[0001] 本发明属于高功率微波技术领域，尤其涉及一种提高微波脉冲压缩器系统效率的方法。

[0002] 脉冲压缩器是高功率微波领域十分重要的器件。脉冲压缩器可以将输入微波脉冲的脉宽变短，而功率提高。目前脉冲压缩器主要在加速器领域中广泛使用，以弥补速调管输出峰值功率的不足，来提升加速器的束流能量。近些年，由于脉冲压缩器的技术已经十分成熟，脉冲压缩器在高功率微波领域的应用也越来越多。

[0003] 微波脉冲压缩器将输入微波脉冲能量储存在谐振腔中，在某一时刻快速释放，这种释放的手段有1)输入微波反相，如最常用的SLED(SLAC Energy Doubler)型脉冲压缩器，为无源器件，2)改变储能腔参数，通常利用等离子体或电子束开关等有源器件改变谐振腔特性使得谐振腔储能快速输出。由于第一种方法只需在输入微波信号上进行幅度相位的调制，不需要复杂的高压开关，因此得到了广泛应用。

[0004] 传统脉冲压缩系统的组成和脉冲波形如图1所示。从实现功能的角度来看，速调管相当于一个放大器，由脉冲调制器提供能量，对低功率信号进行放大，从而输出高功率微波。速调管的输出脉冲波形由调制器波形和信号源波形共同决定。整个脉冲压缩系统的效率由三部分组成：1)脉冲调制器的效率，即脉冲调制器的直流脉冲输出能量除以市电输入能量；2)速调管的工作效率，即速调管的微波脉冲输出能量除以脉冲调制器的直流脉冲输出能量；3)脉冲压缩器的效率，即压缩后的微波脉冲能量除以速调管输出的脉冲能量。总体效率为三者相乘。常见的微波源脉冲压缩系统的效率仅为10％左右。

[0073] 本发明提出的提高微波脉冲压缩器系统效率的方法，有三种不同方案，其中：

[0074] 第一种方案是改变低功率微波信号源系统与高功率直流脉冲调制器的输出波形的时序关系，包括以下步骤：

[0075] (1)构建一个提高微波脉冲压缩器系统效率的系统，该系统包括低功率微波信号源系统、高功率直流脉冲调制器、速调管和脉冲压缩器，所述的高功率直流脉冲调制器通过高压线与速调管连接，为速调管提供能量，所述的低功率微波信号源系统通过微波波导与所述的速调管相连，所述的速调管通过微波波导与脉冲压缩器连接；

[0076] (2)高功率直流脉冲调制器向速调管输出脉冲信号，设输出脉冲信号开始时刻为t0，输出脉冲信号的平顶期开始时刻(即上升沿结束时刻)为t1，输出脉冲信号的平顶期结束时刻(即下降沿开始时刻)为t2，输出脉冲信号的结束时刻t3；如图2右上角虚线波形所示；

[0077] 利用下式，计算高功率直流脉冲调制器的效率ηm：

[0078]

[0079] 其中，Pm(t)为高功率直流脉冲调制器的输出功率随时间的变化关系，Pm(t)＝Um(t)·Im(t)，其中Um(t)为高功率直流脉冲调制器的输出电压随时间的变化关系，用高压探头测量得到，Im(t)为高功率直流脉冲调制器的输出电流随时间的变化关系，用电流互感器测量得到，Em为高功率直流脉冲调制器的输入能量；ηm一般为80％。

[0080] (3)低功率微波信号源系统向速调管输出频率为f的带反相，即微波相位由0度变化到180度(对应图中的正负号)的高频方波信号，如图2右上角实线波形所示。该高频方波信号与步骤(2)的脉冲信号同步，高频方波信号的起始时刻为t0，反相时刻为tr，结束时刻为t2；

[0081] (4)来自高功率直流脉冲调制器的脉冲信号作用于速调管内部的热阴极并释放电子束，来自低功率微波信号源系统的高频方波信号对该电子束进行速度调制，被调制的电子束通过速调管内部的谐振腔和耦合孔输出放大的高功率微波，得到带有上升沿的微波脉冲信号，该微波脉冲信号与步骤(2)的脉冲信号和步骤(3)的高频方波信号同步，微波脉冲信号的开始时刻为t0(忽略脉冲信号的传输时间)，平顶期开始时刻为t1，反相时刻为tr，结束时刻(即下降沿开始时刻)为t2，如图2右数第二个波形所示；

[0082] 利用下式，计算速调管的效率ηk：

[0083]

[0084] 其中，Pk(t)为速调管的输出功率随时间的变化关系，通过定向耦合器耦合出速调管输出微波波导的功率，由功率计检测得到速调管的输出微波波导功率随时间的变化关系；

[0085] 传统速调管只利用高功率直流脉冲调制器的平顶部分，效率为该方案的速调管效率的提升量为

[0086] 速调管的效率为 效率能由原来的30％提高至40％左右。

[0087] 速调管向脉冲压缩器输出带有上升沿的微波脉冲信号；

[0088] (5)脉冲压缩器接收来自速调管的微波脉冲信号，对微波脉冲信号的能量进行存储和释放，其中，t0～tr时间段，脉冲压缩器进行脉冲信号的能量存储，少量微波信号被释放，形成预脉冲信号，tr～t2时间段，速调管向脉冲压缩器输入反相脉冲信号，脉冲压缩器进行脉冲信号的能量释放，形成被压缩的脉冲信号，如图2右数第一个波形所示；利用下式，计算得到脉冲压缩器的效率ηc：

[0089]

[0090] 其中，Pc(t)为脉冲压缩器的输出功率随时间的变化关系，通过定向耦合器耦合出脉冲压缩器输出微波波导的功率，由功率计检测脉冲压缩器的输出微波波导功率随时间的变化关系；

[0091] 该方案降低了预脉冲的幅度，ηc能由原来的60％提高至70％左右。

[0092] (6)利用下式，计算得到微波脉冲压缩器系统的效率η：

[0093] η＝ηm·ηk·ηc。

[0094] 上述方法使微波脉冲压缩器系统效率从14％左右提高至22％左右，提高的比例约为55％。

[0095] 第一种方案是通过改变高功率直流脉冲调制器的输出波形，使速调管输出一级脉冲压缩器的最优填充波形，包括以下步骤：

[0096] (1)构建一个提高微波脉冲压缩器系统效率的系统，该系统包括低功率微波信号源系统、高功率直流脉冲调制器、速调管和脉冲压缩器，所述的高功率直流脉冲调制器通过高压线与速调管连接，为速调管提供能量，低功率微波信号源系统通过微波波导与速调管连接，为速调管提供待放大的微波信号。所述的速调管通过微波波导与脉冲压缩器连接；

[0097] (2)高功率直流脉冲调制器向速调管输出脉冲信号，该输出脉冲电压信号的上升沿满足 其中，U{P}为速调管的输入电压与输出功率的对应关系，P0为速调管的输出平顶功率，P0为设计值，可通过定向耦合器耦合出速调管输出微波波导的功率，由功率计检测得到，τc为脉冲压缩器的填充时间，τc由脉冲压缩器储能腔的参数决定，ω为谐振腔的角频率，Q0为谐振腔的内部品质因数，β为谐振腔的耦合系数，t0为输出脉冲信号开始时刻，tr为输出脉冲信号平顶期开始时刻(即上升沿结束时刻)，t2为输出脉冲信号平顶期结束时刻(即下降沿开始时刻)，输出脉冲信号结束时刻t3；如图3右上角虚线所示。

[0098] 利用下式，计算高功率直流脉冲调制器的效率ηm：

[0099]

[0100] 其中，Pm(t)为高功率直流脉冲调制器的输出功率随时间的变化关系，Pm(t)＝Um(t)·Im(t)，其中Um(t)为高功率直流脉冲调制器的输出电压随时间的变化关系，用高压探头测量得到，Im(t)为高功率直流脉冲调制器的输出电流随时间的变化关系，用电流互感器测量得到，Em为高功率直流脉冲调制器的输入能量；ηm一般为80％。

[0101] (3)低功率微波信号源系统向速调管输出频率为f的带反相即微波相位由0度变化到180度(对应图中的正负号)的高频方波信号，如图3右上角实线所示。该高频方波信号与步骤(2)的脉冲信号同步，高频方波信号的起始时刻为t0，反相时刻为tr，结束时刻为t2；

[0102] (4)来自高功率直流脉冲调制器的脉冲信号作用于速调管内部的热阴极并释放电子束，来自低功率微波信号源系统的高频方波信号对该电子束进行速度调制，被调制的电子束通过速调管内部的谐振腔和耦合孔输出放大的高功率微波，得到带有上升沿的微波脉冲信号，该微波脉冲信号与步骤(2)的脉冲信号和步骤(3)的高频方波信号同步，微波脉冲信号的开始时刻为t0(忽略脉冲信号的传输时间)，平顶期开始时刻为t1，反相时刻为tr，结束时刻(即下降沿开始时刻)为t2，如图3右数第二个波形所示；

[0103] 利用下式，计算速调管的效率ηk：

[0104]

[0105] 其中，Pk(t)为速调管的输出功率随时间的变化关系，通过定向耦合器耦合出脉冲压缩器输出微波波导的功率，由功率计检测脉冲压缩器的输出微波波导功率随时间的变化关系；

[0106] 与传统速调管相比，效率能由原来的30％提高至35％左右。

[0107] 速调管向脉冲压缩器输出对于改脉冲压缩器而言为最优填充的微波脉冲信号；

[0108] (5)脉冲压缩器接收来自速调管的微波脉冲信号，对微波脉冲信号的能量进行存储和释放，其中，t0～tr时间段，脉冲压缩器进行脉冲信号的能量存储，少量微波信号被释放，形成预脉冲信号，tr～t2时间段，速调管向脉冲压缩器输入反相脉冲信号，脉冲压缩器进行脉冲信号的能量释放，形成被压缩的脉冲信号，如图3右数第一个波形所示；利用下式，计算得到脉冲压缩器的效率ηc：

[0109]

[0110] 其中，Pc(t)为脉冲压缩器的输出功率随时间的变化关系；通过定向耦合器耦合出固定比例的功率，由功率计检测得到。

[0111] 该方案采用了脉冲压缩器的最优填充波形，极大地降低了预脉冲的幅度，ηc能由原来的60％提高至90％左右。

[0112] (6)利用下式，计算得到微波脉冲压缩器系统的效率η：

[0113] η＝ηm·ηk·ηc。

[0114] 通过上述步骤，脉冲压缩器的系统效率能从14％左右提高至25％左右，提高的比例约为64％。

[0115] 第三种方案是通过改变高功率直流脉冲调制器的输出波形，使速调管输出两级脉冲压缩器的最优填充波形，包括以下步骤：

[0116] (1)构建一个提高两级微波脉冲压缩器系统效率的系统，该系统包括低功率微波信号源系统、高功率直流脉冲调制器、速调管和两级脉冲压缩器，所述的高功率直流脉冲调制器通过高压线与速调管连接，为速调管提供能量，低功率微波信号源系统通过微波波导与速调管连接，为速调管提供待放大的微波信号。所述的速调管通过微波波导与脉冲压缩器连接；

[0117] (2)高功率直流脉冲调制器向速调管输出脉冲信号，该脉冲信号的阶梯状的电压随时间变化满足：U{P0·(B(t))2}，其中，U{P}为速调管的输入电压与输出功率的对应关系，P0为速调管的输出平顶功率，P0为设计值，可通过定向耦合器耦合出速调管输出微波波导的功率，由功率计检测得到，B(t)的表达式如下：

[0118] B(t)＝bi，(t0+(i-1)D＜t＜t0+i·D)，其中B(t)为分段阶梯函数，bi为第i段函数的值，D为第二级脉冲压缩器的延迟线的延迟时间，

[0119] bi的求法为： 其中，“*”为向量的卷积运算，取前n个元素，“{}′”为向量转置运算，||||∞为向量的无穷范数，和 向量的元素为：

[0120] 其余元素为0；

[0121]

[0122] 其中，s1和s2分别为第一级脉冲压缩器和第二级脉冲压缩器的耦合孔的反射系数，α1和α2分别为第一级脉冲压缩器和第二级脉冲压缩器的延迟线衰减系数，l1和l2分别为第一级和脉冲压缩器第二级脉冲压缩器的延迟线长度，n＝n1×n2，n1和n2分别为第一级脉冲压缩器和第二级脉冲压缩器的压缩比；

[0123] 如图4右上角虚线波形所示。输出脉冲信号的开始时刻为t0，脉冲信号的下降沿开始时刻为t0+n·D，脉冲信号的输出波形结束时刻为t3；

[0124] 利用下式，计算高功率直流脉冲调制器的效率ηm：

[0125]

[0126] 其中，Pm(t)为高功率直流脉冲调制器的输出功率随时间的变化关系，Pm(t)＝Um(t)·Im(t)，Um(t)为高功率直流脉冲调制器的输出电压随时间的变化关系，用高压探头测量得到，Im(t)为高功率直流脉冲调制器的输出电流随时间的变化关系，用电流互感器测量得到，Em为高功率直流脉冲调制器的输入能量；ηm一般为80％。

[0127] (3)低功率微波信号源系统向速调管输出频率为f的带多次反相，即微波相位由0度变化到180度，对应图中的正负号)的高频方波信号，如图4右上角实线波形所示。该高频方波信号与步骤(2)中的脉冲信号同步，其中，高频方波信号的起始时刻为t0，结束时刻为t0+n·D，反相时刻为t＝t0+i*n2D-D，(i＝1，2，...n1)和t＝t0+i*n2D，(i＝1，2，...n1-2)；

[0128] (4)来自高功率直流脉冲调制器的脉冲信号作用于速调管内部的热阴极并释放电子束，来自低功率微波信号源系统的高频方波信号对该电子束进行速度调制，被调制的电子束通过速调管内部的谐振腔和耦合孔输出放大的高功率微波，得到带有上升沿的微波脉冲信号，该微波脉冲信号与步骤(2)的脉冲信号和步骤(3)的高频方波信号同步，微波脉冲信号的开始时刻为t0(忽略脉冲信号的传输时间)，结束时刻为t0+nD，反相时刻为t＝t0+i*n2D-D，(i＝1，2，...n1)和t＝t0+i*n2D，(i＝1，2，...n1-2)。

[0129] 如图4右数第二个波形所示；

[0130] 利用下式，计算速调管的效率ηk：

[0131]

[0132] 其中，Pk(t)为速调管的输出功率随时间的变化关系，通过定向耦合器耦合出速调管输出微波波导的功率，由功率计检测得到)；

[0133] 与传统速调管相比，效率能由原来的30％提高至35％左右。

[0134] 速调管向脉冲压缩器输出对于该脉冲压缩器而言为最优填充的微波脉冲信号，微波脉冲信号表达形式为P0(B(t-t0))2；

[0135] (5)脉冲压缩器接收来自速调管的微波脉冲信号，对微波脉冲信号的能量进行存储和释放，其中，t0+nD～t0+(n-1)D时间段，速调管向脉冲压缩器输入反相脉冲信号，脉冲压缩器进行脉冲信号的能量释放，形成被压缩的脉冲信号，如图4右数第一个波形所示；利用下式，计算得到脉冲压缩器的效率ηc：

[0136]

[0137] 其中，Pc(t)为脉冲压缩器的输出功率随时间的变化关系(通过定向耦合器耦合出脉冲压缩器输出微波波导的功率被功率计检测)；

[0138] 该方案采用了脉冲压缩器的最优填充波形，极大地降低了预脉冲的幅度，ηc能从原来的40％提高至60％左右。

[0139] (6)利用下式，计算得到微波脉冲压缩器系统的效率η：

[0140] η＝ηm·ηk·ηc。

[0141] 上述方法使微波脉冲压缩器系统效率从9％左右提高至16％左右，提高的比例约为89％。