CN104849629B - 微放电效应检测双路微波信号自动调零装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种微放电效应检测双路微波信号自动调零装置，正向/反向耦合信号输入后，由电桥将信号分为两部分，一部分到功率监测模块进行参数监测，另一部分到调幅调相通道进行调零；信号进入调幅调相通道后，先根据功率检测数据，通过数控衰减器将两路信号幅度调成一致；两路信号幅度一致后，首先，信号通过数控移相器后进入同相合路器进行信号合成，在调零信号幅度监测模块的辅助下进行信号相位调节。本发明的自动调零装置，可靠性及使用寿命成倍提高并延长；另外无需额外的功率计，简化了系统构成，也一定程度上提高了系统的可靠性；而且，自动调零功能的实现避免了人为操作失误，保障了微放电效应检测的有效性。

Description

微放电效应检测双路微波信号自动调零装置与方法

技术领域

本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种微放电效应检测双路微波信号自动调零装置，还涉及一种微放电效应检测双路微波信号自动调零方法。

背景技术

微放电效应又称二次电子倍增效应，是指在真空条件下，自由电子在外加射频场的加速下，在两个金属表面间或单个介质表面上激发的二次电子发射与倍增效应，是一种真空谐振放电现象，是影响空间电子设备可靠性的一个十分重要的因素。

微放电效应主要发生在航天器以及航空临近空间的微波系统内。当前航天器大功率微波设备的峰值功率量级已经达到了kW级以上，伴随着功率量级的不断提高，首当其冲要解决的一个重要问题就是大功率微波器部件在真空环境下固有的微放电效应。若大功率微波器部件的微放电阈值未满足要求，其在自身结构尺寸、微波频率、电磁场强度、材料表面二次电子发射系数等参数满足一定条件时，产生的微放电现象会造成微波系统增益下降、传输性能变坏、信号噪声增大，使微波系统不能正常工作。某种情况下，微放电现象会造成微波器部件的介质材料、粘接剂等出气，形成局部低真空条件，这时微波电场可能使低真空环境的气体分子电离，产生功率击穿、电弧放电等低气压放电现象，产生的高温强电离效应会烧坏微波系统，工作寿命提前结束，使航天器出现彻底失效的灾难性故障。因此航天大功率微波器部件载荷在研制、生产到使用每个环节都要做真空微放电的试验测试，以验证微放电阈值是否满足实际工作要求，保证系统在轨运行的正常性。

微放电效应的检测需要根据被测件自身的特性选择合适的测试方案，其中前向/后向功率检测及前向/后向功率调零检测是通过监测被测件输入端口反射信号幅度和相位的变化情况实现微放电效应检测的。

前向/后向功率检测及前向/后向功率调零检测技术原理如图1所示，传输信号及反射信号经大功率双向定耦按比例耦合出一部分用于信号监测，正反向耦合信号在调零单元中分为两路：一路输出至功率计，分别监测正向平均功率、正向峰值功率、反向平均功率；另一路进入调零通道进行调零，用频谱仪监测调零信号频谱。

现有调零单元原理如图2所示，正向耦合信号在调零单元中通过3dB电桥分为两路：一路经功分器再分为两路，然后输出至外部均值功率计和峰值功率计；另一路进入调零通道。反向耦合信号经3dB电桥分为两路：一路输出至外部均值功率计；另一路进入调零通道。将进入调零通道的两路信号通过手动调节衰减器、移相器调成等幅反相，合路输出后形成调零信号，用频谱仪监测调零频谱是否有异常跳动。

现有调零技术的主要缺点为：

(1)效率低：现有技术仍依赖于手动调节衰减器、移相器，实现单路微波信号的调幅、调相，在微放电效应检测过程中，大功率激励源输出功率是步进增长，直至达到被测件的额定工作功率，功率每调节一次，就需重新调节调零状态，一次试验需要多次调节调零单元，全手动调节极大延长了试验时间，降低了测试效率；

(2)测试灵敏度低：将两路微波信号调成等幅反相，在实际测试中根本无法实现，为了提高微放电效应检测的灵敏度，只能寄希望于将调零电平尽可能的调至最小，但现有调零通道调幅、调相分辨率都比较差，很难实现信号幅度及相位的精密控制，再加上全手动操作，受人为因素影响比较大，一般很难将调零信号幅度调至预期值，降低了微放电效应的检测灵敏度；

(3)可靠性低：现阶段调零单元中都采用手动旋调机械式可调衰减器及移相器，其内部衰减量和电长度调节装置都存在一定的寿命问题，另外使用微波部件数量较多，因此整体上可靠性相对比较差；

(4)成本高：现有调零方式需要依赖于外部功率计实现，增加了微放电效应检测系统构建成本。

发明内容

本发明提出一种微放电效应检测双路微波信号自动调零装置及方法，目的是为解决航天器大功率微波器部件载荷在高温真空环境中的微放电效应检测问题。依据微放电效应检测技术要求，结合被测件自身技术特性，本发明采用数控衰减器、移相器、同相合路器，以高效、高精密、高可靠及低成本的方式实现双路微波信号的全自动调零。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种微放电效应检测双路微波信号自动调零装置，正向/反向耦合信号输入后，由电桥将信号分为两部分，一部分到功率监测模块进行参数监测，另一部分到调幅调相通道进行调零；

信号进入调幅调相通道后，先根据功率检测数据，通过数控衰减器将两路信号幅度调成一致；

两路信号幅度一致后，首先，信号通过数控移相器后进入同相合路器进行信号合成，在调零信号幅度监测模块的辅助下进行信号相位调节。

可选地，两路信号幅度调节一致后，采用二分法进行调零，先确定一个方向进行大范围移相，若调零信号幅度增大，则反方向进行移相，然后逐步缩小移相量，直至将调零信号幅度调至-70dBm以下。

可选地，所述数控衰减器包括PIN二极管、3dB正交电桥、隔直电容及控制驱动电路，采用平衡式PIN二极管衰减器来实现信号幅度的调节。

可选地，所述数控移相器采用I、Q矢量调制的方式实现信号相位调节，射频输入信号先经过正交混合耦合器，分为I、Q两路正交信号，对两路信号分别进行相位调制，后经过同相合路器输出。

可选地，所述输入射频信号表示为：

S_Input＝U_ASin(ωt)；

正交信号Q：

‘I’、‘Q’支路混频器本振信号为：

同相支路本振：L_i＝I′；

正交支路本振：L_q＝Q′；

则混频后‘I’、‘Q’支路信号分别表示为：

正交支路混频信号：

经同相合路输出后，输出信号用下面表达式描述：

将下面两等式带入输出信号表达式：

得移相信号表达式：

基于上述自动调零装置，本发明还提供了一种微放电效应检测双路微波信号自动调零方法，正向/反向耦合信号输入后，由电桥将信号分为两部分，一部分到功率监测模块进行参数监测，另一部分到调幅调相通道进行调零；

信号进入调幅调相通道后，先根据功率检测数据，通过数控衰减器将两路信号幅度调成一致；

两路信号幅度一致后，首先，信号通过数控移相器，然后进入同相合路器进行信号合成，在调零信号幅度监测模块的辅助下进行信号相位调节。

可选地，两路信号幅度调节一致后，采用二分法进行调零，先确定一个方向进行大范围移相，若调零信号幅度增大，则反方向进行移相，然后逐步缩小移相量，直至将调零信号幅度调至-70dBm以下。

可选地，所述数控衰减器包括PIN二极管、3dB正交电桥、隔直电容及控制驱动电路，采用平衡式PIN二极管衰减器来实现信号幅度的调节。

可选地，所述数控移相器采用I、Q矢量调制的方式实现信号相位调节，射频输入信号先经过正交混合耦合器，分为I、Q两路正交信号，对两路信号分别进行相位调制，后经过同相合路器输出。

可选地，所述输入射频信号表示为：

S_Input＝U_ASin(ωt)；

正交信号Q：

‘I’、‘Q’支路混频器本振信号为：

同相支路本振：L_i＝I′；

正交支路本振：L_q＝Q′；

则混频后‘I’、‘Q’支路信号分别表示为：

正交支路混频信号：

经同相合路输出后，输出信号用下面表达式描述：

将下面两等式带入输出信号表达式：

得移相信号表达式：

本发明的有益效果是：

(1)提高了微放电效应检测效率，大大缩短了试验测试时间，缩短了微放电效应试验测试系统全设备开机时间，节省了人力、物力和财力，同样在同等时间内可完成更多的试验测试任务；

(2)提高了微放电效应检测灵敏度，采用全自动高精密调幅、调相模块，可将调零信号幅度调节至-70dBm以下，可有效实现弱放电时的检测能力，不至于等到发生强放电时烧毁被测件时才发现微放电现象；

(3)降低了微放电效应检测系统的构建成本，本发明内部集成了功率检测模块，可实现正反向连续波功率及脉冲功率参数的监测，不需要再另行添加外部功率计；

(4)提高了微放电效应检测系统的可靠性，自动调零装置中摒弃了机械旋调衰减器及移相器，采用了PIN管衰减器和I/Q矢量调制移相器的全电控功能模块，可靠性及使用寿命成倍提高并延长，另外无需额外的功率计，简化了系统构成，也一定程度上提高了系统的可靠性；

(5)自动调零功能的实现避免了人为操作失误，保障了微放电效应检测的有效性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的微放电效应检测系统控制框图；

图2为现有的调零单元原理框图；

图3为本发明的微放电效应检测系统控制框图；

图4为本发明的自动调零装置控制框图；

图5为本发明的数控衰减器的电路图；

图6为本发明的数控移相器的原理图；

图7为本发明的数控移相器的相位矢量图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图3所示，采用本发明双路微波信号自动调零装置后的微放电效应检测系统，正反向功率参数的监测在自动调零装置中实现，自动调零装置内部集成了功率检测模块，可实现正反向连续波功率及脉冲功率参数的监测，不需要再另行添加外部功率计，提高了微放电效应检测效率，大大缩短了试验测试时间，缩短了微放电效应试验测试系统全设备开机时间，节省了人力、物力和财力，同样在同等时间内可完成更多的试验测试任务。

下面结合附图，对本发明的双路微波信号自动调零装置进行详细说明。

图4示出了本发明自动调零装置的一个实施例，正向/反向耦合信号输入到自动调零装置后，由3dB电桥将信号分为两部分，一部分到功率监测模块，进行连续波功率、脉冲峰值功率/平均功率/脉冲功率/顶部功率/底部功率/过冲/脉冲时间等参数监测；另一部分进入调幅、调相通道，进行调零。信号进入调幅、调相通道后，先根据功率检测数据，通过数控衰减器将两路信号幅度调成一致，数控衰减器衰减量的变化会引起相位大幅变化，因此，后部要进行相位调节，此处不刻意追求衰减器的稳相指标。

两路信号幅度一致后，在调零信号幅度监测模块的辅助下进行信号相位调节。首先，信号通过数控移相器后进入同相合路器进行信号合成，若两路信号相位一致，则调零信号幅度监测模块检测到的幅度值为每路信号幅度的2倍；若相位相差180°，则两路信号相互抵消，调零信号幅度监测模块检测到的幅度值就非常小。理想情况下的等幅反相在实际工程中是无法实现的，而且，移相量的变化会引起信号幅度的变化，唯有通过精密调节衰减器衰减量、移相器移相量及误差修正，尽可能的将调零信号幅度调节至最小。

本发明在软件上采用二分法进行相位调节，两路信号幅度调节一致后，先确定一个方向进行大范围移相，若调零信号幅度增大，则反方向进行移相，然后逐步缩小移相量，直至将调零信号幅度调至-70dBm以下即可。因此，本发明提高了微放电效应检测灵敏度，采用全自动高精密调幅、调相模块，可将调零信号幅度调节至-70dBm以下，可有效实现弱放电时的检测能力，不至于等到发生强放电时烧毁被测件时才发现微放电现象。

如图5所示，本发明的数控衰减器包括PIN二极管、3dB正交电桥、隔直电容及控制驱动电路，采用平衡式PIN二极管衰减器来实现信号幅度的调节，最大衰减量可达60dB、分辨率可达0.03dB、切换速率最大500ns。

如图6所示，本发明的数控移相器采用I、Q矢量调制的方式实现信号相位调节，射频输入信号先经过3dB正交混合耦合器，分为I、Q两路正交信号，对两路信号分别进行相位调制，后经过同相合路器输出。

数控移相器的数量可以是2个，在两路信号通道上分别设置；或者是1个，在其中一路信号通道上设置。图4中所示实施例，数控移相器的数量是1个，在正向耦合信号通道上设置，本领域技术人员可以根据设计的需要，在反向耦合信号通道上设置，或者在两路信号通道上分别设置。

下面给出图6所示数控移相器的模型分析：

假设输入射频信号可表示为：

S_Input＝U_ASin(ωt)；

那么图6中‘I’、‘Q’信号就分别为：

正交信号Q：

假设‘I’、‘Q’支路混频器本振信号为：

同相支路本振：L_i＝I′；

正交支路本振：L_q＝Q′；

则混频后‘I’、‘Q’支路信号可分别表示为：

正交支路混频信号：

经同相合路输出后，信号可用下面表达式描述：

如图7所示，运用IQ矢量调制的方式实现相位调节，若能保证下面两等式成立即可：

经分析可知，若能使I’按照cosθ的规律变化，Q’按照sinθ的规律变化，即可实现幅度不变的IQ矢量相位调制，将上述两等式带入输出信号表达式，可得下列移相信号表达式：

图6中移相量数控信号进入驱动控制电路后，先进入FPGA进行正交处理，输出两组数字编码，分别进行D/A转换，最终产生两路正交的模拟控制信号，分别对‘I’、‘Q’两路信号进行相位调制。

本发明的自动调零装置中摒弃了机械旋调衰减器及移相器，采用了PIN管衰减器和I/Q矢量调制移相器的全电控功能模块，可靠性及使用寿命成倍提高并延长；另外无需额外的功率计，简化了系统构成，也一定程度上提高了系统的可靠性；而且，自动调零功能的实现避免了人为操作失误，保障了微放电效应检测的有效性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种微放电效应检测双路微波信号自动调零装置，其特征在于，正向/反向耦合信号输入后，由电桥将信号分为两部分，一部分到功率监测模块进行参数监测，另一部分到调幅调相通道进行调零；

信号进入调幅调相通道后，先根据功率检测数据，通过数控衰减器将两路信号幅度调成一致；

两路信号幅度一致后，信号通过数控移相器后进入同相合路器进行信号合成，在调零信号幅度监测模块的辅助下进行信号相位调节；

所述数控移相器采用I、Q矢量调制的方式实现信号相位调节，射频输入信号先经过正交混合耦合器，分为I、Q两路正交信号，对两路信号分别进行相位调制，后经过同相合路器输出；

所述射频输入信号表示为：

S_Input＝U_ASin(ωt)；

同相信号I：

正交信号Q：

‘I’、‘Q’支路混频器本振信号为：

同相支路本振：L_i＝I′；

正交支路本振：L_q＝Q′；

则混频后‘I’、‘Q’支路信号分别表示为：

同相支路混频信号：

正交支路混频信号：

经同相合路输出后，输出信号用下面表达式描述：

将下面两等式带入输出信号表达式：

得到移相信号表达式：

2.如权利要求1所述的微放电效应检测双路微波信号自动调零装置，其特征在于，两路信号幅度调节一致后，采用二分法进行相位调节，先确定一个方向进行大范围移相，若调零信号幅度增大，则反方向进行移相，然后逐步缩小移相量，直至将调零信号幅度调至-70dBm以下。

3.如权利要求1所述的微放电效应检测双路微波信号自动调零装置，其特征在于，所述数控衰减器包括PIN二极管、3dB正交电桥、隔直电容及控制驱动电路，采用平衡式PIN二极管衰减器来实现信号幅度的调节。

4.一种微放电效应检测双路微波信号自动调零方法，其特征在于，正向/反向耦合信号输入后，由电桥将信号分为两部分，一部分到功率监测模块进行参数监测，另一部分到调幅调相通道进行调零；

信号进入调幅调相通道后，先根据功率检测数据，通过数控衰减器将两路信号幅度调成一致；

两路信号幅度一致后，信号首先通过数控移相器，然后进入同相合路器进行信号合成，在调零信号幅度监测模块的辅助下进行信号相位调节；

所述数控移相器采用I、Q矢量调制的方式实现信号相位调节，射频输入信号先经过正交混合耦合器，分为I、Q两路正交信号，对两路信号分别进行相位调制，后经过同相合路器输出；

所述射频输入信号表示为：

S_Input＝U_ASin(ωt)；

同相信号I：

正交信号Q：

‘I’、‘Q’支路混频器本振信号为：

同相支路本振：L_i＝I′；

正交支路本振：L_q＝Q′；

则混频后‘I’、‘Q’支路信号分别表示为：

同相支路混频信号：

正交支路混频信号：

经同相合路输出后，输出信号用下面表达式描述：

将下面两等式带入输出信号表达式：

得到移相信号表达式：

5.如权利要求4所述的微放电效应检测双路微波信号自动调零方法，其特征在于，两路信号幅度调节一致后，采用二分法进行相位调节，先确定一个方向进行大范围移相，若调零信号幅度增大，则反方向进行移相，然后逐步缩小移相量，直至将调零信号幅度调至-70dBm以下。

6.如权利要求4所述的微放电效应检测双路微波信号自动调零方法，其特征在于，所述数控衰减器包括PIN二极管、3dB正交电桥、隔直电容及控制驱动电路，采用平衡式PIN二极管衰减器来实现信号幅度的调节。