CN104459348B - 基于软件无线电的高功率微波辐射场测量装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于软件无线电的高功率微波辐射场测量装置及其方法，该装置包括：接收天线、衰减器、变频器、A/D转换器和数据终端，数据终端包括接收模块、软件检波模块、数据处理模块和输出模块；其中，接收天线、衰减环节、变频器、A/D转换器和数据终端依次串联连接；数据终端中的接收模块与A/D转换器电连接，接收模块、软件检波模块、数据处理模块和输出模块依次串联连接。发明设计的L波段软件检波器，灵敏度动态范围约30dB，检波电压10mV～700mV，响应时间小于1ns，重复性和稳定性高，不受温度和环境电磁干扰影响。
Description
技术领域
本发明涉及高功率微波测量技术领域，具体涉及一种基于软件无线电的高功率微波辐射场测量装置及其方法。
背景技术
高功率微波是指频率范围从300MHz到300GHz、峰值功率大于100MW或平均功率大于1MW的强电磁辐射。高功率微波在雷达、通信、核聚变加热、材料处理及定向能等领域都有重要的应用。
辐射场测量是获取高功率微波系统技术指标的主要手段，但由于高功率微波辐射场具有峰值功率高、脉冲时间短、测量环境复杂等特点，准确测量辐射场功率一直是一个技术难题。目前的高功率微波辐射场测量的基本思路是将天线接收的大功率微波衰减至低功率进行检波，根据示波器记录的波形和检波器灵敏度曲线确定检波器输入功率，再结合测量系统衰减环节的衰减量计算得到测量系统接收的微波功率。
检波器是高功率微波辐射场测量系统的核心器件，其主体是微波二极管，目前使用较多的是面接触型肖特基势垒二极管。常用的宽带检波器存在着响应时间较大，失配反射引起波形畸变等问题。并且作为一种半导体器件，检波器性能易受环境温度的影响。改善检波器特性的通常做法包括选择性能更好的检波二极管和改进电路设计等，随着测量要求的提高、器件性能瓶颈和设计加工条件限制，检波器硬件性能改进的难度越来越大。
辐射场测量系统各器件之间通过微波电缆、转接头等硬件连接，传输的是模拟信号，在高功率微波环境下，容易受到干扰，对各环节的电磁防护要求较高。电磁防护的常用手段包括屏蔽、滤波、接地及铺设吸波材料等，这些措施往往会带来系统复杂、可靠性降低等问题。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于软件无线电的高功率微波辐射场测量装置及其方法，目的在于解决在复杂测量环境下因检波器性能改变影响高功率微波辐射场测量结果的问题，方便地实现待测脉冲微波功率、脉冲宽度等参数的测量。
为达到上述目的，本发明采用以下技术手段：
一种基于软件无线电的高功率微波辐射场测量装置，包括：
接收天线，用于接收待测脉冲微波信号；
衰减器，用于将待测微波信号的功率降低；
变频器，用于对待测微波信号的载频进行频率变换；
A/D转换器，用于将待测微波信号的模拟信号转换为数字信号；
数据终端，用于对数字信号进行软件检波和数据计算，包括：
接收模块，用于接收A/D转换器转换后的数字信号并进行调理；
软件检波模块，用于接收数字信号数据并进行软件检波；
数据处理模块，用于将检波信号经过波形调理和参数计算；
输出模块，将数据处理模块得到的波形和参数以图表的形式进行显示；
其中，接收天线、衰减器、变频器、A/D转换器和数据终端依次串联连接；数据终端中的接收模块与A/D转换器连接，接收模块、软件检波模块、数据处理模块和输出模块依次串联连接。
所述的软件检波模块包括：
滤波模块，用于将调理后的数字信号中频带外的干扰信号进行抑制；
整流器模块，用于模拟检波二极管的单向导通作用处理接收到的数字信号；
二次滤波模块，用于对整流器模块处理后的数字信号中的干扰信号进行二次抑制；
其中，滤波模块与接收模块连接，滤波模块、整流器模块和二次滤波模块依次串联连接，二次滤波模块与数据处理模块连接。
所述的软件检波模块还包括：
信号检测与分析模块，用于对接收模块、滤波模块、整流器模块和二次滤波模块的输出信号进行对比分析，通过调整各模块的参数来优化软件检波器的整体指标性能；
其中，接收模块、滤波模块、整流器模块和二次滤波模块的输出端均和信号检测与分析模块连接。
所述的数据处理模块包括：
波形调理模块，用于对检波信号进行降噪、平滑或缩放处理，将软件检波后的信号转换为时域包络波形；
参数计算模块，用于将检波电压幅值换算为辐射场功率参数、功率密度参数；
其中，波形调理模块与参数计算模块并联设置。
所述的变频器为混频器、分频器或倍频器。
采用基于软件无线电的高功率微波辐射场测量装置的测量方法，包括以下步骤：
1)待测脉冲微波信号由天线接收后，通过衰减器将该待测脉冲微波信号功率降低到变频器或A/D转换器的处理功率范围内；
2)当A/D转换器的模拟带宽是脉冲微波载频的3倍～5倍以上时，直接进行步骤3)；
当不满足A/D转换器的模拟带宽是脉冲微波载频的3倍～5倍以上时，利用变频器对降低功率后的待测脉冲微波信号的载频进行频率变换后进行步骤3)；
3)利用A/D转换器将采集的待测脉冲微波信号或通过变频器进行频率变换后的待测脉冲微波信号的模拟信号转换为数字信号；
4)利用数据终端接收数字信号数据并进行软件检波，再进行数据处理，将软件检波后的信号转换为时域包络波形，并得到辐射场功率参数和功率密度参数，将时域包络波形、辐射场功率参数和功率密度以图表的形式进行显示。
所述的软件检波步骤包括以下步骤：
接收模块将A/D转换器转换后的数字信号进行调理，经滤波模块对频带外的干扰信号进行抑制，再通过整流器模块拟检波二极管的单向导通作用传输数字信号，再经过滤波模块对干扰信号进行二次抑制，软件检波后的信号再进行数据处理。
所述的数据处理步骤包括以下步骤：
波形调理模块将软件检波后的信号通过降噪、平滑或缩放处理后转换为时域包络波形；同时参数计算模块将软件检波得到的电压信号与灵敏度函数的关系计算得到输入功率，再通过衰减器衰减数值及天线有效面积参数进行综合运算，得到辐射场功率和功率密度。
所述的软件检波步骤还包括以下步骤：
利用信号检测与分析模块对接收模块、滤波模块、整流器模块和二次滤波模块输出信号进行对比分析，对各模块输入和输出波形幅值、边沿时间和波形畸变进行对比，通过调整各模块的参数来优化软件检波器的整体指标性能。
所述的变频器、A/D转换器和数据终端在用于辐射场测量之前，需要进行灵敏度和响应时间参数的测试，该测试利用信号源模拟待测脉冲微波信号，及功率计对进入变频器前端的功率进行监测，通过对变频器输入功率和数据终端输出的检波电压数据拟合得到灵敏度函数关系。
相对与现有技术，本发明有以下优点：
本发明一种基于软件无线电的高功率微波辐射场测量装置，利用A/D转换器将待测脉冲微波信号转换为数字信号，通过软件实现滤波、检波、数据处理等功能，无需硬件的滤波器和检波器即可获得待测脉冲微波功率值和波形参数。该测量装置可以有效改善因硬件检波器性能改变对功率测量结果的影响，适用于信号动态范围大、边沿时间快、环境温度变化较大、重复稳定性要求高的外场高功率微波精确测量。
(1)动态范围大。目前常用的商用检波器灵敏度动态范围在20dB以内，软件检波器接收功率范围-20dBm～10dBm，动态范围约30dB。一般硬件检波器灵敏度动态范围取决于检波二极管的输入功率、击穿功率、输出效率、电路结构等参数，而软件检波器灵敏度动态范围仅取决于其前端硬件的性能，与其自身参数性能无关，可以实现宽动态范围。
(2)边沿时间快。硬件检波器响应时间，约3ns，软件检波信号波形，基本贴合原始信号包络，响应时间<1ns。一般硬件检波器的响应时间取决于检波二极管及电路设计性能，目前商用检波器实测最快响应时间约2ns。
(3)性能稳定。作为一种半导体器件，硬件检波器性能易受环境温度的影响，并且稳定性随着使用时间增加而逐渐变化。软件检波器中的滤波器、整流器及连接端口等的性能参数只与设计算法有关，不涉及硬件性能，不受温度变化影响，重复稳定性高。
附图说明
图1为常用的高功率微波辐射场测量装置组成框图；
图2为基于软件无线电的高功率微波辐射场测量装置组成框图；
图3为数据终端的内部模块连接图；
图4为软件检波器在中低功率的测试框图；
图5为基于软件无线电的辐射场测量装置典型波形，图5a为待测脉冲微波检波波形图，图5b为软件检波波形图；
图6a为硬件检波器的灵敏度函数曲线，图6b为软件检波器灵敏度函数曲线；
图7a为硬件检波器的响应时间图形；图7b为软件检波器的响应时间图形；
图8为硬件检波器的温度特性。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步详细说明。
参见图1为现有技术中常用的高功率微波辐射场测量装置，该装置主要由接收天线、衰减环节、检波器、示波器等组成。
参见图2为本发明基于软件无线电的高功率微波辐射场测量装置，该装置主要由接收天线、衰减环节、变频器、数据终端等组成。图3为数据终端(计算机、DSP等)的内部模块，包括软件检波器和数据处理器，软件检波器主要由数据接收模块、输入滤波模块、整流模块、输出滤波模块、信号检测及分析模块、数据输出模块等组成；数据处理器包括波形调理模块和参数计算模块。接收天线，用于接收待测脉冲微波信号；衰减器，用于将待测微波信号的功率降低到变频器或A/D转换器的处理功率范围内；变频器，用于对待测微波信号的载频进行频率变换；A/D转换器，于将待测微波信号的模拟信号转换为数字信号；数据终端，用于对数字信号进行软件检波和数据计算，包括：接收模块，用于接收A/D转换器转换后的数字信号并进行调理；软件检波模块用于接收数字信号数据并进行软件检波；数据处理模块用于将检波信号经过波形调理和参数计算后，将波形和参数以图表的形式进行显示；输出模块，输出波形调理模块处理后的检波信号图和参数计算模块计算得到的辐射场功率参数和功率密度参数；接收天线、衰减环节、变频器、A/D转换器和数据终端依次串联连接；数据终端中的接收模块与A/D转换器电连接，接收模块、软件检波模块、数据处理模块和输出模块依次串联连接。
软件检波模块包括：滤波模块，用于将调理后的数字信号中频带外的干扰信号进行抑制；整流器模块，用于模拟检波二极管的单向导通作用处理接受到的数字信号；二次滤波模块，用于对整流器模块处理后的数字信号中的干扰信号进行二次抑制；滤波模块与接收模块连接，滤波模块、整流器模块和二次滤波模块依次串联连接，二次滤波模块与数据处理模块连接。
软件检波模块还包括：信号检测与分析模块，用于对接收模块、滤波模块、整流器模块和二次滤波模块的输出信号进行对比分析，通过调整各模块的参数来优化软件检波器的整体指标性能；接收模块、滤波模块、整流器模块和二次滤波模块的输出端均与信号检测与分析模块连接。
数据处理模块包括：波形调理模块，用于对检波信号进行降噪、平滑或缩放等处理，将软件检波后的信号转换为时域包络波形；参数计算模块，用于将检波电压幅值换算为辐射场功率参数、功率密度参数；软件检波模块的二次滤波模块输出分成两路分别与波形调理模块和参数计算模块连接，波形调理模块和参数计算模块的输出均与输出模块连接。
其中，整流器模块用于模拟检波二极管的作用是整流，即正向导通，反向截止，使输入信号只有正电压可以通过。检波二极管后端的电容和电阻，组成了RC滤波器，将泄漏的高频信号进行滤除，得到信号包络电压，同时RC电路也有调整输出幅值的作用。
利用MATLAB和Simulink设计的软件检波器结构。示波器采集到的波形数据输入到程序中，程序就先后通过高通滤波，滤除低频干扰信号，然后对信号进行整流，整流后的信后在馈入低通滤波器滤除高频噪声后输出，得到检波电压。高通滤波器采用Butterworth型，截止频率0.5GHz，阻带损耗30dB，通带内插损起伏0.01dB。整流就是使正向导通、反向截止，在软件检波器中使用绝对值功能来代替。整流后的信号进入低通滤波器，低通滤波器也采用Butterworth型，截止频率1GHz，通带内插损起伏0.01dB，阻带1.3GHz～25GHz，阻带损耗30dB。
本发明的基本原理：在衰减环节后设置一个变频器，该变频器(混频、分频、倍频等)将输入信号频率变换到A/D转换器可准确采集的频率范围内，A/D转换器将模拟信号变换为数字信号，利用数据处理终端(计算机、DSP等)对数字信号进行软件检波。软件无线电的基本思想是将宽带的A/D转换器尽可能地靠近射频天线，在最大程度上通过软件来实现通信系统的各种功能。本发明将待测脉冲微波信号利用宽带的A/D转换器转化为数字信号，利用设计的软件来实现信号的滤波、检波、数据处理等功能，这样可以在避免检波器硬件性能差异的同时可以方便地实现待测脉冲微波功率、脉冲宽度等参数的测量。同时由于系统中传输的是数字信号，既提高了抗干扰能力，又降低了系统电磁防护设计的难度。在待测脉冲微波信号后采用宽带的A/D转换器(或宽带高速示波器)实现模数转换，为了降低A/D转换器的性能要求，可以在A/D转换器前接入变频器。
本发明基于软件无线电的高功率微波辐射场测量方法基本工作步骤如下：
1)高功率微波信号由天线接收以后，衰减环节将信号功率水平降低到中低功率，即降低到变频器或A/D转换器的处理功率范围内。
2)变频器对高功率微波的载频进行频率变换，便于开展A/D变换。
3)A/D转换器将模拟信号转换为数字信号。
4)利用数据终端接收数字信号数据并进行软件检波，再进行数据处理，将软件检波后的信号转换为时域包络波形，并得到辐射场功率参数和功率密度参数，将时域包络波形、辐射场功率参数和功率密度以图表的形式进行显示。
其中，软件检波步骤具体为：接收模块将A/D转换器转换后的数字信号进行调理，经滤波模块对频带外的干扰信号进行抑制，再通过整流器模拟检波二极管的单向导通作用传输数字信号，再经过滤波模块对干扰信号进行二次抑制，软件检波后的信号再进行数据处理。为了保证软件检波的正常运作，利用信号检测与分析模块对接收模块、滤波模块、整流器模块和二次滤波模块输出信号进行对比分析，对各模块输入和输出波形幅值、边沿时间、波形畸变进行对比，通过调整各模块的参数来优化软件检波器的整体指标性能。
其中，数据处理步骤具体为：波形调理模块将软件检波后的信号通过降噪、平滑或缩放处理后转换为时域包络波形；同时参数计算模块将软件检波得到的电压信号与灵敏度函数的关系计算得到输入功率，再通过衰减环节衰减数值及天线有效面积参数进行综合运算，得到辐射场功率和功率密度。
待测脉冲微波信号功率与电压幅值的灵敏度函数关系，按照公式(1)进行计算：
P0＝f(U)……………………(1)
式中：
P0——检波器输入功率，W；
U——检波电压幅值，V；
f()——检波器输入功率与输出电压函数关系。
天线接收到的功率和口面处的辐射场功率密度按照公式(2)、(3)进行计算：
P1＝P0/a……………………(2)
P2＝P1/Ae……………………(3)
式中：
P0——检波器输入功率，W；
P1——天线接收功率，W；
P2——功率密度，W/m2；
a——通路衰减因子，a<1；
Ae——天线有效接收面积，m2；
另外，(1)A/D转换器由单独的A/D电路或示波器实现，当A/D转换器的模拟带宽是脉冲微波载频的3倍～5倍以上时，可以直接对脉冲微波信号进行采集，而不用变频器。
(2)软件检波器与硬件检波器一样，在用于辐射场测量之前，也需要与前端的变频器、A/D转换器整体进行灵敏度、响应时间等参数的测试，测试在中低功率下开展，如图4所示。该测试利用信号源模拟待测脉冲微波信号，及功率计对进入变频器前端的功率进行监测，通过对变频器输入功率和数据终端输出的检波电压数据拟合得到灵敏度函数关系，即：P0＝f(U)。
对本发明基于软件无线电的高功率微波辐射场测量装置测试结果及分析：
参见图4，对本发明的装置按照测试方法进行测试，利用微波信号源E8257D产生1.57GHz，脉宽1us的信号，用TEK70604带宽6GHz的示波器进行数据采集，利用设计的软件检波器进行检波；
信号源设置：E8257D，1.57GHz，脉宽1us，周期2us，幅度-10dBm～15dBm，以0.2dB步进。示波器设置：DPO70604，6GHz，25GS/s，200ns/div，存储100000点。
示波器采集信号波形和软件检波器检波波形，图5a为待测脉冲微波检波波形图，图5b为软件检波波形图。
对比图6a和图6b，可以看出，目前常用的商用检波器灵敏度动态范围在20dB以内，软件检波器接收功率范围-20dBm～10dBm，达到30dB。软件检波器灵敏度测试结果，输入功率-20dBm～10dBm时，输出幅值10mV～700mV。一般硬件检波器灵敏度动态范围取决于检波二极管的输入功率、击穿功率、输出效率、电路结构等参数，而软件检波器灵敏度动态范围仅取决于其前端硬件的性能，与其自身参数性能无关，可以实现宽动态范围。
对比图7a和图7b，可以看出，图7a为硬件检波器响应时间，约3ns。图7b为软件检波信号波形，基本贴合原始信号包络，响应时间<1ns。一般硬件检波器的响应时间取决于检波二极管及电路设计性能，目前商用检波器实测最快响应时间约2ns。
参见图8所示，作为一种半导体器件，硬件检波器性能易受环境温度的影响，并且稳定性随着使用时间增加而逐渐变化。软件检波器中的滤波器、整流器及连接端口等的性能参数只与设计算法有关，不涉及硬件性能，不受温度变化影响，重复稳定性高。
因此，本发明装置可以有效改善因硬件检波器性能改变对功率测量结果的影响，适用于信号动态范围大、边沿时间快、环境温度变化较大、重复稳定性要求高的外场高功率微波精确测量。发明设计的L波段软件检波器，灵敏度动态范围约30dB，检波电压10mV～700mV，响应时间小于1ns，重复性和稳定性高，不受温度和环境电磁干扰影响。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照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，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都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。
Claims (10)
1.一种基于软件无线电的高功率微波辐射场测量装置，其特征在于：包括：
接收天线，用于接收待测脉冲微波信号；
衰减器，用于将待测脉冲微波信号的功率降低；
变频器，用于对待测脉冲微波信号的载频进行频率变换；
A/D转换器，用于将待测脉冲微波信号的模拟信号转换为数字信号；
数据终端，用于对数字信号进行软件检波和数据计算，包括：
接收模块，用于接收A/D转换器转换后的数字信号并进行调理；
软件检波模块，用于接收数字信号数据并进行软件检波；
数据处理模块，用于将检波信号经过波形调理和参数计算；
输出模块，将数据处理模块得到的波形和参数以图表的形式进行显示；
其中，接收天线、衰减器、变频器、A/D转换器和数据终端依次串联连接；数据终端中的接收模块与A/D转换器连接，接收模块、软件检波模块、数据处理模块和输出模块依次串联连接。
2.根据权利要求1所述的基于软件无线电的高功率微波辐射场测量装置，其特征在于：所述的软件检波模块包括：
滤波模块，用于将调理后的数字信号中频带外的干扰信号进行抑制；
整流器模块，用于模拟检波二极管的单向导通作用处理接收到的数字信号；
二次滤波模块，用于对整流器模块处理后的数字信号中的干扰信号进行二次抑制；
其中，滤波模块与接收模块连接，滤波模块、整流器模块和二次滤波模块依次串联连接，二次滤波模块与数据处理模块连接。
3.根据权利要求2所述的基于软件无线电的高功率微波辐射场测量装置，其特征在于：所述的软件检波模块还包括：
信号检测与分析模块，用于对接收模块、滤波模块、整流器模块和二次滤波模块的输出信号进行对比分析，通过调整各模块的参数来优化软件检波模块的整体指标性能；
其中，接收模块、滤波模块、整流器模块和二次滤波模块的输出端均和信号检测与分析模块连接。
4.根据权利要求1所述的基于软件无线电的高功率微波辐射场测量装置，其特征在于：所述的数据处理模块包括：
波形调理模块，用于对检波信号进行降噪、平滑或缩放处理，将软件检波后的信号转换为时域包络波形；
参数计算模块，用于将检波电压幅值换算为辐射场功率参数、功率密度参数；
其中，波形调理模块与参数计算模块并联设置。
5.根据权利要求1所述的基于软件无线电的高功率微波辐射场测量装置，其特征在于：所述的变频器为混频器、分频器或倍频器。
6.一种采用权利要求1所述的基于软件无线电的高功率微波辐射场测量装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)待测脉冲微波信号由天线接收后，通过衰减器将该待测脉冲微波信号功率降低到变频器或A/D转换器的处理功率范围内；
2)当A/D转换器的模拟带宽是脉冲微波载频的5倍以上时，直接进行步骤3)；
当不满足A/D转换器的模拟带宽是脉冲微波载频的5倍以上时，利用变频器对降低功率后的待测脉冲微波信号的载频进行频率变换后进行步骤3)；
3)利用A/D转换器将采集的待测脉冲微波信号或通过变频器进行频率变换后的待测脉冲微波信号的模拟信号转换为数字信号；
4)利用数据终端接收数字信号数据并进行软件检波，再进行数据处理，将软件检波后的信号转换为时域包络波形，并得到辐射场功率参数和功率密度参数，将时域包络波形、辐射场功率参数和功率密度以图表的形式进行显示。
7.根据权利要求6所述的采用基于软件无线电的高功率微波辐射场测量装置的测量方法，其特征在于：所述的软件检波步骤包括以下步骤：
接收模块将A/D转换器转换后的数字信号进行调理，经滤波模块对频带外的干扰信号进行抑制，再通过整流器模块拟检波二极管的单向导通作用传输数字信号，再经过滤波模块对干扰信号进行二次抑制，软件检波后的信号再进行数据处理。
8.根据权利要求6所述的采用基于软件无线电的高功率微波辐射场测量装置的测量方法，其特征在于：所述的数据处理步骤包括以下步骤：
波形调理模块将软件检波后的信号通过降噪、平滑或缩放处理后转换为时域包络波形；同时参数计算模块将软件检波得到的电压信号与灵敏度函数的关系计算得到输入功率，再通过衰减器衰减数值及天线有效面积参数进行综合运算，得到辐射场功率和功率密度。
9.根据权利要求6所述的采用基于软件无线电的高功率微波辐射场测量装置的测量方法，其特征在于：所述的软件检波步骤还包括以下步骤：
利用信号检测与分析模块对接收模块、滤波模块、整流器模块和二次滤波模块输出信号进行对比分析，对各模块输入和输出波形幅值、边沿时间和波形畸变进行对比，通过调整各模块的参数来优化软件检波模块的整体指标性能。
10.根据权利要求6所述的采用基于软件无线电的高功率微波辐射场测量装置的测量方法，其特征在于：所述的变频器、A/D转换器和数据终端在用于辐射场测量之前，需要进行灵敏度和响应时间参数的测试，该测试利用信号源模拟待测脉冲微波信号，及功率计对进入变频器前端的功率进行监测，通过对变频器输入功率和数据终端输出的检波电压数据拟合得到灵敏度函数关系。
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