CN105372483A - 一种射频电压电流检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种射频电压电流检测装置，主要针对于中频至高频范围内双导体传输系统中电压和电流检测。该方法采用在传输线双导体之间放置一金属片，金属片通过电容器与外导体相接，金属片与内导体形成等效电容，通过上述两电容的分压作用，在金属片上得到内外导体间电压的取样信号；在传输线同一位置放置一个空心线圈，其感应电压即对应该处传输线电流大小。采用一组已知频率和功率的射频信号，以及一组已知阻抗的负载，对取样信号的幅值和相位差进行标定，修正之后即可得到准确的电压、电流及相位差信息。该发明的特点是：安装调节方便、可对任意负载进行测量、输出方式灵活、有较好的实用价值和应用前景。

Description

一种射频电压电流检测装置

技术领域

本发明涉及射频离子源和加速器领域的射频电压、电流检测，更具体地，涉及一种中频至高频范围内双导体传输系统中电压、电流的检测装置。

背景技术

目前主要的射频电压、电流检测方法如下：

对射频传输线的电压和电流分别进行采样，然后进行后续计算处理。具体地说，在传输线双导体之间串接若干数量电容器，对传输线电压进行分压取样；采用带有磁芯的环形螺线管套在传输线的内导体上，对传输线电流进行取样。这种检测方法需要在双导体传输线的两个导体之间焊接电容，同时让内导体穿过环形螺线管，会对已经集成安装在射频系统中的射频传输线结构造成破坏，安装和调试不方便；实际电容受到寄生电阻的影响，导致电压取样的分压比随频率的变化而改变，由此带来的误差不容忽视，也很难消除，需对不同频率下的检测信号进行修正；线圈磁芯材料存在磁滞损耗和涡流损耗等非线性特性，其等效电阻随频率、功率的不同而变化，对电流大小和相位的测量精度带来影响。此外，该检测方案的频带宽度受磁芯工作频率的限制。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种射频电压电流检测装置，旨在解决现有射频电压检测装置安装、调试和检测精度受限的问题，以及现有射频电流检测装置由于线圈磁芯材料特性所导致的工作频率和检测精度受限的问题。

本发明提供了一种射频电压电流检测装置，包括电压取样单元、电流取样单元、缓冲单元和信号处理单元；所述电压取样单元用于对双导体传输线中导体之间的电压进行采集；所述电流取样单元用于感应传输线内导体周围的磁场强度，并根据空心线圈两端的感应电压获得所述内导体的电流；所述缓冲单元的第一输入端连接所述电压取样单元，所述缓冲单元的第二输入端连接所述电流取样单元，用于对电压和电流的采样信号进行缓冲处理；所述信号处理单元的第一输入端连接至所述缓冲单元的第一输出端，所述信号处理单元的第二输入端连接至所述缓冲单元的第二输出端，用于对所述缓冲单元输出的信号进行处理后获得待检测射频电压、电流的幅值、频率和相位差。

更进一步地，所述电压取样单元包括金属片，所述金属片分别与内导体、外导体构成等效电容。

更进一步地，所述电压取样单元还包括电容C10，所述电容C10的一端与外导体相接，所述电容C10的另一端连接所述金属片。

更进一步地，金属片与内导体之间的耐压强度，需要满足大于或等于传输线两导体间电压两倍的要求。

更进一步地，所述金属片与内导体平行放置。

更进一步地，在金属片与内导体之间的气隙中插入电介质材料。

更进一步地，所述电流取样单元为空心线圈，所述空心线圈的一个引脚与外导体相接，所述空心线圈的另一个引脚作为所述电流取样单元的输出端。

更进一步地，所述空心线圈为平面线圈或空心螺线管线圈。

更进一步地，缓冲单元包括第一缓冲单元和第二缓冲单元，所述第一缓冲单元的输入端作为所述缓冲单元的第一输入端，所述第一缓冲单元的输出端作为所述缓冲单元的第一输出端；所述第二缓冲单元的输入端作为所述缓冲单元的第二输入端，所述第二缓冲单元的输出端作为所述缓冲单元的第二输出端。

更进一步地，所述第一缓冲单元和所述第二缓冲单元的结构相同，均包括运算放大器U1、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C7、电容C8、电容C9、电阻R1、电阻R3和电阻R4；所述运算放大器U1包括8个引脚，第1引脚悬空，第2引脚通过所述电阻R1连接至第6引脚，第3引脚作为缓冲单元的输入端，第4引脚接-5V电源，第5引脚接-5V电源，第6引脚作为缓冲单元的输出端，第7引脚和第8引脚均接+5V电源；所述电容C1、电容C2和电容C3并联后一端接地，另一端接+5V电源；所述电容C7、电容C8和电容C9并联后一端接地，另一端接-5V电源；所述电阻R3的一端接地，另一端连接至所述U1的第3引脚；所述电阻R4与所述电容C4并联连接后一端接地，另一端连接至所述运算放大器U1的第5引脚。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于采用在传输线双导体之间放置一块金属片，金属片仅通过电容器与外导体相接，金属片与内导体不接触，但是金属片与内导体之间会形成等效电容，通过外接电容器与等效电容的串联分压，在金属片上得到传输线导体间电压的取样信号，实现了射频传输系统中不同位置处、精度较为良好的射频电压检测；同时采用空心线圈取样射频电流信号，避免了磁芯材料的非线性和工作频率限制，能够获得良好的射频电流检测频带范围和检测精度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的射频电压电流检测装置的原理框图；

图2是本发明实施例提供的射频电压电流检测装置的具体布局图；

图3(a)是本发明实施例提供的射频电压电流检测装置中电压取样单元的结构布局示意图；

图3(b)是本发明实施例提供的射频电压电流检测装置中电压取样单元的分压电容示意图；

图4是本发明实施例提供的射频电压电流检测装置中电流取样单元的结构布局示意图；

图5是本发明实施例提供的射频电压电流检测装置中缓冲单元的一路具体缓冲电路图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为电压取样单元，2为电流取样单元，3为缓冲单元，4为信号处理单元。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为方便描述，在本发明针对的双导体传输线系统中，处在参考电位的导体称之为外导体，在本发明实施例中不妨将之与“大地”相接；另一根导体称为内导体。

为解决上述检测方法的部分受限问题，本发明提出了在传输线双导体之间放置一块金属片，金属片与外导体通过电容器相接，金属片与内导体构成等效电容，通过上述两电容串联分压作用，在金属片上得到传输线导体间电压的取样信号；在电压取样的同一位置放置一个平面线圈，线圈两端的感应电压即对应该处传输线内导体电流大小。通过后续缓冲和信号处理单元的处理，可得到电压和电流的幅值、频率以及它们之间的相位差。采用一组已知频率和功率的射频信号，以及一组已知阻抗的负载，对测量结果进行标定，修正之后即可得到准确的电压、电流及相位差信息，通过进一步计算还可得到输入阻抗、有功和无功功率。由于本发明采用金属片取样电压，只需与外导体之间焊接一个电容器，不与内导体直接接触，因此安装、调试比较方便，相比现有技术减少了电容器的个数，提高了检测精度。另外，通过调节金属片与导体间的距离，可以方便改变取样单元的耐压强度。本发明采用平面线圈取样电流信号，避免了磁芯材料的非线性和工作频率限制，另外安装也较方便。

本发明提出的一种射频电压电流检测方法原理框图如图1所示，包括电压取样单元1、电流取样单元2、缓冲单元3、信号处理单元4。电压取样单元1采用金属片取样内导体与外导体之间的电压，电流取样单元2采用平面线圈感应传输线内导体周围的磁场强度，平面线圈两端的感应电压即对应传输线内导体电流。缓冲单元3用于对电压和电流的采样信号进行缓冲，使电压取样单元1和电流取样单元2的取样输出分别通过电压跟随器结构，从而提高带载能力和检测精度；信号处理单元4用于对缓冲单元输出的信号进行存储、计算和分析处理，得到待检测射频电压、电流的幅值、频率和相位差。

在本发明实施例中，电压取样单元1包括金属片，金属片用于与内导体、外导体分别构成等效电容，依次为C20、C30。为了提高分压比，同时降低电压取样单元1的输出阻抗，所述电压取样单元引入电容C10。电容C10的一端与外导体相接，另一端连接金属片。C10和C30并联的等效电容C40容值远大于C20。在电路设计时，通常C10远大于C30，因此计算分压比时可忽略C30。

作为本发明的一个实施例，可以将金属片放置在内导体的正下方，金属片和内导体的距离在空气中形成的耐压强度，需要满足大于或等于内外导体间电压两倍的要求；金属片的几何尺寸要远小于待检测射频信号的波长。

在本发明实施例中，所述电流取样单元2为平面线圈，平面线圈的两个引脚一个与外导体相接，另一个作为电流取样单元2的输出端。流经内导体的射频电流在其周围的空间中产生同频率变化的磁场，该变化的磁场在平面线圈的两个引脚之间产生同频率的感应电压，感应电压的幅值和相位也严格跟随射频电流的变化。由于采用平面线圈的结构对射频电流进行取样，而不是传统方案中采用的带有磁芯的螺线管结构，大大减小了由磁芯材料的磁滞损耗和涡流损耗等非线性特性对电流取样检测精度的影响，同时还避免了受到磁芯材料工作频率的限制，大大提高了本发明电流取样单元2的工作频带宽度。可以根据内导体电流大小、取样输出的幅值大小要求和装置耐压强度的要求，采用相应形状、匝数、线宽和线间距的平面线圈取样；具体地，可以根据内导体电流大小确定线圈匝数和线间距，根据要求的检测取样输出电流大小确定线宽，根据大于或等于二倍内外导体间电压对应的耐压强度，确定线圈外沿和内导体之间的放置距离，另外，线圈的几何尺寸需满足远小于待检测射频信号波长的要求。

为了方便对测量结果进行标定，可以在测量装置上集成一段传输线，该传输线的几何形状，以及与电压取样单元1和电流取样单元2的相对位置固定不变。用一组已知的功率源及负载完成测量结果的标定，将整个测量装置插入待测电路当中进行测量。

在本发明实施例中，所述缓冲单元3中的缓冲电路可采用以宽带、低失真的运放为主体组成的电压跟随器构成。该缓冲器单元能够通过设定与运放反向输入端的连接的电阻的阻值大小，完成和前级采样单元的一定程度的阻抗匹配，提高对连接的后级模块的带载能力，同时将采样单元和后续数据处理模块较好的隔离开来。

在本发明实施例中，信号处理单元4可以放置在测量现场，对缓冲单元3的输出进行采样、存储、分析和计算处理，得到电压、电流的幅值、频率和相位差，进一步计算可得到输入阻抗、有功和无功功率。

在本发明实施例中，信号处理单元4可以将其中的信号采集部分放置在测量现场，对缓冲单元3的输出进行采样，然后通过电信号或者光信号将采样结果传输至信号处理单元4的存储、分析与计算单元，得到电压、电流的幅值、频率和相位差，进一步计算可得到输入阻抗、有功和无功功率。

在本发明实施例中，信号处理单元4可以放置在现场之外的地方，缓冲单元3的输出通过电缆等方式与信号处理单元4连接。信号处理单元4对缓冲单元3传输过来的信号进行采样、存储、分析和计算处理，得到电压、电流的幅值、频率和相位差，进一步计算可得到输入阻抗、有功和无功功率。

在本发明实施例中，缓冲单元3和信号处理单元4可以采用与外导体同参考电位的直流电源供电。

在本发明实施例中，缓冲单元3和信号处理单元4可以采用电池供电，信号处理单元4采用光纤方式输出，以实现有效的电气隔离。

在本发明实施例中，信号处理单元4可以选用高速数模转换器(ADC)，对缓冲单元3的两路输出进行采样，然后将采样的数字信号结果存储下来，通过在上位机上使用Matlab对存储的数字采样信号进行读取和拟合，还原出初始的待检测射频电压、电流模拟信号，进而通过还原出的电压电流模拟信号可以很方便的计算得到待检测射频电压和电流的幅值、频率和相位差。

本发明的突出特点是，对双导体传输系统中导体上电压和电流的取样由专门设计的、对传输线内导体没有破坏的电压取样和电流取样单元完成，不需要在双导体之间焊接若干电容，也不需要使用磁芯材料。由于电压取样和电流取样单元的巧妙设计，本发明所对应的检测装置在射频系统中的安装位置非常灵活，对传输线的特征阻抗没有要求，对负载阻抗也没有要求。此外，缓冲单元和信号处理单元可采用电池供电、光纤方式输出，也使得本检测方法能够应用于有电气隔离要求的场所，扩充了应用范围。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的射频电压电流检测装置，现结合附图和具体实施例详述如下：

本发明的一个具体实施例的方案如图2所示。此实施例中内导体截面为圆形。当内导体水平放置时，在其正下方一定距离处水平放置电压取样单元1；在距内导体侧面一定距离处水平放置电流取样单元2。电压取样单元1和电流取样单元2的几何中心处在内导体长度方向的同一位置。电压取样单元1和电流取样单元2的输出分别与缓冲单元3的两路输入相连接，缓冲单元3的输出连接至信号处理单元4。

电压取样单元1所对应的电路板具体布置和工作原理如图3(a)、(b)所示。电路板上有一块矩形铜箔，铜箔通过电容器C10与“大地”相接，铜箔与传输线内导体之间的等效电容为C20，铜箔与传输线外导体之间的等效电容为C30。C10与C30并联的等效电容为C40，通过C40与C20的串联分压，在铜箔上得到传输线内导体电压的取样信号，即为电压取样单元1的输出。

电流取样单元2所对应的电路板具体布置如图4所示。电路板上的矩形平面线圈即为电流取样单元2的平面线圈，通过矩形平面线圈感应内导体周围的磁场变化，在平面线圈两端即可得到与内导体电流所对应的电压信号，平面线圈的引出端(即非接地端)信号作为电流取样单元2的输出。

缓冲单元3的一路缓冲电路图如图5所示，电阻R3的一端和电压取样单元1的输出相连，另一端和运放芯片的3脚连接。芯片的7脚和8脚相连，同时8脚和+5V电平相连。电容C1、电容C2和电容C3三者并联，三者并联的一端和+5V电平相连，另一端接地。芯片的4脚和5脚相连，同时4脚与-5V电平相连。电容C7、电容C8和电容C9三者并联，三者并联的一端和-5V电平相连，另一端接地。电阻R1的一端和芯片的2脚相连，另一端和芯片的6脚相连。芯片的1脚悬空不连线。芯片的6脚和电容C4的一端相连，电容C4的另一端接地。电阻R4和电容C4并联。R4没有接地的一端作为输出端，和信号处理单元4的一路输入相连。

缓冲单元3的另一路缓冲电路与电流取样单元2的输出端相连接，其电路与图5所示电路相同。

信号处理单元4采用高速模数转换器(ADC)对缓冲单元3的两路输出进行采样，然后将采样的数字信号结果存储下来。通过在上位机上使用Matlab对存储的数字采样信号进行读取和拟合，还原出初始的待检测射频电压、电流模拟信号，进而通过还原出的电压电流模拟信号，可以很方便的计算得到待检测射频电压和电流的幅值、频率和相位信息。采用已知大小的射频功率和标准负载对取样信号的幅值和相位差进行标定，修正之后即可得到准确的电压、电流及相位差信息。

本发明实施例提供的射频电压电流检测装置的工作原理如下：通过电压取样单元1得到待检测射频电压的取样电压信号；通过电流取样单元2得到待检测射频电流的取样电压信号；对得到的两路取样电压信号通过缓冲单元3进行缓冲；对缓冲器输出的两路模拟取样信号进行模数转换和存储，然后由上位机控制信号处理单元4读取存储的数字采样数据，拟合还原出待测射频电压和电流模拟信号。经过已知大小的射频功率和标准负载对取样信号的幅值和相位差进行标定之后，即可得到待检测射频电压和电流的幅值、频率和相位信息。

本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种射频电压电流检测装置，其特征在于，包括电压取样单元(1)、电流取样单元(2)、缓冲单元(3)和信号处理单元(4)；

所述电压取样单元(1)用于对双导体传输线中导体之间的电压进行采集；

所述电流取样单元(2)用于感应传输线内导体周围的磁场强度，并根据空心线圈两端的感应电压获得所述传输线内导体的电流；

所述缓冲单元(3)的第一输入端连接所述电压取样单元(1)，所述缓冲单元(3)的第二输入端连接所述电流取样单元(2)，用于对电压和电流的采样信号进行缓冲处理；

所述信号处理单元(4)的第一输入端连接至所述缓冲单元(3)的第一输出端，所述信号处理单元(4)的第二输入端连接至所述缓冲单元(3)的第二输出端，用于对所述缓冲单元(3)输出的信号进行处理后获得待检测射频电压、电流的幅值、频率和相位差。

2.如权利要求1所述的射频电压电流检测装置，其特征在于，所述电压取样单元(1)包括金属片，所述金属片分别与内导体、外导体构成等效电容。

3.如权利要求2所述的射频电压电流检测装置，其特征在于，所述电压取样单元(1)还包括电容C10，所述电容C10的一端与外导体相接，所述电容C10的另一端连接所述金属片。

4.如权利要求2或3所述的射频电压电流检测装置，其特征在于，金属片与内导体之间的耐压强度，需要满足大于或等于传输线两导体间电压两倍的要求。

5.如权利要求4所述的射频电压电流检测装置，其特征在于，在金属片与内导体之间的气隙中插入电介质材料。

6.如权利要求4或5所述的射频电压电流检测装置，其特征在于，所述金属片与内导体平行放置。

7.如权利要求1所述的射频电压电流检测装置，其特征在于，所述电流取样单元(2)为空心线圈，所述空心线圈的一个引脚与外导体相接，所述空心线圈的另一个引脚作为所述电流取样单元(2)的输出端。

8.如权利要求7所述的射频电压电流检测装置，其特征在于，所述空心线圈为平面线圈或空心螺线管线圈。

9.如权利要求1-8任一项所述的射频电压电流检测装置，其特征在于，缓冲单元(3)包括第一缓冲单元和第二缓冲单元，所述第一缓冲单元的输入端作为所述缓冲单元的第一输入端，所述第一缓冲单元的输出端作为所述缓冲单元的第一输出端；所述第二缓冲单元的输入端作为所述缓冲单元的第二输入端，所述第二缓冲单元的输出端作为所述缓冲单元的第二输出端。

10.如权利要求9所述的射频电压电流检测装置，其特征在于，所述第一缓冲单元和所述第二缓冲单元的结构相同，均包括运算放大器U1、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C7、电容C8、电容C9、电阻R1、电阻R3和电阻R4；

所述运算放大器U1包括8个引脚，第1引脚悬空，第2引脚通过所述电阻R1连接至第6引脚，第3引脚作为缓冲单元的输入端，第4引脚接-5V电源，第5引脚接-5V电源，第6引脚作为缓冲单元的输出端，第7引脚和第8引脚均接+5V电源；

所述电容C1、电容C2和电容C3并联后一端接地，另一端接+5V电源；

所述电容C7、电容C8和电容C9并联后一端接地，另一端接-5V电源；

所述电阻R3的一端接地，另一端连接至所述U1的第3引脚；

所述电阻R4与所述电容C4并联连接后一端接地，另一端连接至所述运算放大器U1的第5引脚。