CN103995187B - X波段高功率微波一体化辐射场测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种X波段高功率微波一体化辐射场测量系统，高功率微波辐射场信号由天线接收后，经过波导衰减器进行功率衰减，经过波导同轴转换器依次传输至程控衰减器和同轴衰减器进行功率衰减，由检波器检出信号的包络波形并由数字转换器采集后发送给单板电脑，监控计算机通过光纤收发器对数字转换器和温度传感器进行监视；对数字转换器和程控衰减器进行控制。本发明集电磁防护、衰减量调节、信号检波、数据采集及处理、远程监控和光纤数传等功能于一体，结构紧凑，简便易携，易于外场测量的快速展开；提高了系统整体的电磁防护能力，增加了测量的动态范围，对测量不同功率水平的辐射场有了更强的适应性。

Description

X波段高功率微波一体化辐射场测量系统

技术领域

本发明涉及一种高功率微波辐射场测量装置。

背景技术

高功率微波外场测量系统对于高功率微波研究中的参数测量、诊断等工作都有重要的作用。目前高功率微波辐射场测量系统的基本构成如文献“陈宇.远场法高功率微波功率测量中若干问题的研究[D].国防科学技术大学硕士论文,2005（P6～P7）.”中提到的，该类系统组成面临以下难题：一是存在电磁防护的薄弱环节，强电磁环境易对测量结果产生干扰；二是测量系统移动测量位置带来检波器前端的重复连接，对其测量结果的可靠性造成了影响；三是不具备衰减调节能力，测量动态范围小。

另一类是基于波导系统探针耦合的测量系统如文献“屈劲,刘庆想,等.高功率微波辐射场功率密度测量系统[J].强激光与离子束,2004,16(1),77～80.”所述，该类型系统同样存在易受外部电磁场干扰和测量动态范围小等问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种X波段高功率微波一体化辐射场测量系统，集电磁防护、衰减量调节、信号检波、数据采集及处理、远程监控和光纤数传等功能于一体，结构紧凑，简便易携（重量约10kg）、易于外场测量的快速展开；提高了系统整体的电磁防护能力，增加了测量的动态范围（大于20dB），对测量不同功率水平的辐射场有了更强的适应性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括天线、波导衰减器、波导同轴转换器、程控衰减器、同轴衰减器、检波器、数字转换器、单板电脑、光纤收发器和监控计算机。

高功率微波辐射场信号由天线接收后，经过波导衰减器进行功率衰减，经过波导同轴转换器传输至程控衰减器（传输线结构由波导结构改变为同轴结构，利于减小后端传输线的体积），再依次经过程控衰减器和同轴衰减器进行功率衰减（程控衰减器可以实现信号功率衰减量的计算机控制，同轴衰减器通常和后端的检波器一起使用，该组合检波结构有较小的驻波，可以减少检波波形的畸变量），由检波器检出高功率微波辐射场信号的包络波形，该包络波形由数字转换器采集后发送给单板电脑，计算出天线所处位置的高功率微波辐射场功率密度值，监控计算机通过光纤收发器对数字转换器的采集波形、温度传感器采集的环境实时温度进行监视；对数字转换器的参数和程控衰减器的衰减量进行控制。

所述天线所处位置的高功率微波辐射场功率密度值，

W——天线所处位置的高功率微波辐射场功率密度值，单位：mW/cm²；

G——天线增益，单位：dB；

A_w——波导衰减器的衰减量，单位：dB；

IL_w-c——波导同轴转换器的插入损耗，单位：dB；

A_p——程控衰减器的衰减量，单位：dB；

A_c——同轴衰减器的衰减量，单位：dB；

P_d——检波波形幅度对应的输入功率值，单位：dBm；

S——天线有效接收面积，单位：cm²。

进入所述波导同轴转换器的信号的平均功率不大于30dBm（连续波）或峰值功率不大于50dBm（脉冲宽度小于10μs）。

所述程控衰减器的衰减量按照1dB的步进，在0～11dB范围内连续调节。

所述检波器输入信号频率范围：DC～18GHz，波形输出幅度小于150mV，响应时间小于2ns。

所述数字转换器选用的带宽：500MHz，最高采样率：2GS/s，能够完成对检波器输出波形的不失真采样。

所述的波导同轴转换器、程控衰减器、同轴衰减器、检波器、数字转换器、单板电脑、光纤收发器和温度传感器安装在电磁防护体内，电磁防护体包括壳体和壳盖。壳体为上端开口的长方体空腔，底部外侧有一凸台，凸台顶面尺寸等于波导同轴转换器的法兰端面尺寸，凸台上开一矩形贯通孔，波导同轴转换器的同轴接口一端从壳体外侧插沿矩形贯通孔插入壳体，直到波导同轴转换器的法兰端面同凸台顶面搭接，法兰和凸台沿搭接缝隙进行360°焊接，焊接采用气体保护焊或真空焊接，波导同轴转换器的法兰端面开四个非贯通的螺钉孔（避免了传统贯通孔形成的进入电磁防护体的耦合通道），用以和波导衰减器的法兰连接和紧固。壳盖与壳体上端开口吻合，外沿焊有三层铍铜弹簧片，实现壳盖和壳体的良好电接触，壳体上端开口处的边沿高出壳盖1.5cm。

在不影响系统屏蔽效能的前提下，在壳盖上开小孔阵列，形成截止波导通风窗，配合安装在截止波导通风窗内侧的散热风扇使用，以提高系统的散热能力。

电磁防护体内部所有电子设备的供电都由聚合物锂电池和电压转换模块提供。

波导同轴转换器可以是带法兰的穿墙的同轴转接器，N型或SMA型，法兰和壳体的接缝360°焊接，焊接过程避免产生金属氧化物。

天线可以选择角锥喇叭天线或开口波导。

根据功率容量的要求，可以用定向耦合器代替波导衰减器，或定向耦合器串接波导衰减器一起使用来完成对高功率微波辐射场信号的衰减。

本发明的有益效果是：采用了单板电脑和PCI接口的数字转换器进行波形的采集和处理，代替了传统的示波器和计算机，使结构更加紧凑，避免了测量位置改变带来的器件的重复连接，增加了测量结果的可靠性（由于连接结构的重复性不高，重复连接后系统的衰减量会和标定结果产生较大的偏差）；在测量系统的衰减环节引入了程控可调衰减器（重复性小于0.03dB），提高了测量动态范围，使测量系统的动态范围能够达到20dB，增强了测量系统在不同功率密度场中的适应性；该测量系统的电磁防护体在设计中尽量减少电不连续环节的存在，对唯一的电不连续环节——壳体和壳盖的连接处，采用了三层铍铜弹片结构来加强电磁防护能力，采用光纤经截止波导孔（是为了光纤在壳体上专门开的一个通孔，尺寸满足x波段电磁波的截止条件）贯通该电磁防护体，即能够实现数据的接收和发送，又不影响其屏蔽效能，这些措施保证了该系统在X波段的电磁屏蔽能力优于90dB；通过温度传感器和散热风扇的使用，使系统具备一定的温度调节的能力，对外场工作条件有了更强的适应性；此外该系统体积小，重量轻（小于10kg），便于外场测量工作的快速展开。

附图说明

图1是X波段高功率微波一体化辐射场测量系统原理结构框图；

图2是波导同轴转换器结构图；

图3是壳体结构图；

图4是壳盖、截止波导通风窗及铍铜弹簧片结构图；

图5是X波段高功率微波一体化辐射场测量系统防护结构剖面图；

图6是控制器电路原理图。

图中，1-天线，2-波导衰减器，3-波导同轴转换器，4-程控衰减器，5-同轴衰减器，6-检波器，7-数字转换器，8-单板电脑，9-光纤收发器，10-监控计算机，11-控制器，12-电压转换模块，13-聚合物锂电池，14-电磁防护体，15-壳体，16-壳盖，17-铍铜弹簧片，18-散热风扇，19-截止波导通风窗，20-温度传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，高功率微波辐射场信号由天线1进入测量系统，经过BJ100型波导衰减器2，波导同轴转换器3（BJ100-SMA），程控衰减器4和同轴衰减器5，由检波器6检出脉冲信号的包络波形，该波形由数字转换器7采集后通过PCI接口发送给作为处理计算机的单板电脑8进行存储，对测量系统进行严格定标后，由波形的幅值即能够计算出辐射场的功率密度值。考虑到波导同轴转换3及其后端系统的功率容量，应控制进入该器件信号的平均功率不大于30dBm（连续波）或峰值功率不大于50dBm（脉冲宽度小于10μs）。

计算辐射场的功率密度值的前提条件是在高功率微波辐射场信号的频率下，将天线的增益、天线的有效面积、波导衰减器的衰减量、波导同轴转换器的插入损耗、程控衰减器的衰减量、同轴衰减器的衰减量、检波器输入功率水平与输出波形幅度的对应关系进行严格的标定。

计算公式为： $W=\frac{{10}^{-(G-A_w-{\mathrm{IL}}_{w-c}-A_p-A_c-P_d)}}{S}$

W——天线所处位置的高功率微波辐射场功率密度值，单位：mW/cm²；

G——天线增益，单位：dB；

A_w——波导衰减器的衰减量，单位：dB；

IL_w-c——波导同轴转换器的插入损耗，单位：dB；

A_p——程控衰减器的衰减量，单位：dB；

A_c——同轴衰减器的衰减量，单位：dB；

P_d——检波波形幅度对应的输入功率值，单位：dBm；

S——天线有效接收面积，单位：cm²。

为了避免强电磁场对测试人员造成伤害，测试人员在远程利用光纤（该系统光纤传输的距离可达1.5km），通过监控计算机10和光纤收发器9实现对测量系统的监视和控制。监视包括监视波形的显示，温度传感器20采集的环境实时温度等；控制包括控制数字转换器7的参数设置，程控衰减器4的衰减量设置等。

监控计算机10通过单板电脑8控制控制器11完成对程控衰减器4衰减量的远程设置，程控衰减器4的引入可以使该测量系统实现更大的测量动态范围。程控衰减器4衰减量可以按照1dB的步进，在0～11dB范围内连续调节。使用前需要利用精密测量仪器（如矢量网络分析仪）对每个衰减量进行标定，使用时只需要调用标定值即可，因其衰减量控制的重复能力小于0.01dB，因此衰减量程的切换对测量精度的影响小于0.01dB。

控制器10的电路原理图如图5所示，输入TTL信号，输出8路电压脉冲信号，脉冲幅度24V，脉冲宽度200ms，控制程控衰减器4的衰减量按照1dB的步进，在0～11dB范围内实现连续调节。

检波器6输入信号频率范围：DC～18GHz，波形输出幅度小于150mV，响应时间小于2ns。

数字转换器7选用的带宽：500MHz，最高采样率：2GS/s，能够完成对检波器6输出波形的不失真采样。

为了实现该系统在强电磁场中可靠和安全地工作，电磁防护体14对测量系统电磁防护的薄弱环节进行了防护，该壳体在X波段的电磁防护能力优于90dB，满足场强不大于10kV/m的辐射场中的测量要求。

如图3所示，电磁防护体14主要由三个部分组成：波导同轴转换器3（端接结构）、壳体15、壳盖16。壳体15主体为长方体空壳，底部外侧中心位置有一凸台，凸台顶面尺寸等于波导同轴转换器3法兰端面的尺寸，凸台上开一矩形贯通孔，贯通壳体15的底部，矩形贯通孔的尺寸略大于波导同轴转换器3波导腔外壁的尺寸，将波导同轴转换器3的同轴接口一端从壳体15的外侧插沿凸台的开口插入壳体15，直到波导同轴转换器3的法兰的底面同壳体15的凸台顶面搭接，为了实现高效的电磁屏蔽，将波导同轴转换器3的法兰和壳体15的凸台沿搭接的缝隙进行360°焊接，焊接采用气体保护焊或真空焊接，避免了氧化焊缝影响屏蔽效果。波导同轴转换器3法兰面的端面开四个非贯通的螺钉孔（避免了传统贯通孔形成的进入电磁防护体的耦合通道），用以和波导衰减器2的法兰的连接和紧固。如图4所示，壳盖16上焊接三层铍铜弹簧片17，既不影响壳盖16的自由打开与闭合，又能够实现壳盖16和壳体15良好的电接触，保证了屏蔽的效果。壳体15开口处的边沿要高出壳盖16约1.5cm，数值仿真的结果表明，该结构能够减少壳体15和壳盖16缝隙间的电磁泄漏。实测的结果表明：在X波段，发射源正面辐照的情况下，该结构的电磁屏蔽效能大于90dB。

在不影响系统屏蔽效能的前提下，在壳盖开小孔阵列，形成截止波导通风窗19，配合散热风扇18的使用以提高系统的散热能力。

电磁防护体14内部所有电子设备的供电都由聚合物锂电池13和电压转换模块12提供。

壳体15内部器件的总功耗约为50W，使用标称电压11.1V，电量13Ah的聚合物锂电池供电，测量系统不间断工作时长可达3.5小时以上。

使用前需根据待测场的频率，对该测量系统中数字转换器6前端的所有器件进行标定，根据标定数据即可推算出测点处辐射场的功率密度。

波导同轴转换器3可以是带法兰的穿墙的同轴转接器，N型或SMA型，法兰面和壳体15的接缝360°焊接，焊接过程避免产生金属氧化物。

天线1可以选择不同增益的角锥喇叭天线或开口波导。

根据功率容量的要求，可以用定向耦合器代替波导衰减器2，或定向耦合器和波导衰减器联合使用。

Claims (7)

1.一种X波段高功率微波一体化辐射场测量系统，包括天线、波导衰减器、波导同轴转换器、程控衰减器、同轴衰减器、检波器、数字转换器、单板电脑、光纤收发器和监控计算机，其特征在于：高功率微波辐射场信号由天线接收后，经过波导衰减器进行功率衰减，经过波导同轴转换器传输至程控衰减器，再依次经过程控衰减器和同轴衰减器进行功率衰减，由检波器检出高功率微波辐射场信号的包络波形，该包络波形由数字转换器采集后发送给单板电脑，计算出天线所处位置的高功率微波辐射场功率密度值，监控计算机通过光纤收发器对数字转换器的采集波形、温度传感器采集的环境实时温度进行监视；对数字转换器的参数和程控衰减器的衰减量进行控制；所述天线所处位置的高功率微波辐射场功率密度值

W——天线所处位置的高功率微波辐射场功率密度值；

G——天线增益；

A_w——波导衰减器的衰减量；

IL_w-c——波导同轴转换器的插入损耗；

A_p——程控衰减器的衰减量；

A_c——同轴衰减器的衰减量；

P_d——检波波形幅度对应的输入功率值；

S——天线有效接收面积。

2.根据权利要求1所述的X波段高功率微波一体化辐射场测量系统，其特征在于：进入所述波导同轴转换器的信号的平均功率不大于30dBm或峰值功率不大于50dBm。

3.根据权利要求1所述的X波段高功率微波一体化辐射场测量系统，其特征在于：所述程控衰减器的衰减量按照1dB的步进，在0～11dB范围内连续调节。

4.根据权利要求1所述的X波段高功率微波一体化辐射场测量系统，其特征在于：所述检波器输入信号频率范围：DC～18GHz，波形输出幅度小于150mV，响应时间小于2ns。

5.根据权利要求1所述的X波段高功率微波一体化辐射场测量系统，其特征在于：所述数字转换器选用的带宽：500MHz，最高采样率：2GS/s，能够完成对检波器输出波形的不失真采样。

6.根据权利要求1所述的X波段高功率微波一体化辐射场测量系统，其特征在于：所述的波导同轴转换器、程控衰减器、同轴衰减器、检波器、数字转换器、单板电脑、光纤收发器和温度传感器安装在电磁防护体内，电磁防护体包括壳体和壳盖，壳体为上端开口的长方体空腔，底部外侧有一凸台，凸台顶面尺寸等于波导同轴转换器的法兰端面尺寸，凸台上开一矩形贯通孔，波导同轴转换器的同轴接口一端从壳体外侧沿矩形贯通孔插入壳体，直到波导同轴转换器的法兰端面同凸台顶面搭接，法兰和凸台沿搭接缝隙进行360°焊接，焊接采用气体保护焊或真空焊接，波导同轴转换器的法兰端面开四个非贯通的螺钉孔，用以和波导衰减器的法兰连接和紧固；壳盖与壳体上端开口吻合，外沿焊有三层铍铜弹簧片，实现壳盖和壳体的良好电接触，壳体上端开口处的边沿高出壳盖1.5cm。

7.根据权利要求1所述的X波段高功率微波一体化辐射场测量系统，其特征在于：用定向耦合器代替波导衰减器，或定向耦合器串接波导衰减器一起使用来完成对高功率微波辐射场信号的衰减。