一种基于包络波形特征的大功率传输波导打火保护装置

摘要

本发明公开了一种基于包络波形特征的大功率传输波导打火保护装置，包括微波检波器、低通滤波器、波形处理判断模块，前端连接传输波导中的耦合器，后端连接至功率激励和供电系统；通过相应频段的大功率耦合器进行正、反向微波信号提取，经过微波检波器检波得到包络波形；在保证检波基本波形前提下，通过低通滤波器滤除检波波形上面毛刺、其他杂波或检波过程中的谐波信号；经过滤波后的包络波形，进行波形处理和判断，通过监测包络波形中的垮塌或凹陷特征，来实现大功率传输波导打火保护的目的；在给定正常的脉宽、重复频率和电平范围后，不断进行波形采样，并通过电平比较分析，当发生空气击穿打火而导致脉冲内幅度异常时，及时送出保护光信号。

说明书

技术领域

本发明涉及大功率微波技术，特别是一种基于包络波形特征的大功率传输波导打火保护装置。

背景技术

大功率微波被广泛应用于电子通信、等离子体加热、受控热核聚变、工业材料处理等领域，具有十分重要的应用前景。在上述各种微波系统中，均会涉及到大功率微波信号在传输波导中的传输问题。由于传输波导中能量密度较大，环境的温度、湿度，波导耐受场强，负载状态变化等因素都可能会造成空气击穿打火，严重时可能会造成传输波导或者微波源设备损坏，带来十分严重的后果。因此进行大功率传输波导中的打火保护，及时切断功率激励和电源系统，对于提高大功率系统的可靠性具有重要意义。

目前的传输波导打火保护手段中，最常用的是基于驻波保护方式，通过双向耦合器提取传输波导中的正向、反向信号，并检测正、反向耦合信号功率的比值V_正向/V_反射，当低于一定阈值时，即认为驻波系数过大。但是对于不同的大功率传输系统、工作频率、耦合器频响曲线，需要进行繁琐的频响校正和测试工作。另外也有基于频域特征的谐波检测保护手段，由于空气击穿打火形成的空间等离子体会调制正、反向传输波，引起新频谱成分。但是这种检测手段装置复杂，需要边缘陡峭的滤波器和大动态范围的低频检波器，如高动态检波二极管等。

发明内容

本发明提供了一种基于包络波形特征的大功率传输波导打火保护装置，该装置简单通用化，能够实现在空气击穿打火初期数微秒时间内完成保护响应，解决了传统驻波保护、谐波检测方式的不足，能提高大功率微波传输系统的可靠性。

本发明的技术方案如下：

一种基于包络波形特征的大功率传输波导打火保护装置，其特征在于：所述大功率传输波导打火保护装置的信号输入端连接传输波导中的耦合器，大功率传输波导打火保护装置的信号输出端连接至功率激励和供电系统；当发生传输波导空气击穿打火时，所述大功率传输波导打火保护装置送出保护光信号给功率激励和供电系统，完成保护响应动作；

包括微波检波器、低通滤波器、波形处理判断模块，微波检波器的信号输入端通过微波传输线缆连接前端耦合器的信号输出端，低通滤波器的输入端连接微波检波器的信号输出端，波形处理判断模块的信号输入端连接低通滤波器的信号输出端，波形处理判断模块的信号输出端连接至功率激励和供电系统。

所述耦合器为大功率双向耦合器，用于提取传输波导中的正向、反向信号，耦合器的宽带特性与工作频段一致。

所述微波检波器对通过微波传输线缆传输的正向、反向信号进行检波，通过包络检波得到检波波形；所述微波检波器的工作频率与工作频段一致，且具有较大的视频带宽，能适用于短脉冲到CW工作模式的传输系统。

在保证检波基本波形前提下，所述低通滤波器用于滤出检波波形上面毛刺、杂波或者检波过程中的谐波信号，避免对后续波形采集和处理判断造成影响；根据检波波形特性优化设计，所述低通滤波器选取合适的截止频率。

所述大功率传输波导打火保护装置的设计思想是基于时域的包络波形检测手段，相比基于频谱谐波特征的谐波检测，结构更加简单。根据文献调研和实际系统测试，传输波导打火对应到检波波形上，最明显的特征就是脉冲检波波形垮塌或者凹陷。传输波导打火保护装置即通过监测波形电平的变化，来实现打火保护。所述波形处理判断模块是传输波导打火保护装置中的重要环节，对经过低通低通滤波器后的检波信号进行分析处理和判断，具体是：在给定正常的脉冲宽度、重复频率和电平范围后，通过ADC不断采集波形幅度，并通过电平分析比较，当由于传输波导空气击穿打火而导致脉冲内幅度异常时，及时送出保护信号。

本发明的有益效果如下：

本发明基于时域波形特征，设计了一种简单通用化的传输波导打火保护方案，相比于传统驻波检测方案，省去了复杂的频响校正流程和测试；经过多次实验测试和验证，具有较高的准确性和有效性，能在数微秒的时间内快速切断供电系统；能够适用于各种频段大功率微波传输系统，简单且具备普遍适用性。

附图说明

图1为本发明的原理示意图。

图中附图标记为：1—微波传输线缆，2—微波检波器，3—低通滤波器，4—波形处理判断模块。

具体实施方式

一种基于包络波形特征的大功率传输波导打火保护装置，所述大功率传输波导打火保护装置的信号输入端连接传输波导中的耦合器，大功率传输波导打火保护装置的信号输出端连接至功率激励和供电系统；当发生传输波导空气击穿打火时，所述大功率传输波导打火保护装置送出保护光信号给功率激励和供电系统，完成保护响应动作。

所述大功率传输波导打火保护装置包括微波检波器2、低通滤波器3、波形处理判断模块4，微波检波器2的信号输入端通过微波传输线缆1连接前端耦合器的信号输出端，低通滤波器3的输入端连接微波检波器2的信号输出端，波形处理判断模块4的信号输入端连接低通滤波器3的信号输出端，波形处理判断模块4的信号输出端连接至功率激励和供电系统。

如图1所示，首先根据大功率微波传输系统的工作频段，设计对应的带宽的大功率耦合器，实现对传输波导中正向、反向信号的提取，然后通过微波检波器2实现包络检波，得到传输的时域波形。微波检波器2的工作频率也应与工作频段一致，且具有较大的视频带宽。

检波波形后续通过低通滤波器3，滤出其中的毛刺和其他杂波或检波过程中的谐波信号，避免对波形处理造成影响。经过低通滤波器3后的检波信号，送入波形处理判断模块4进行分析。传输波导打火保护装置的处理判断思路是基于时域的包络波形检测手段，针对检波波形垮塌或者凹陷特征。即通过监测波形电平的变化，来实现检测和保护。在给定正常的脉冲宽度、重复频率和电平范围后，通过不断采集波形幅度，并通过电平分析比较，当由于空气击穿传输波导打火导致脉冲内幅度异常时，及时送出保护信号至供电系统，快速的切断高压系统，保护大功率微波系统的安全。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。