正镜之间，逐步矫正反射过来的高功率毫米波的幅
值分布和相位分布。

[0038] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。