CN103543349A - 基于vco调制的宽带多波束微波源相关反射测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于核聚变等离子体微波诊断领域，具体公开一种基于VCO调制的宽带多波束微波源相关反射测量系统，调制信号源的输出端与直流偏置器的输入端连接，直流偏置器的供电端与直流电源的输出端连接，直流偏置器的输出端依次与宽带VCO源、功率分配器、功率放大器、带通滤波器、倍频器组、功率合成器、发射天线连接，发射天线的输出端向等离子体发射微波信号，超外差接收系统的输入端与接收天线的输出端连接，接收天线输入端接收从等离子体反射的微波信号。该系统具有成本低、谐波次数高、频率等间隔、频率可调等优点。

Description

基于VCO调制的宽带多波束微波源相关反射测量系统

技术领域

本发明属于核聚变等离子体微波诊断领域，具体涉及一种基于压控振荡器VCO（Voltage Controlled Oscillator）调制的宽带多波束微波源相关反射测量系统。

背景技术

在受控核聚变实验研究中，等离子体内部不同尺度的湍流扰动和分布决定着等离子体的约束与输运，获得这些不同尺度扰动之间的关系对于研究等离子体粒子输运，磁流体不稳定性，湍流分布及相关，高约束模式运行以及等离子体剖面控制与运行有重要的帮助作用。微波诊断可以深入等离子体内部，测量高时空分辨的电子密度和电子温度分布与扰动，它是当前在世界上主要几个聚变装置优先发展的先进诊断技术之一。为实现等离子体内部电子密度扰动和分布等参数测量，需要同时发射多束、频率不同的微波到等离子体内部，这些不同频率的微波在不同的电子密度截止层反射，可以携带出等离子体内部反射截止层的扰动和分布信息，因此多波束微波功率发射源是本测量的核心。

对于托卡马克等离子体，湍流的径向相关长度大约从毫米到厘米量级。在通常的电子密度分布条件下，两个相关密度反射层所对应的微波截止频率差大约为几百MHz。HL-2A托卡马克等离子体电子密度所对应的微波频率通常在厘米波到毫米波段，如果采用独立的多个微波源，其成本较高，且微波频率一旦确定，不容易改动；而采用一般的频率调制技术，随着调制频率的增加，调制度越来越小。

发明内容

本发明针对独立微波源成本较高，毫米波源调制频率较低、带宽较窄等限制，提供一种基于VCO微波源和宽带倍频技术的高频、宽带多谐调制技术的微波相关反射测量系统，该系统具有成本低、谐波次数高、频率等间隔、频率可调等优点。

实现本发明目的的技术方案：一种基于VCO调制的宽带多波束微波源相关反射测量系统，该系统包括调制信号源、直流偏置器、直流电源、宽带VCO源、功率分配器、功率放大器、带通滤波器、倍频器组、功率合成器、发射天线、接收天线、超外差接收系统，调制信号源的输出端与直流偏置器的输入端连接，直流偏置器的供电端与直流电源的输出端连接，直流偏置器的输出端依次与宽带VCO源、功率分配器、功率放大器、带通滤波器、倍频器组、功率合成器、发射天线连接，发射天线的输出端向等离子体发射微波信号，超外差接收系统的输入端与接收天线的输出端连接，接收天线输入端接收从等离子体反射的微波信号。

所述的直流偏置器由电容和电感组成，调制信号源的输出端与电容的一端连接，电容的另一端与电感的一端并联，电感的另一端与直流电源的输出端连接，电容和电感的并联端与VCO源的调谐输入端连接。

所述的功率放大器包括第一组功率放大器和第二组功率放大器，所述的带通滤波器包括第一组带通滤波器、第二组带通滤波器，功率分配器的输出端与第一组功率放大器输入端连接。第一组功率放大器的输出端分别与第一组带通滤波器的输入端连接；第一组带通滤波器的输出端与倍频器组的输入端连接；倍频器组的输出端与第二组功率放大器的输入端连接；第二组功率放大器的输出端与第二组带通滤波器的输入端连接；第二组带通滤波器的输出端与功率合成器的输入端连接。

所述的调制信号源和稳压电源输入到直流偏置器，直流偏置器的输出信号直接加载到VCO源的调谐输入端，宽带VCO源输出被调制的微波信号到功率分配器进行功率分配，然后通过第一组功率放大器功率放大、第一组带通滤波器滤波、倍频器进行频率放大、第二组功率放大器功率放大、第二组带通滤波器滤波，并经过功率合成器进行微波信号功率合成；功率合成器输出的微波信号经过发射天线发射到等离子体，等离子体将该微波信号反射，反射微波信号经过接收天线接收，最后反射微波信号输入到超外差接收系统中。

本发明的有益技术效果在于：本发明采用将带直流偏置的中频调制信号加载到VCO源的调谐信号上直接调制振荡源输出，调制波谐波双边带可达到20个以上，谐波频率为等间隔，输出功率大且平坦，调制频率可以达到1GHz以上。为了实现各频点功率的控制，采用选频、倍频和功放，倍频次数由VCO源频率和测量所需工作频率决定，用带通滤波器选择输出频率，通过调节功率放大的增益，使输出符合需要的功率。将产生的多束微波向等离子体发射，在不同截止面反射的微波采用采用超外差测量技术接收，在一级混频后提取调制时的中频信号，用正交鉴相技术测量中频信号和参考中频信号的相位差，进而获得反射波中的扰动变化。本发明的系统除了能够用于等离子体电子密度分布的微波反射测量，还能够用于其它需要宽带、高频多波束的微波测量系统，如超外差电子回旋辐射测量。

附图说明

图1是本发明所提供的一种基于VCO调制的宽带多波束微波源相关反射测量系统的示意图。

图2为采用本发明所提供的VCO偏置调制和现有技术中的混频器得到的调制频谱比较的示意图。

图中：1-调制信号源，2-稳压电源，3-宽带VCO源，4-功率分配器，5-第一组功率放大器，6-第一组带通滤波器，7-倍频器组，8-发射天线，9-接收天线，10-超外差接收系统，11-截止层，12-等离子体，13-第二组功率放大器，14-第二组带通滤波器，15-功率合成器，16-直流偏置器，L-电感，C-电容。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明所提供的一种基于VCO调制的宽带多波束微波源相关反射测量系统，该系统包括调制信号源1、直流偏置器16、直流电源2、宽带VCO源3、功率分配器4、第一组功率放大器5、第一组带通滤波器6、倍频器组7、第二组功率放大器13、第二组带通滤波器14、功率合成器15、发射天线8、接收天线9、超外差接收系统10、

直流偏置器16由电容C和电感L组成，调制信号源1的输出端与电容C的一端连接，电容C的另一端与电感L的一端并联，电感L的另一端与直流电源2的输出端连接。电容C和电感L的并联端与VCO源3的调谐输入端连接，VCO源3的输出端与功率分配器4的输入端连接，功率分配器4是16路功率分配器，功率合成器15是16路功率合成器，功率分配器4的输出端的数量与功率合成器15的输入端相的数量同。功率分配器4的输出端依次与第一组功率放大器5、第一组带通滤波器6、倍频器组7、第二组功率放大器13、第二组带通滤波器14、功率合成器15连接，第一组功率放大器5中功率放大器的数量、第一组带通滤波器6中带通滤波器的数量、倍频器组7中倍频器的数量、第二组功率放大器13中功率放大器的数量、第二组带通滤波器14中带通滤波器的数量、均与功率分配器4的输出端数量相同。

功率分配器4的每一个输出端分别与第一组功率放大器5中的一个功率放大器的输入端连接。第一组功率放大器5中的每一个功率放大器的输出端分别与第一组带通滤波器6中的一个带通滤波器的输入端连接。第一组带通滤波器6中的每一个带通滤波器的输出端分别与倍频器组7中的一个倍频器的输入端连接。倍频器组7中的每一个倍频器输出端分别与第二组功率放大器13中的一个功率放大器的输入端连接。第二组功率放大器13中的每一个功率放大器的输出端分别与第二组带通滤波器14中的一个带通滤波器的输入端连接。第二组带通滤波器14中的每一个带通滤波器的输出端分别与功率合成器15的一个输入端连接。

功率合成器15的输出端与发射天线8的输入端连接，发射天线8的输出端向等离子体12的截止面11发射微波信号，超外差接收系统10的输入端与接收天线9的输出端连接，接收天线9输入端接收从等离子体12的截止面11反射的微波信号。

所述调制信号源1的工作频率为10M-1GHz之间，其具体频率值由直流偏置器16、第一组带通滤波器6和第二组带通滤波器14决定。

所述直流偏置器16的工作频率为10M-3GHz，稳压电源2输出到直流偏置器16的L端的工作电压在3-18V之间。

所述宽带VCO源3的输出频率由VCO源3的类型、稳压电源2的输出电压和倍频器7的工作频率等决定，例如宽带VCO源3的输出频率可以工作在8-12.5GHz或12-18GHz。

所述第一组带通滤波器6的工作频率由宽带VCO源3、调制信号源1和所需要选择的谐波次数决定。

所述第二组带通滤波器14的工作频率由第一组带通滤波器6输出的频率和倍频器7决定。

所述功率分配器4的工作频率为8-18GHz，输出道数由所需要的微波束数量决定，可选择8个或16个输出通道。

所述倍频器7的输出频率决定了系统的最终工作频率，倍频次数可以选择4次倍频、6次倍频或9次倍频，最终输出频率范围可以达到33-140GHz。

所述功率合成器15用于将几组倍频器7输出的微波信号合路成一路，经发射天线8同时向等离子体12发射，其工作频率由倍频器7的输出频率决定。

下面结合附图1详细描述本发明所提供的一种基于VCO调制的宽带多波束微波源相关反射测量系统的工作原理：

调制信号源1用于对宽带VCO源3输出的频率进行调制，产生调制波。稳压电源2用于对VCO源3的调谐端提供偏置电压，直流偏置器16主要用于隔离稳压电源2和调制信号源1，防止互相影响。

调制信号源1和稳压电源2输入到直流偏置器16，直流偏置器16的输出信号直接加载到VCO源3的调谐输入端，宽带VCO源3输出被调制的微波信号到功率分配器4进行功率分配，然后通过第一组功率放大器5功率放大、第一组带通滤波器6滤波、倍频器7进行频率放大、第二组功率放大器13功率放大、第二组带通滤波器14滤波，并经过功率合成器15进行微波信号功率合成，然后经发射天线8向等离子体12发射功率合成后的微波信号。

第一组功率放大器5的工作频率为VCO源3的输出频率，第一组带通滤波器6用于对VCO源3输出的微波信号进行选频；第二组功率放大器13的工作频率为倍频器7的输出频率，该频率为VCO源3的输出频率的倍数，第二组带通滤波器14用于对倍频器7和第二组功率放大器13的输出信号进行选频。通过调节第二组功率放大器13的增益，控制输出功率。

功率合成器15输出的微波信号经过发射天线8发射到等离子体12，等离子体12的截止面11将该微波信号反射，反射微波信号经过接收天线9接收，超外差接收系统10接收从接收天线9传输来的反射微波信号，在超外差接收系统10中进行反射微波信号外差鉴相，进而获得反射微波信号中的扰动变化。由于测量的扰动相位为自标定信号，其可以直接代表等离子体12内部的湍流扰动分布。

如图2所示，采用本发明所提供的VCO偏置调制方法的效率较高，即插入损耗小，谐波次数多，输出功率大且平坦。采用现有技术中的混频方法：插入损耗大，谐波次数少，且谐波功率随谐波次数增加而迅速减小。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (4)

1.一种基于VCO调制的宽带多波束微波源相关反射测量系统，其特征在于：该系统包括调制信号源（1）、直流偏置器（16）、直流电源（2）、宽带VCO源（3）、功率分配器（4）、功率放大器、带通滤波器、倍频器组（7）、功率合成器（15）、发射天线（8）、接收天线（9）、超外差接收系统（10），调制信号源（1）的输出端与直流偏置器（16）的输入端连接，直流偏置器（16）的供电端与直流电源（2）的输出端连接，直流偏置器（16）的输出端依次与宽带VCO源（3）、功率分配器（4）、功率放大器、带通滤波器、倍频器组（7）、功率合成器（15）、发射天线（8）连接，发射天线（8）的输出端向等离子体（12）发射微波信号，超外差接收系统（10）的输入端与接收天线（9）的输出端连接，接收天线（9）输入端接收从等离子体（12）反射的微波信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于VCO调制的宽带多波束微波源相关反射测量系统，其特征在于：所述的直流偏置器（16）由电容（C）和电感（L）组成，调制信号源（1）的输出端与电容（C）的一端连接，电容（C）的另一端与电感（L）的一端并联，电感（L）的另一端与直流电源（2）的输出端连接，电容（C）和电感（L）的并联端与VCO源（3）的调谐输入端连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于VCO调制的宽带多波束微波源相关反射测量系统，其特征在于：所述的功率放大器包括第一组功率放大器（5）和第二组功率放大器（13），所述的带通滤波器包括第一组带通滤波器（6）、第二组带通滤波器（14），功率分配器（4）的输出端与第一组功率放大器（5）输入端连接。第一组功率放大器（5）的输出端分别与第一组带通滤波器（6）的输入端连接；第一组带通滤波器（6）的输出端与倍频器组（7）的输入端连接；倍频器组（7）的输出端与第二组功率放大器（13）的输入端连接；第二组功率放大器（13）的输出端与第二组带通滤波器（14）的输入端连接；第二组带通滤波器（14）的输出端与功率合成器（15）的输入端连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于VCO调制的宽带多波束微波源相关反射测量系统，其特征在于：所述的调制信号源（1）和稳压电源（2）输入到直流偏置器（16），直流偏置器（16）的输出信号直接加载到VCO源（3）的调谐输入端，宽带VCO源（3）输出被调制的微波信号到功率分配器（4）进行功率分配，然后通过第一组功率放大器（5）功率放大、第一组带通滤波器（6）滤波、倍频器（7）进行频率放大、第二组功率放大器（13）功率放大、第二组带通滤波器（14）滤波，并经过功率合成器（15）进行微波信号功率合成；功率合成器（15）输出的微波信号经过发射天线（8）发射到等离子体（12），等离子体（12）将该微波信号反射，反射微波信号经过接收天线（9）接收，最后反射微波信号输入到超外差接收系统（10）中。

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