CN106597106A - 一种行波管工作状态下输出端口驻波系数测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微波测试领域，提供一种行波管工作状态下输出端口驻波系数的测试装置及方法，用以克服现有测试方法中测试设备不通用、测试过程可能损伤行波管、测试过程复杂等不足。本发明测试装置包括：双定向耦合器、环形器、第一衰减器、第二衰减器、第三衰减器、匹配负载、矢量网络分析仪，待测行波管输出信号依次经过双定向耦合器、第一衰减器、环形器进入匹配负载，双定向耦合器耦合出的信号经过第二衰减器输入矢量网络分析仪的放射测试端；输入矢量网络分析仪的源端输出信号依次经过环形器、第一衰减器、双定向耦合器进入待测行波管，双定向耦合器耦合出的信号经过第三衰减器输入矢量网络分析仪的参考端。本发明能够大大提高测试精度和速度。

Description

一种行波管工作状态下输出端口驻波系数测试装置及方法

技术领域

本发明属于微波测试领域，具体涉及一种行波管工作状态下输出端口驻波系数的测试装置及方法。

背景技术

行波管是一种大功率微波功率放大器件，具有频带宽、增益高、动态范围大和噪声低等特点，主要应用于雷达、电子对抗、中继通信、卫星通信、电视直播卫星、导航、遥感、遥控、遥测等电子设备。由于行波管输出端口的匹配性能与其可靠性、增益波动以及整管效率有着密切联系，因此，输出端驻波比一直是行波管设计中的一个重要的指标；然而，行波管放大器在工作状态下的输出功率很大，已远远超出测试仪器的测量范围，直接测试将会导致仪器内部器件损毁。通常，在行波管匹配性能设计时，由于测试方法及条件的限制，只能通过优化行波管输能结构尺寸以实现最佳的冷驻波特性，这种设计方法不考虑慢波系统内电子注存在对电磁场的影响，以冷匹配设计代替热匹配设计，其精度不能很好的符合工程要求。尤其是近年来，行波管的应用环境对可靠性、高效率等指标提出了更高要求，因此探讨行波管在工作状态下的匹配情况，对于进一步提升行波管的整体性能而言，意义重大。基于以上原因，在现有测试设备的条件下，实现准确测量行波管工作状态下输出端口驻波系数的测试方法，具有重要的实用价值。

目前，传统的测试方法如图1所示，这种测试方法存在以下不足：1.测试设备寻找存在难度，尤其是驻波引入器；2.利用驻波引入器调节输出功率过程中，有可能会导致大功率信号返回产品输出口，导致产品损伤；3.测试步骤中人为调节参数较多，测试过程比较复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种行波管工作状态下输出端口驻波系数的测试方法，旨在解决传统测试方法中测试设备不通用、测试过程可能损伤行波管、测试过程复杂等不足；在提高测试便利性和安全性的同时，还大大的提高了测试精度和测试速度。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种行波管工作状态下输出端口驻波系数测试装置，包括：双定向耦合器、环形器、第一衰减器、第二衰减器、第三衰减器、匹配负载、矢量网络分析仪，其特征在于，待测行波管输出信号依次经过双定向耦合器、第一衰减器、环形器进入匹配负载，所述待测行波管输出信号经过双定向耦合器耦合出的信号经过第二衰减器输入矢量网络分析仪的测试端(B端)；所述输入矢量网络分析仪的源端(S端)输出信号依次经过环形器、第一衰减器、双定向耦合器进入待测行波管，所述输入矢量网络分析仪的源端输出信号经过双定向耦合器耦合出的信号经过第三衰减器输入矢量网络分析仪的参考端(R端)。

上述行波管工作状态下输出端口驻波系数测试装置的测试方法为：包括以下步骤：

步骤1、开启适量网络分析仪，设置其工作状态为S₂₂模式，以待测行波管的输出端为校准参考面做单端口校准，并保存校准数据，以此消除频率响应、方向性不良及源失配造成的误差；

步骤2、连接待测行波管并接通电源，使其处于正常工作状态，工作频率为f₀，其输出端输出信号依次经过双定向耦合器、第一衰减器、环形器进入匹配负载；

步骤3、矢量网络分析仪源端输出频率为f₀+Δf的测试信号，该测试信号依次经过环形器、第一衰减器和双定向耦合器进入待测行波管，由双定向耦合器耦合出的信号经过第三衰减器、输入至矢量网络分析仪的参考端(R端)，作为参考量；该测试信号经过待测行波管的反射信号再次经过双定向耦合器耦合出的信号经过第二衰减器、输入至矢量网络分析仪的测试端(B端)，作为测量值；将矢量网络分析仪的中频带宽IF设置为远小于Δf，比较反射测试端和参考端的幅值，得到待测行波管在f₀+Δf频率下的热驻波系数；

步骤4、将矢量网络分析仪源端测试信号频率分别设置为f₀-2Δf、f₀-Δf、f₀+Δf、f₀+2Δf，得到各频率点的热驻波系数，采用高阶插值拟合方法，得到待测行波管工作频率f₀的热驻波系数。

需要说明的是，本发明中第二衰减器能确保进入矢量网络分析仪的信号幅值较小，确保测试设备的安全；匹配负载可以更换为功率计便于观察行波管是否处于正常工作状态，或者更换为频谱仪对信号频率成分进行分析；将矢量网络分析仪的中频带宽IF设置为远小于Δf，这样在行波管输出端的频率为f₀的信号以及两者的交调信号就被中频滤波消除。

与传统的测试方法相比，本发明的有益效果在于：

本发明采用测试设备均为常用仪器，系统构建简单；第一衰减器的使用，使得环形器和匹配负载能够采用小功率器件，以提高测试精度，同时能够起到隔离作用，确保由于环形器失配引起的反射信号进入被测行波管；第二衰减器的使用能够确保进入矢量网络分析仪的信号功率不高于其线性工作上限电平，有效的保证了测试设备的安全和测试结果的准确度；在行波管工作频率附近设置多个频偏，采用高阶插值拟合方式，能够更精确的得到测试频点的热驻波系数。

附图说明

图1是传统的行波管热状态输出驻波系数测试方法。

图2是本发明行波管工作状态下输出端口驻波系数测试装置结构示意图。

图3是实施例行波管工作状态下输出端口驻波系数测试方法的仿真结果参数图。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的行波管工作状态下输出端口驻波系数的测试方法，被测行波管的工作频率为8-12GHz，测试频率步进为1GHz，连续波输出100W。被测行波管输入端和电源按其工作要求进行连接，输出端按图2所示进行连接。其中双定向耦合器101两个输入端耦合度均为30dB；1#衰减器(第一衰减器)102为大功率直通衰减器，衰减量为30dB；2#衰减器(第二衰减器)103为小功率直通衰减器，衰减量为20dB；3#衰减器(第三衰减器)106为小功率直通衰减器，衰减量为20dB；环形器104可为小功率环形器；匹配负载105也可为小功率负载；矢量网络分析仪110选用在1Hz下动态分析范围大于120dB的设备。

由于矢网内部的元器件都有一定的功率承受能力，加于其上的功率过大将损坏它们或使其工作到非线性区，因此在配置大功率测量时，首要的考虑是如何保证系统内外部的微波电路元器件处于功率承受能力界限以下和工作在最佳电平区间。因此我们对该测试系统中的功率流进行细致的分析：

设定被测行波管的工作频率为8GHz，处于正常工作状态时输出功率为100W，即50dBm，该功率信号经大功率定向耦合器101，进入衰减量为30dB的大功率1#衰减器102，功率降低为20dBm，最后经环形器104进入匹配负载105。由于定向耦合器101的耦合度为30dB，耦合器支路信号功率为20dBm，经过2#衰减器103，功率变为0dBm，远小于矢网接收机的损坏电平15dBm。

矢量网络分析仪110频率设置为频偏1MHz，即8.001Ghz，输出功率设置为10dBm，经环形器104，进入大功率1#衰减器102，功率变为-20dBm，经定向耦合器进入被测行波管输出端，设定电压驻波ρ＝1.5，则电压反射系数：

可得反射功率为-34dBm，经耦合器正向支路耦合出-64dBm，再经2#衰减器，功率变为-84dBm，送入矢网测试端(B端)。耦合器反向支路信号功率为-50dBm，经3#衰减器106，功率变为-70dBm，送入矢网参考端(R端)。经过以上分析，进入适量网络分析仪的各功率值均处于功率承受能力界限以下和工作在最佳电平区间，设备使用安全。

将矢量网络分析仪110的工作状态设置为S₂₂模式，以被测行波管100的输出端为校准参考面120做单端口校准，并保存校准数据，以此消除频率响应、方向性不良及源失配造成的误差。然后连接上被测行波管100并接通电源，使其处于正常工作状态，工作频率为8GHz，综合考虑测量速度、动态范围以及本地噪声影响，矢量网络分析仪的中频带宽IF设置为1kHz，这样在行波管输出端的频率为8Ghz的信号以及两者的交调信号就被中频滤波消除，同时动态范围为90dB，满足各信号幅度需求，比较B和R的幅值，可以得到行波管在8.001GHz频率下的热驻波系数。

分别将矢量网络分析仪110的工作频率设置为8.002GHz、7.999GHz和7.998GHz，利用该测试方法得到这些频点下的热驻波系数，然后利用插值拟合方式，得到8GHz频率下的热驻波系数。

如图3所示，通过对整个工作频带的扫频，可以得到整个工作频带的行波管工作状态下输出端口驻波系数(图中的浅色线)，并与冷驻波系数(图中深色线)进行对比，分析行波管在工作状态下的驻波特性。

从上述实施例可以看出，本发明提出的一种行波管工作状态下输出端口驻波系数的测试方法，能够利用常用实验设备，准确测量出行波管大功率输出时的输出端口驻波系数，测试结果真实可信，具有实用价值。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种行波管工作状态下输出端口驻波系数测试装置，包括：双定向耦合器、环形器、第一衰减器、第二衰减器、第三衰减器、匹配负载、矢量网络分析仪，其特征在于，待测行波管输出信号依次经过双定向耦合器、第一衰减器、环形器进入匹配负载，所述待测行波管输出信号经过双定向耦合器耦合出的信号经过第二衰减器输入矢量网络分析仪的放射测试端(B端)；所述输入矢量网络分析仪的源端(S端)输出信号依次经过环形器、第一衰减器、双定向耦合器进入待测行波管，所述输入矢量网络分析仪的源端输出信号经过双定向耦合器耦合出的信号经过第三衰减器输入矢量网络分析仪的参考端(R端)。

2.按权利要求1所述行波管工作状态下输出端口驻波系数测试装置的测试方法为：包括以下步骤：

步骤1、开启适量网络分析仪，设置其工作状态为S₂₂模式，以待测行波管的输出端为校准参考面做单端口校准，并保存校准数据；

步骤2、连接待测行波管并接通电源，使其处于正常工作状态，工作频率为f₀，其输出端输出信号依次经过双定向耦合器、第一衰减器、环形器进入匹配负载；

步骤3、矢量网络分析仪源端输出频率为f₀+Δf的测试信号，该测试信号依次经过环形器、第一衰减器和双定向耦合器进入待测行波管，由双定向耦合器耦合出的信号经过第三衰减器、输入至矢量网络分析仪的参考端(R端)，作为参考量；该测试信号经过待测行波管的反射信号再次经过双定向耦合器耦合出的信号经过第二衰减器、输入至矢量网络分析仪的反射测试端(B端)，作为测量值；将矢量网络分析仪的中频带宽IF设置为远小于Δf，比较反射测试端和参考端的幅值，得到待测行波管在f₀+Δf频率下的热驻波系数；

步骤4、将矢量网络分析仪源端测试信号频率分别设置为f₀-2Δf、f₀-Δf、f₀+Δf、f₀+2Δf，得到各频率点的热驻波系数，采用高阶插值拟合方法，得到待测行波管工作频率f₀的热驻波系数。