CN107589325A - 一种用于微放电效应检测的多载波信号的产生装置和产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于微放电效应检测的多载波信号的产生装置和产生方法，包括一台载波信号发生器和一台宽带基带信号发生器，所述载波信号发生器连接有正交混合耦合器，正交混合耦合器的第一输出端口连接有第一混频器，正交混合耦合器的第二输出端口连接有第二混频器，第一混频器和第二混频器均与宽带基带信号发生器相连，第一混频器的输出端和第二混频器的输出端相连接。利用该装置和方法使得产生多载波信号成本低、可靠性高、效率高和信号间相位可调。

Description

一种用于微放电效应检测的多载波信号的产生装置和产生 方法

技术领域

本发明涉及微放电效应检测领域，具体涉及一种用于微放电效应检测的多载波信号的产生装置和产生方法。

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的射频、微波、毫米波系统内。处于空间轨道中正常工作的航天器会受外部高能等离子体、高真空环境、自身结构尺寸、传输信号频率及功率等因素的影响，产生二次电子倍增效应(微放电效应)，出现使微波系统增益下降、传输性能恶化、信号噪声增大等现象，使微波系统不能正常工作，甚至发生彻底失效的灾难性故障。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。因此开展微放电效应检测试验对保障航天器在轨正常运行十分重要。

开展微放电效应验证试验，需要为被测件提供适当的射频激励信号。比如像双工器、三工馈电网络等多端口宇航级部件，在进行试验测试时，需要为该类型部件同时提供两路、三路大功率射频激励信号，在此状态下验证该部件各输入通道及共线输出通道是否会发生微放电效应。下述，以三工馈电网络为例说明现阶段多端口宇航级部件的微放电效应检测方式，检测原理如图1所示。

如图1所示，对于宇航级三工馈电网络部件的微放电效应检测，需要为其同时输入三路不同频大功率射频激励信号，通过实时监测被测件前端各输入支路反射功率、调零信号幅度变化情况及三工馈电网络共线输出大功率信号二次谐波、三次谐波、噪声电平、多载波互调分量幅度等变化情况实现微放电效应的检测。现阶段，三工馈电网络所需的三路不同频连续波及非归零脉冲信号，通过三台信号发生器、三台脉冲调制器同步产生，后端经行波管或固态功放放大后，通过相应的大功率传输链路输入至被测件。其它类型多端口宇航级部件所需的多载波信号皆同三工馈电网络类似。

现有的微放电效应检测用到的多载波信号的产生存在的缺点为：

1、成本高，同时需要多台信号发生器及脉冲调制器才能产生被测件所需的射频激励信号，大幅增加了试验测试平台的构建成本。

2、可靠性低，依据整机或系统可靠性的计算方式，其可靠性预计值取决于构成整机或系统的每个部件或功能单元的可靠性，同一种应用采用可靠性相近的设备，设备数量、种类越多，系统的可靠性也就越低。

3、效率低，现阶段多载波信号的产生需要同步设置2n(n-多载波路数)台设备，导致试验测试总体时间延长，在固定时间段内开展的试验次数减少。

4、各路信号不相参，现阶段多载波信号的产生，采用多台信号发生器，各设备之间即便共时基，但由于本振不相参，导致各路信号之间的瞬时相位差值不固定，除非再额外增加相参本振源，又增加了系统构建成本及复杂度。

5、信号间相位关系不可调，现阶段多载波信号产生方式，各路信号之间的相位关系是瞬时变化的，即便增加相参本振源后，各路信号之间的相位关系是固定的，要实现相位可调，则需在各信号通道另行增加移相器等模块。

发明内容

针对现有的产生微放电效应检测用到的多载波信号存在的成本高、效率低等缺点，本发明的第一目的是提供一种用于微放电效应检测的多载波信号的产生装置。

本发明采用以下的技术方案：

一种用于微放电效应检测的多载波信号的产生装置，包括一台载波信号发生器和一台宽带基带信号发生器，所述载波信号发生器连接有正交混合耦合器，正交混合耦合器的第一输出端口连接有第一混频器，正交混合耦合器的第二输出端口连接有第二混频器，第一混频器和第二混频器均与宽带基带信号发生器相连，第一混频器的输出端和第二混频器的输出端相连接。

本发明的第二目的是提供以上所述的一种用于微放电效应检测的多载波信号的产生装置的产生方法，包括以下步骤：

步骤1：载波信号发生器产生的信号经正交混合耦合器后产生两路正交射频信号，其中，正交混合耦合器的第一输出端口输出为I支路信号，表达式为S_i＝U_asin(2πf_ct+θ)，输入到第一混频器中；正交混合耦合器的第二输出端口输出为Q支路信号，表达式为S_q＝U_acos(2πf_ct+θ)，输入到第二混频器中；

其中，U_a为I、Q支路信号幅度、f_c为载波信号频率、θ为载波信号初相；

步骤2：宽带基带信号发生器产生I路基带信号，表达式为：

I＝U_bcos(2πf_m1t+α)+U_ccos(2πf_m2t+β)+U_dcos(2πf_m3t+γ)，输入到第一混频器中；

宽带基带信号发生器产生Q路基带信号，表达式为：

Q＝U_bsin(2πf_m1t+α)+U_csin(2πf_m2t+β)+U_dsin(2πf_m3t+γ)，输入到第二混频器中；

其中，U_b、U_c、U_d为相应基带信号各频点幅度值；

步骤3：第一混频器中将正交混合耦合器的第一输出端口输出为I支路信号和宽带基带信号发生器发出I路基带信号进行混频，第二混频器中将正交混合耦合器的第二输出端口输出为Q支路信号和宽带基带信号发生器发出Q路基带信号进行混频，之后混合输出多载波信号为：

u_m(t)＝S_iI+S_qQ

＝U_asin(2πf_ct+θ)×[U_bcos(2πf_m1t+α)+U_ccos(2πf_m2t+β)+U_dcos(2πf_m3t+γ)]

+U_acos(2πf_ct+θ)×[U_bsin(2πf_m1t+α)+U_csin(2πf_m2t+β)+U_dsin(2πf_m3t+γ)]

＝U_aU_bsin[2π(f_c+f_m1)t+(θ+α)]+U_aU_csin[2π(f_c+f_m2)t+(θ+β)]

+U_aU_dsin[2π(f_c+f_m3)t+(θ+γ)]；

通过改变U_b、U_c、U_d对单路、两路或全部三路载波信号进行调幅，能产生微放电测试所需的顶底功率可调的脉冲调制信号，同时也能对每路信号功率进行单独调节，此外，可通过改变α、β、γ值，分别或同时调节各载波信号相位值。

本发明具有的有益效果是：

1、成本低，仅需单台载波信号发生器及宽带基带信号发生器，就可实现微放电效应检测所需多载波信号的产生，大幅降低了试验测试平台的构建成本。

2、可靠性高，依据整机或系统可靠性的计算方式，其可靠性预计值取决于构成整机或系统的每个部件或功能单元的可靠性，同一种应用采用可靠性相近的设备，设备数量、种类越少，系统的可靠性也就越高。

3、效率高，采用本发明可一次性设置产生所需的多载波信号，无需同步设置2n(n-多载波路数)台设备，提高了微放电效应检测效率。

4、相参多载波信号，本发明多载波信号的产生是对单载波信号调制而成，共时基、共本振、共传输通道。

5、信号间相位可调，本发明可通过调节各基带信号初相，实现各载波信号相位的调节。

附图说明

图1为现有的三工馈电网络微放电检测原理示图及多载波信号产生方式。

图2为用于微放电效应检测的多载波信号的产生装置的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

实施例1

结合图2，一种用于微放电效应检测的多载波信号的产生装置，包括一台载波信号发生器和一台宽带基带信号发生器，所述载波信号发生器连接有3db正交混合耦合器，正交混合耦合器的第一输出端口连接有第一混频器，正交混合耦合器的第二输出端口连接有第二混频器，第一混频器和第二混频器均与宽带基带信号发生器相连，第一混频器的输出端和第二混频器的输出端相连接。

实施例2

上述实施例的一种用于微放电效应检测的多载波信号的产生装置的产生方法，包括以下步骤：

步骤1：载波信号发生器产生的信号经正交混合耦合器后产生两路正交射频信号，其中，正交混合耦合器的第一输出端口输出为I支路信号，表达式为S_i＝U_asin(2πf_ct+θ)，输入到第一混频器中；正交混合耦合器的第二输出端口输出为Q支路信号，表达式为S_q＝U_acos(2πf_ct+θ)，输入到第二混频器中；

其中，U_a为I、Q支路信号幅度、f_c为载波信号频率、θ为载波信号初相；

步骤2：宽带基带信号发生器产生I路基带信号，表达式为：

I＝U_bcos(2πf_m1t+α)+U_ccos(2πf_m2t+β)+U_dcos(2πf_m3t+γ)，输入到第一混频器中；

宽带基带信号发生器产生Q路基带信号，表达式为：

Q＝U_bsin(2πf_m1t+α)+U_csin(2πf_m2t+β)+U_dsin(2πf_m3t+γ)，输入到第二混频器中；

其中，U_b、U_c、U_d为相应基带信号各频点幅度值；

步骤3：第一混频器中将正交混合耦合器的第一输出端口输出为I支路信号和宽带基带信号发生器发出I路基带信号进行混频，第二混频器中将正交混合耦合器的第二输出端口输出为Q支路信号和宽带基带信号发生器发出Q路基带信号进行混频，之后混合输出多载波信号为：

u_m(t)＝S_iI+S_qQ

＝U_asin(2πf_ct+θ)×[U_bcos(2πf_m1t+α)+U_ccos(2πf_m2t+β)+U_dcos(2πf_m3t+γ)]

+U_acos(2πf_ct+θ)×[U_bsin(2πf_m1t+α)+U_csin(2πf_m2t+β)+U_dsin(2πf_m3t+γ)]

＝U_aU_bsin[2π(f_c+f_m1)t+(θ+α)]+U_aU_csin[2π(f_c+f_m2)t+(θ+β)]

+U_aU_dsin[2π(f_c+f_m3)t+(θ+γ)]；

通过改变U_b、U_c、U_d对单路、两路或全部三路载波信号进行调幅，能产生微放电测试所需的顶底功率可调的脉冲调制信号，同时也能对每路信号功率进行单独调节，此外，可通过改变α、β、γ值，分别或同时调节各载波信号相位值。

将步骤3中的输出多载波信号的数学模型编程，下载至基带信号发生器存储器内。系统主控计算机根据微放电效应检测要求设置的频率、幅度及相位，同步将各项设置值下载至基带信号发生器存储器内，同时控制载波信号源，以此产生测试所需的多载波射频激励信号。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种用于微放电效应检测的多载波信号的产生装置，其特征在于，包括一台载波信号发生器和一台宽带基带信号发生器，所述载波信号发生器连接有正交混合耦合器，正交混合耦合器的第一输出端口连接有第一混频器，正交混合耦合器的第二输出端口连接有第二混频器，第一混频器和第二混频器均与宽带基带信号发生器相连，第一混频器的输出端和第二混频器的输出端相连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于微放电效应检测的多载波信号的产生装置的产生方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：载波信号发生器产生的信号经正交混合耦合器后产生两路正交射频信号，其中，正交混合耦合器的第一输出端口输出为I支路信号，表达式为S_i＝U_asin(2πf_ct+θ)，输入到第一混频器中；正交混合耦合器的第二输出端口输出为Q支路信号，表达式为S_q＝U_acos(2πf_ct+θ)，输入到第二混频器中；

其中，U_a为I、Q支路信号幅度、f_c为载波信号频率、θ为载波信号初相；

步骤2：宽带基带信号发生器产生I路基带信号，表达式为：

I＝U_bcos(2πf_m1t+α)+U_ccos(2πf_m2t+β)+U_dcos(2πf_m3t+γ)，输入到第一混频器中；

宽带基带信号发生器产生Q路基带信号，表达式为：

Q＝U_bsin(2πf_m1t+α)+U_csin(2πf_m2t+β)+U_dsin(2πf_m3t+γ)，输入到第二混频器中；

其中，U_b、U_c、U_d为相应基带信号各频点幅度值；

步骤3：第一混频器中将正交混合耦合器的第一输出端口输出为I支路信号和宽带基带信号发生器发出I路基带信号进行混频，第二混频器中将正交混合耦合器的第二输出端口输出为Q支路信号和宽带基带信号发生器发出Q路基带信号进行混频，之后混合输出多载波信号为：

u_m(t)＝S_iI+S_qQ

＝U_asin(2πf_ct+θ)×[U_bcos(2πf_m1t+α)+U_ccos(2πf_m2t+β)+U_dcos(2πf_m3t+γ)]

+U_acos(2πf_ct+θ)×[U_bsin(2πf_m1t+α)+U_csin(2πf_m2t+β)+U_dsin(2πf_m3t+γ)]

＝U_aU_bsin[2π(f_c+f_m1)t+(θ+α)]+U_aU_csin[2π(f_c+f_m2)t+(θ+β)]

+U_aU_dsin[2π(f_c+f_m3)t+(θ+γ)]；

通过改变U_b、U_c、U_d对单路、两路或全部三路载波信号进行调幅，能产生微放电测试所需的顶底功率可调的脉冲调制信号，同时也能对每路信号功率进行单独调节，此外，可通过改变α、β、γ值，分别或同时调节各载波信号相位值。