CN109507499A - S参数检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种S参数检测装置及方法，其中，S参数检测装置应用于真空微放电试验测试装置中，包括信号分离装置，其被配置为将耦合传输信号、耦合反射信号和耦合输出信号均各自分成两路信号；矢量网络分析仪，其被配置为接收信号分离装置输出的一路耦合传输信号、一路耦合反射信号和一路耦合输出信号，通过相应测量模式分别输出反射信号幅度变化量、反射信号相位变化量、传输幅度变化量和传输相位变化量；主控制器，其被配置为根据输入功率监测值、反射功率监测值和输出功率监测值，进而计算出回波损耗、驻波和传输损耗。

Description

S参数检测装置及方法

技术领域

本公开属于测试技术领域，尤其涉及一种S参数检测装置及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

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。

发明人发现当前微放电效应的检测主要通过实时监测被测件输入、输出及反射功率变化情况间接实现，在试验测试期间，无法直接获取被测件自身S参数特性的变化情况，目前检测原理如图1所示。

目前，前向/后向功率检测法主要是通过实时监测被测件输入、输出、反射功率的变化情况实现微放电效应的间接检测，若反射功率急剧增大、输出功率急剧减小，即说明被测件内部某位置处发生二次电子倍增，导致放电区域二次电子累计饱和，放电区域介电常数呈现负值，被测件传输通道S参数发生较大变化，反射及输出信号幅度、相位参数均发生跳变，但无法获知幅度及相位的变化量参数。

综上所述，发明人发现现有的前向/后向功率检测法存在以下缺点：

(1)被测件发生微放电时，无法得知端口驻波变化情况；

(2)被测件发生微放电时，无法得知传输S21参数的变化情况；

(3)被测件在试验测试过程中，无法监测输入端口回波损耗变化量；

(4)被测件在试验测试过程中，无法监测反射信号的相位变化情况。

发明内容

根据本公开的一个或多个实施例的一个方面，提供了一种S参数检测装置，其基于前向/后向定比例提取方式实现宇航级射频、微波、毫米波载荷器部件/组件S参数值及变化量的检测，可有效监测真空微放电效应对载荷器部件/组件S参数性能的影响。

本公开实施例的一种S参数检测装置，应用于真空微放电试验测试装置中，所述S参数检测装置，包括：

信号分离装置，其被配置为将耦合传输信号、耦合反射信号和耦合输出信号均各自分成两路信号；其中，耦合传输信号是信号源传输至待测件且经待测件的前向耦合器输出的信号；耦合反射信号是待测件反射且经待测件的前向耦合器输出的信号；耦合输出信号是待测件输出且经待测件的后向耦合器输出的信号；

矢量网络分析仪，其被配置为接收信号分离装置输出的一路耦合传输信号、一路耦合反射信号和一路耦合输出信号，通过相应测量模式分别输出反射信号幅度变化量、反射信号相位变化量、传输幅度变化量和传输相位变化量；

主控制器，其被配置为根据输入功率监测值、反射功率监测值和输出功率监测值，进而计算出回波损耗、驻波和传输损耗；其中，输入功率监测值、反射功率监测值和输出功率监测值分别通过监测另一路耦合传输信号、耦合反射信号和耦合输出信号相应获得。

在一个或多个实施例中，所述S参数检测装置，还包括：

输入功率监测装置，其被配置为接收另一路耦合传输信号，进而得到输入功率监测值；

反射功率监测装置，其被配置为接收另一路耦合反射信号，进而得到反射功率监测值；

输出功率监测装置，其被配置为接收另一路耦合输出信号，进而得到输出功率监测值。

在一个或多个实施例中，所述主控制器，还被配置为：

根据输入功率监测值、反射功率监测值和输出功率监测值，分别对应绘制出输入功率变化曲线、反射功率变化曲线和输出功率变化曲线。

在一个或多个实施例中，所述信号分离装置，包括：

第一功分器，其被配置为将耦合传输信号分成两路信号；

第二功分器，其被配置为将耦合反射信号分成两路信号；

第三功分器，其被配置为将耦合输出信号分成两路信号。

在一个或多个实施例中，所述真空微放电试验测试装置，包括：

信号源，其被配置为输出待测件真空微放电试验测试所需要的信号；

前向耦合器，其设置于被测件的输入端口侧，且被配置为将传输至被测件的传输信号及被测件的反射信号分别耦合输出；

后向耦合器，其设置于被测件的输出端口侧，且被配置为将被测件的输出信号耦合输出。

在一个或多个实施例中，所述真空微放电试验测试装置，还包括：

脉冲调制器，其与信号源相连，用于调制出待测件真空微放电试验测试所需要的信号；所述脉冲调制器依次通过功率放大器和环形器与前向耦合器相连。

本公开的一种基于S参数检测装置的检测方法，包括：

将待测件设置于真空微放电试验测试装置中；

利用矢量网络分析仪接收信号分离装置输出的一路耦合传输信号、一路耦合反射信号和一路耦合输出信号，通过相应测量模式分别输出反射信号幅度变化量、反射信号相位变化量、传输幅度变化量和传输相位变化量；

利用主控制器根据输入功率监测值、反射功率监测值和输出功率监测值，进而计算出回波损耗、驻波和传输损耗。

在一个或多个实施例中，所述的检测方法，还包括：

利用主控制器分别绘制出输入功率变化曲线、反射功率变化曲线和输出功率变化曲线并输出显示。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

(1)丰富了微放电检测手段：通过使用本公开所描述的检测装置，可获取被测件在大功率状态下的各项S参数测量值，可直观的了解微放电效应对被测件宏观传输特性的影响。

(2)提高了试验测试数据的利用率：通过使用本公开所描述的检测装置，获取大量有效的试验测试数据，可直接为微放电效应的理论研究提供支撑，便于构建微放电效应仿真模型。

(3)提高了测试设备的使用效率：本公开所描述的检测装置，将获取的测量数据进行加工、处理，换算出直接跟被测件传输特性相关的测量数据，扩展了测试设备的应用功能、提高了使用效率。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是目前微放电效应的检测原理图。

图2是本公开的一种S参数检测装置结构示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

术语解释：

VSWR：Voltage Standing Wave Ratio，电压驻波比。

为解决航天器大功率射频、微波、毫米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，本公开采用一种基于前向/后向定比例提取方式实现宇航级射频、微波、毫米波载荷器部件/组件S参数值及变化量的检测，可有效监测真空微放电效应对载荷器部件/组件S参数性能的影响。

依据微放电效应检测要求，结合被测件自身技术特性，本发明通过前向、后向大功率定向耦合器及矢量网络分析仪实现试验测试过程中被测件S参数值及其变化情况的监测，从而实现微放电效应的检测及被测件受微放电效应影响的传输特性变化情况分析。

本公开的S参数检测装置，应用于真空微放电试验测试的高功率状态下；其中，高功率指功率容量在10W～1000W量级的微波信号。

在具体实施中，待测件设置于真空罐中，待测件的输入端口通过第一穿墙法兰与前向耦合器相连；待测件的输出端口通过第二穿墙法兰与后向耦合器相连。

如图2所示，本公开实施例的一种S参数检测装置，应用于真空微放电试验测试装置中，所述S参数检测装置，包括：

(1)信号分离装置，其被配置为将耦合传输信号、耦合反射信号和耦合输出信号均各自分成两路信号；其中，耦合传输信号是信号源传输至待测件且经待测件的前向耦合器输出的信号；耦合反射信号是待测件反射且经待测件的前向耦合器输出的信号；耦合输出信号是待测件输出且经待测件的后向耦合器输出的信号。

(2)矢量网络分析仪，其被配置为接收信号分离装置输出的一路耦合传输信号、一路耦合反射信号和一路耦合输出信号，通过相应测量模式分别输出反射信号幅度变化量、反射信号相位变化量、传输幅度变化量和传输相位变化量；

具体地，矢量网络分析仪(简称矢网)的三路信号，分别进入矢网内部的A、R、B接收机，进行相应的比值运算及分析；

进入矢网A、R、B接收机的三路信号，通过设置矢网测量模式(接收机模式)，测量A/R(对数格式——反射信号幅度变化量监测)、测量A/R(相位格式——反射信号相位变化量监测)、测量B/R(对数格式——传输幅度变化量监测)、测量B/R(相位格式——传输相位变化量监测)。

其中，矢网A、R、B是矢量网络分析仪的三个接收机输入端口。

(3)主控制器，其被配置为根据输入功率监测值、反射功率监测值和输出功率监测值，进而计算出回波损耗、驻波和传输损耗；其中，输入功率监测值、反射功率监测值和输出功率监测值分别通过监测另一路耦合传输信号、耦合反射信号和耦合输出信号相应获得。

具体地，在主控制器中计算回波损耗、驻波和传输损耗的公式分别为：

S11(回波损耗)：

S11(驻波)：

S21(传输损耗)：

其中：P_R为反射功率监测值，P_F为输入功率监测值，P_O为输出功率监测值，

利用矢网内部多通道接收机及S参数测量功能，实时监测被测件在大功率状态下的反射信号幅度及相位变化量，传输信号幅度及相位变化量，便于分析微放电效应对被测件宏观性能的影响；

以上测量方法获取的试验测试数据，可用于微放电效应理论研究，可根据理论模型及基础试验数据，构建仿真模型，开发相应的仿真软件，实现二次电子累计密度的变化对微波器部件/组件传输特性影响的仿真分析。

在一个或多个实施例中，所述S参数检测装置，还包括：

输入功率监测装置，其被配置为接收另一路耦合传输信号，进而得到输入功率监测值；

反射功率监测装置，其被配置为接收另一路耦合反射信号，进而得到反射功率监测值；

输出功率监测装置，其被配置为接收另一路耦合输出信号，进而得到输出功率监测值。

具体地，输入功率监测装置、反射功率监测装置和输出功率监测装置可分别采用功率计或其他现有的功率计量装置来实现。

在一个或多个实施例中，所述主控制器，还被配置为：

根据输入功率监测值、反射功率监测值和输出功率监测值，分别对应绘制出输入功率变化曲线、反射功率变化曲线和输出功率变化曲线。

通过对被测件自身在大功率状态下的S11、S21绝对值及相对变化量监测数值曲线的分析，可实际了解到微放电效应这种微观放电现象对微波器部件/组件宏观性能的影响，有助于扩展微放电检测手段，提供微放电检测能力，同时这些真实的、基础的试验测试数据，也可为微放电效应的理论分析验证提供支撑。

主控制器实时计算被测件在大功率状态下的传输损耗参数，并将其绘制成曲线，便于直观了解被测件插损受微放电效应影响的变化过程。

在一个或多个实施例中，所述信号分离装置，包括：

第一功分器，其被配置为将耦合传输信号分成两路信号；

第二功分器，其被配置为将耦合反射信号分成两路信号；

第三功分器，其被配置为将耦合输出信号分成两路信号。

在一个或多个实施例中，所述真空微放电试验测试装置，包括：

信号源，其被配置为输出待测件真空微放电试验测试所需要的信号；

前向耦合器，其设置于被测件的输入端口侧，且被配置为将传输至被测件的传输信号及被测件的反射信号分别耦合输出；

后向耦合器，其设置于被测件的输出端口侧，且被配置为将被测件的输出信号耦合输出。

其中，信号源可采用信号发生器来实现。

在具体实施中，前向耦合器和后向耦合器均采用双定耦合器来实现。

双定耦合器可以实现正向传输信号的定比例耦合输出，也可以实现反向传输信号的定比例耦合输出，在双定耦合器本体上有两个耦合输出端口，分别为正向及反向耦合端口。

在一个或多个实施例中，所述真空微放电试验测试装置，还包括：

脉冲调制器，其与信号源相连，用于调制出待测件真空微放电试验测试所需要的信号；所述脉冲调制器依次通过功率放大器和环形器与前向耦合器相连。

根据用户的不同需求，本公开的一种S参数检测装置也可应用于其它测试领域，如低气压放电效应检测与耐功率检测。

其中，环形器是一个多端口器件，其中电磁波的传输只能沿单方向环行。

本公开的一种基于S参数检测装置的检测方法，包括：

将待测件设置于真空微放电试验测试装置中；

利用矢量网络分析仪接收信号分离装置输出的一路耦合传输信号、一路耦合反射信号和一路耦合输出信号，通过相应测量模式分别输出反射信号幅度变化量、反射信号相位变化量、传输幅度变化量和传输相位变化量；

利用主控制器根据输入功率监测值、反射功率监测值和输出功率监测值，进而计算出回波损耗、驻波和传输损耗。

在一个或多个实施例中，所述的检测方法，还包括：

利用主控制器分别绘制出输入功率变化曲线、反射功率变化曲线和输出功率变化曲线并输出显示。

本公开丰富了微放电检测手段：通过使用本公开所描述的检测装置，可获取被测件在大功率状态下的各项S参数测量值，可直观的了解微放电效应对被测件宏观传输特性的影响。

本公开提高了试验测试数据的利用率：通过使用本公开所描述的检测装置，获取大量有效的试验测试数据，可直接为微放电效应的理论研究提供支撑，便于构建微放电效应仿真模型。

本公开提高了测试设备的使用效率：本公开所描述的检测装置，将获取的测量数据进行加工、处理，换算出直接跟被测件传输特性相关的测量数据，扩展了测试设备的应用功能、提高了使用效率。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种S参数检测装置，其特征在于，应用于真空微放电试验测试装置中，所述S参数检测装置，包括：

信号分离装置，其被配置为将耦合传输信号、耦合反射信号和耦合输出信号均各自分成两路信号；其中，耦合传输信号是信号源传输至待测件且经待测件的前向耦合器输出的信号；耦合反射信号是待测件反射且经待测件的前向耦合器输出的信号；耦合输出信号是待测件输出且经待测件的后向耦合器输出的信号；

矢量网络分析仪，其被配置为接收信号分离装置输出的一路耦合传输信号、一路耦合反射信号和一路耦合输出信号，通过相应测量模式分别输出反射信号幅度变化量、反射信号相位变化量、传输幅度变化量和传输相位变化量；

主控制器，其被配置为根据输入功率监测值、反射功率监测值和输出功率监测值，进而计算出回波损耗、驻波和传输损耗；其中，输入功率监测值、反射功率监测值和输出功率监测值分别通过监测另一路耦合传输信号、耦合反射信号和耦合输出信号相应获得。

2.如权利要求1所述的一种S参数检测装置，其特征在于，所述S参数检测装置，还包括：

输入功率监测装置，其被配置为接收另一路耦合传输信号，进而得到输入功率监测值；

反射功率监测装置，其被配置为接收另一路耦合反射信号，进而得到反射功率监测值；

输出功率监测装置，其被配置为接收另一路耦合输出信号，进而得到输出功率监测值。

3.如权利要求1所述的一种S参数检测装置，其特征在于，所述主控制器，还被配置为：

根据输入功率监测值、反射功率监测值和输出功率监测值，分别对应绘制出输入功率变化曲线、反射功率变化曲线和输出功率变化曲线。

4.如权利要求1所述的一种S参数检测装置，其特征在于，所述信号分离装置，包括：

第一功分器，其被配置为将耦合传输信号分成两路信号；

第二功分器，其被配置为将耦合反射信号分成两路信号；

第三功分器，其被配置为将耦合输出信号分成两路信号。

5.如权利要求1所述的一种S参数检测装置，其特征在于，所述真空微放电试验测试装置，包括：

信号源，其被配置为输出待测件真空微放电试验测试所需要的信号；

前向耦合器，其设置于被测件的输入端口侧，且被配置为将传输至被测件的传输信号及被测件的反射信号分别耦合输出；

后向耦合器，其设置于被测件的输出端口侧，且被配置为将被测件的输出信号耦合输出。

6.如权利要求5所述的一种S参数检测装置，其特征在于，所述真空微放电试验测试装置，还包括：

脉冲调制器，其与信号源相连，用于调制出待测件真空微放电试验测试所需要的信号；所述脉冲调制器依次通过功率放大器和环形器与前向耦合器相连。

7.一种基于如权利要求1-6中任一项所述的S参数检测装置的检测方法，其特征在于，包括：

将待测件设置于真空微放电试验测试装置中；

利用矢量网络分析仪接收信号分离装置输出的一路耦合传输信号、一路耦合反射信号和一路耦合输出信号，通过相应测量模式分别输出反射信号幅度变化量、反射信号相位变化量、传输幅度变化量和传输相位变化量；

利用主控制器根据输入功率监测值、反射功率监测值和输出功率监测值，进而计算出回波损耗、驻波和传输损耗。

8.如权利要求7中任一项所述的检测方法，其特征在于，还包括：

利用主控制器分别绘制出输入功率变化曲线、反射功率变化曲线和输出功率变化曲线并输出显示。