CN103633971A - 一种大功率微波脉冲信号的校准装置 - Google Patents

一种大功率微波脉冲信号的校准装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大功率微波脉冲信号的校准装置，该校准装置包括：耦合器(2)、负载(3)、衰减器(4)、功分器(5)、检波器(6)、示波器(7)、脉冲功率计(8)、计算机(9)以及测温仪(10)；所述耦合器(2)的一端与微波脉冲信号源(1)电连接；所述耦合器(2)的另一端分别与所述负载(3)和所述衰减器(4)电连接；所述衰减器(4)与所述功分器(5)电连接；所述功分器(5)分别与所述检波器(6)和所述脉冲功率计(8)电连接；所述检波器(6)与所述示波器(7)电连接；所述示波器(7)、所述脉冲功率计(8)和所述测温仪(10)都与所述计算机(9)电连接。本发明的校准装置考虑了大功率的微波脉冲信号的热效应对耦合器和衰减器的影响，因此能够提高大功率微波脉冲信号的校准精度。

Description

一种大功率微波脉冲信号的校准装置
技术领域
本发明涉及微波脉冲信号的校准技术领域，特别涉及一种大功率微波脉冲信号的校准装置。
背景技术
随着微波脉冲技术的迅速发展，实际应用需要的微波脉冲信号的功率大幅度提高，例如，实际应用需要的微波脉冲信号的峰值功率高达GW量级，其平均功率高达kW量级。这就迫切需要专门用于大功率的微波脉冲信号的校准装置和校准方法，以校准大功率的微波脉冲信号的功率和波形。
现有技术中，用于微波脉冲信号的校准方法主要有采用量热式功率计的校准方法、采用功率探测器的校准方法、采用耦合探针的校准方法、采用耦合器的校准方法、以及级联耦合校准方法。采用量热式功率计的校准方法存在如下缺陷：一是该种校准方法仅适用于中小功率的微波脉冲信号的校准，不适用于大功率的微波脉冲信号的校准；二是该种校准方法无法实现实时测量；三是该种校准方法的测量周期较长；四是该种校准方法只能测量微波脉冲信号的平均功率，无法测量微波脉冲信号的峰值功率和波形。
采用功率探测器的校准方法适用于大功率的微波脉冲信号的校准，且可以对微波脉冲信号的波形进行实时测量，但该种校准方法存在如下缺点：一是在校准功率的微波脉冲信号之前，需要对功率探测器本身进行校准；二是该种校准方法只适用于模式单一的微波脉冲信号的测量，对于模式复杂的微波脉冲信号的功率和波形的测量，其测量精度较低。
采用耦合探针的校准方法的校准原理是：利用耦合探针将大功率的微波脉冲信号耦合为小功率的微波脉冲信号，然后通过测量小功率的微波脉冲信号实现对大功率的微波脉冲信号的功率的间接测量。采用耦合探针的校准方法适用于大功率的微波脉冲信号的校准，且具有实时性、可扩展性以及可以对多参数同时测量的优点。但是，该种校准方法只适用于模式单一的微波脉冲信号的测量，对于模式复杂的大功率微波脉冲信号的测量，其测量精度较低，且耦合探针容易击穿。
采用耦合器的校准方法与采用耦合探针的校准方法的校准原理相同。采用耦合探针的校准方法相比，采用耦合器的校准方法不仅具有采用耦合探针的校准方法的上述优点，而且采用耦合器的校准方法适用于模式复杂的大功率微波脉冲信号的测量，同时还可以克服耦合探针容易击穿的缺点。
级联耦合校准方法的校准原理与采用耦合器的校准方法相同，其区别是级联耦合校准方法采用耦合器和衰减器对大功率的微波脉冲信号进行两级衰减。级联耦合校准方法除了具有采用耦合器的校准方法的上述优点外，还具有可溯源性和宽带性的优点。
采用耦合器的校准方法和级联耦合校准方法的共同缺点是：当大功率（即平均功率大于1kW）的微波脉冲信号在耦合器和衰减器中传输时，大功率的微波脉冲信号的热效应将导致耦合器和衰减器的温度显著升高，温度升高进而会影响耦合器和衰减器的性能。在这种情况下，采用耦合器测量得到的耦合度以及采用衰减器测量得到的衰减量将不准确。特别是在毫米波及以上波段，级联耦合校准方法的测量不确定度将无法满足实际应用的要求。
现有技术中还没有考虑大功率的微波脉冲信号的热效应对耦合器和衰减器的性能影响的校准装置。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的上述缺陷，提供一种大功率微波脉冲信号的校准装置。
本发明提供的大功率微波脉冲信号的校准装置包括：
耦合器，用于对来自微波脉冲信号源的待校准微波脉冲信号进行耦合并将耦合后的微波脉冲信号分别发送至衰减器和负载；
负载，用于吸收来自耦合器的微波脉冲信号；
衰减器，用于将来自耦合器的微波脉冲信号的功率衰减至中小功率；
功分器，用于将来自衰减器的微波脉冲信号分为两路并将该两路微波脉冲信号分别发送至检波器和脉冲功率计；
检波器，用于对微波脉冲信号进行检波；
示波器，用于显示微波脉冲信号的波形并将其发送至计算机；
脉冲功率计，用于测量微波脉冲信号的功率并将其发送至计算机；
计算机，用于存储来自脉冲功率计的待校准微波脉冲信号的功率的实际测量值、来自示波器的待校准微波脉冲信号的波形的实际测量值、来自测温仪的耦合器的最高温度值、以及来自测温仪的衰减器的最高温度值；还用于由与耦合器的最高温度值对应的耦合度修正值、与衰减器的最高温度值对应的衰减量修正值、以及待校准微波脉冲信号的功率的实际测量值计算获得待校准微波脉冲信号的功率的修正值；还用于由与耦合器的最高温度值对应的耦合度修正值、与衰减器的最高温度值对应的衰减量修正值、以及待校准微波脉冲信号的波形的实际测量值计算获得待校准微波脉冲信号的波形的修正值；以及
测温仪，用于测量耦合器和衰减器的温度并将其发送至计算机；
所述耦合器的一端与微波脉冲信号源电连接；所述耦合器的另一端分别与所述负载和所述衰减器电连接；所述衰减器与所述功分器电连接；所述功分器分别与所述检波器和所述脉冲功率计电连接；所述检波器与所述示波器电连接；所述示波器、所述脉冲功率计和所述测温仪都与所述计算机电连接。
优选地，所述测温仪包括分别设置于所述耦合器和所述衰减器表面的多个温度传感器。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明的校准装置能够适用于大功率即功率大于1kW的微波脉冲信号的校准，能够实时校准大功率的微波脉冲信号的功率和波形；
(2)本发明的校准装置考虑了大功率的微波脉冲信号的热效应对耦合器和衰减器的影响，因此能够提高大功率微波脉冲信号的校准精度。
附图说明
图1为本发明实施例的大功率微波脉冲信号的校准装置的示意图；
图2为本发明实施例的大功率微波脉冲信号的校准方法的流程图；
图3为在常温下测量耦合器的耦合度的装置的示意图；
图4为在高温下测量耦合器的耦合度的装置的示意图；
图5为在常温下测量衰减器的衰减量的装置的示意图；
图6为在高温下测量衰减器的衰减量的装置的示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的发明内容作进一步的描述。
如图1所示，本实施例提供的大功率微波脉冲信号的校准装置包括耦合器2、负载3、衰减器4、功分器5、检波器6、示波器7、脉冲功率计8、计算机9和测温仪10。
耦合器2的一端与微波脉冲信号源1电连接。耦合器2的另一端分别与负载3和衰减器4电连接。衰减器4与功分器5电连接。功分器5分别与检波器6和脉冲功率计8电连接。检波器6与示波器7电连接。示波器7、脉冲功率计8和测温仪10都与计算机9电连接。
耦合器2用于对来自微波脉冲信号源1的待校准微波脉冲信号进行耦合并将耦合后的微波脉冲信号分别发送至衰减器4和负载3。负载3用于吸收来自耦合器2的微波脉冲信号。衰减器4用于将来自耦合器2的微波脉冲信号的功率衰减至中小功率，即将来自耦合器2的微波脉冲信号的功率衰减至小于1kW。功分器5用于将来自衰减器4的微波脉冲信号分为两路并将该两路微波脉冲信号分别发送至检波器6和脉冲功率计8。检波器6用于对微波脉冲信号进行检波。示波器7用于显示微波脉冲信号的波形并将其发送至计算机9。脉冲功率计8用于测量微波脉冲信号的功率并将其发送至计算机9。计算机9用于存储来自脉冲功率计8的待校准微波脉冲信号的功率的实际测量值、来自示波器7的待校准微波脉冲信号的波形的实际测量值、来自测温仪10的耦合器2的最高温度值、以及来自测温仪10的衰减器4的最高温度值；计算机9还用于由与耦合器2的最高温度值对应的耦合度修正值、与衰减器4的最高温度值对应的衰减量修正值、以及待校准微波脉冲信号的功率的实际测量值计算获得待校准微波脉冲信号的功率的修正值；计算机9还用于由与耦合器2的最高温度值对应的耦合度修正值、与衰减器4的最高温度值对应的衰减量修正值、以及待校准微波脉冲信号的波形的实际测量值计算获得待校准微波脉冲信号的波形的修正值。测温仪10用于测量耦合器2和衰减器4的温度并将其发送至计算机9。
在本实施例中，测温仪10包括分别设置于耦合器2和衰减器4表面的多个温度传感器（图中未示出）。
本实施例提供的大功率微波脉冲信号的校准方法采用上述校准装置。如图1所示，在常温下，微波脉冲信号源1产生大功率的待校准微波脉冲信号。待校准微波脉冲信号经过耦合器2和衰减器4时导致耦合器2和衰减器4的温度升高。
如图2所示，本实施例提供的大功率微波脉冲信号的校准方法包括如下步骤：
S1：利用测温仪10分别实时测量耦合器2和衰减器4的温度，在耦合器2的温度稳定之后获得耦合器2的最高温度值并将其发送至计算机9，在衰减器4的温度稳定之后获得衰减器4的最高温度值并将其发送至计算机9；
S2：在常温下利用脉冲功率计8测量待校准微波脉冲信号的功率，获得待校准微波脉冲信号的功率的实际测量值并将其发送至计算机9；在常温下利用示波器7测量待校准微波脉冲信号的波形，获得待校准微波脉冲信号的波形的实际测量值并将其发送至计算机9；
S3：根据耦合器2的最高温度值确定耦合度修正温度范围，且该耦合度修正温度范围内包含耦合器2的最高温度值；根据衰减器4的最高温度值确定衰减量修正温度范围，且该衰减量修正温度范围内包含衰减器4的最高温度值；优选地，耦合度修正温度范围的中间值等于耦合器2的最高温度值；衰减量修正温度范围的中间值等于衰减器4的最高温度值；
S4：在耦合度修正温度范围内根据需要确定多个耦合度修正温度点；在衰减量修正温度范围内根据需要确定多个衰减量修正温度点；优选地，耦合度修正温度范围内的任意两个相邻的耦合度修正温度点之间的温度间隔相等；衰减量修正温度范围内的任意两个相邻的衰减量修正温度点之间的温度间隔相等；
S5：测量获得耦合器2在耦合度修正温度范围内的每一个耦合度修正温度点的耦合度的修正值以及衰减器4在衰减量修正温度范围内的每一个衰减量修正温度点的衰减量的修正值；
S6：根据耦合器2在耦合度修正温度范围内的每一个耦合度修正温度点的耦合度的修正值获得耦合器2的耦合度修正曲线；根据衰减器4在衰减量修正温度范围内的每一个衰减量修正温度点的衰减量的修正值获得衰减器4的衰减量修正曲线；
S7：由耦合器2的耦合度修正曲线得到与耦合器2的最高温度值对应的耦合度修正值；由衰减器4的衰减量修正曲线得到与衰减器4的最高温度值对应的衰减量修正值；
S8：利用计算机9由与耦合器2的最高温度值对应的耦合度修正值、与衰减器4的最高温度值对应的衰减量修正值、以及上述步骤S2得到的待校准微波脉冲信号的功率的实际测量值计算获得待校准微波脉冲信号的功率的修正值；利用计算机9由与耦合器2的最高温度值对应的耦合度修正值、与衰减器4的最高温度值对应的衰减量修正值、以及上述步骤S2得到的待校准微波脉冲信号的波形的实际测量值计算获得待校准微波脉冲信号的波形的修正值。
上述步骤S5包括如下子步骤：
S5.1：在常温下分别测量耦合器2的耦合度的系统本底值和衰减器4的衰减量的系统本底值；
S5.2：利用第一加热控温装置12将耦合器2的温度升高至耦合度修正温度范围内的任意一个耦合度修正温度点，利用矢量网络分析仪11测量耦合器2的耦合度，获得耦合器2在该耦合度修正温度点的耦合度的高温测量值，如图4所示；利用第二加热控温装置13将衰减器4的温度升高至衰减量修正温度范围内的任意一个衰减量修正温度点，利用矢量网络分析仪11测量衰减器4的衰减量，获得衰减器4在该衰减量修正温度点的衰减量的高温测量值，如图6所示；
S5.3：计算耦合器2的耦合度的高温测量值与其系统本底值的差值获得耦合器2在该耦合度修正温度点的耦合度的修正值；计算衰减器4的衰减量的高温测量值与其系统本底值的差值获得衰减器4在该衰减量修正温度点的衰减量的修正值；
S5.4：重复上述步骤S5.2-S5.3获得耦合器2在耦合度修正温度范围内的每一个耦合度修正温度点的耦合度的修正值以及衰减器4在衰减量修正温度范围内的每一个衰减量修正温度点的衰减量的修正值。
上述步骤S5.1进一步包括如下子步骤：
S5.1.1：在常温下利用矢量网络分析仪11测量耦合器2的耦合度，获得耦合器2的耦合度的第一常温测量值，如图3所示；在常温下利用矢量网络分析仪11测量衰减器4的衰减量，获得衰减器4的衰减量的第一常温测量值，如图5所示；
S5.1.2：将耦合器2置于第一加热控温装置12内，在常温下利用矢量网络分析仪11测量耦合器2的耦合度，获得耦合器2的耦合度的第二常温测量值，如图4所示；将衰减器4置于第二加热控温装置13内，在常温下利用矢量网络分析仪11测量衰减器4的衰减量，获得衰减器4的衰减量的第二常温测量值，如图6所示；
S5.1.3：计算耦合器2的耦合度的第一常温测量值和第二常温测量值的平均值并将该平均值作为耦合器2的耦合度的系统本底值；计算衰减器4的衰减量的第一常温测量值和第二常温测量值的平均值并将该平均值作为衰减器4的衰减量的系统本底值。
需要说明的是，上述步骤S5.1.1与步骤S5.1.2的顺序可以互换。
需要说明的是，在本实施例中，大功率微波是指功率大于1kW的微波。
本实施例的校准装置能够适用于大功率即功率大于1kW的微波脉冲信号的校准；由于本实施例的校准装置考虑了大功率的微波脉冲信号的热效应对耦合器和衰减器的影响，因此本实施例的校准装置能够提高微波脉冲信号的校准精度。此外，本实施例的校准装置也可以用于中小功率即功率小于1kW的微波脉冲信号的校准。
应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种大功率微波脉冲信号的校准装置，其特征在于，该校准装置包括：
耦合器(2)，用于对来自微波脉冲信号源(1)的待校准微波脉冲信号进行耦合并将耦合后的微波脉冲信号分别发送至衰减器(4)和负载(3)；
负载(3)，用于吸收来自耦合器(2)的微波脉冲信号；
衰减器(4)，用于将来自耦合器(2)的微波脉冲信号的功率衰减至中小功率；
功分器(5)，用于将来自衰减器(4)的微波脉冲信号分为两路并将该两路微波脉冲信号分别发送至检波器(6)和脉冲功率计(8)；
检波器(6)，用于对微波脉冲信号进行检波；
示波器(7)，用于显示微波脉冲信号的波形并将其发送至计算机(9)；
脉冲功率计(8)，用于测量微波脉冲信号的功率并将其发送至计算机(9)；
计算机(9)，用于存储来自脉冲功率计(8)的待校准微波脉冲信号的功率的实际测量值、来自示波器(7)的待校准微波脉冲信号的波形的实际测量值、来自测温仪(10)的耦合器(2)的最高温度值、以及来自测温仪(10)的衰减器(4)的最高温度值；还用于由与耦合器(2)的最高温度值对应的耦合度修正值、与衰减器(4)的最高温度值对应的衰减量修正值、以及待校准微波脉冲信号的功率的实际测量值计算获得待校准微波脉冲信号的功率的修正值；还用于由与耦合器(2)的最高温度值对应的耦合度修正值、与衰减器(4)的最高温度值对应的衰减量修正值、以及待校准微波脉冲信号的波形的实际测量值计算获得待校准微波脉冲信号的波形的修正值；以及
测温仪(10)，用于测量耦合器(2)和衰减器(4)的温度并将其发送至计算机(9)；
所述耦合器(2)的一端与微波脉冲信号源(1)电连接；所述耦合器(2)的另一端分别与所述负载(3)和所述衰减器(4)电连接；所述衰减器(4)与所述功分器(5)电连接；所述功分器(5)分别与所述检波器(6)和所述脉冲功率计(8)电连接；所述检波器(6)与所述示波器(7)电连接；所述示波器(7)、所述脉冲功率计(8)和所述测温仪(10)都与所述计算机(9)电连接。
2.根据权利要求1所述的大功率微波脉冲信号的校准装置，其特征在于，所述测温仪(10)包括分别设置于所述耦合器(2)和所述衰减器(4)表面的多个温度传感器。
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