CN109799445B - 毫米波段微波极化参数测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于等离子体加热领域，具体为毫米波段微波极化参数测量系统。包括波源单元、被测单元和微波参数检测单元，微波参数检测单元包括方波导喇叭天线和正交模式转换器，还包括在正交模式转换器两个输出端分别依次连接的检测隔离器、混频器、放大器、滤波器和衰减器，其中一路输出上的滤波器和衰减器之间加入移相器，两路输出连接单片集成电路的输入端微波经过混频器时分别与本振源混频。回旋管输出的微波为线极化高斯微波，经过极化器传输后，微波转换为椭圆极化，波源单元与微波参数检测单元都高度集成，使用灵活方便，可靠性高，可广泛用于高频微波极化参数测量。

Description

毫米波段微波极化参数测量系统

技术领域

本发明属于等离子体加热领域，具体涉及一种用于电子回旋共振加热系统，毫米波部件冷测实验中的微波发射及微波极化参数测量系统。

背景技术

电子回旋共振加热(ECRH)是磁约束聚变研究中一种重要的加热手段。ECRH系统是由回旋管(高功率毫米源)、传输线、天线和辅助电源等组成。ECRH系统单模功率在0.5MW–1MW，频率35GHz–170GHz。其中，回旋管输出的是线极化高斯基模，传输线中有个重要的微波器件——极化器，其作用是改变传输线中微波的极化方向，以便开展相关物理实验。在将极化器安装于高功率传输线之前需要开展冷测实验，所以设计低功率条件下的实验测量装置，测量极化器(由两面极化镜组成)的极化特性，即获得极化镜旋转角度与微波极化参数之间的关系曲线，验证理论计算的正确性。

发明内容

本发明的目的是提供一种毫米波段微波极化参数测量系统，其可靠性高。

本发明的技术方案如下：

一种毫米波段微波极化参数测量系统，包括依次连接的波源单元、被测单元和微波参数检测单元，所述的微波参数检测单元包括方波导喇叭天线和正交模式转换器，还包括在正交模式转换器两个输出端分别依次连接的检测隔离器、混频器、放大器、滤波器和衰减器，其中一路输出上的滤波器和衰减器之间加入移相器，两路输出都与单片集成电路的输入端连接，在上述两个混频器的输入端分别连接本振源，使微波经过混频器时分别与本振源混频。

所述的波源单元包括依次连接的压控振荡器、倍频器、波源单元隔离器、滤波器、放大器、可变衰减器、波纹天线、透镜，在波纹天线、透镜之间设有线栅。

所述的被测单元包括三段波纹波导、两个换向波导以及位于换向波导上的极化镜；三段波纹波导即波纹波导a、波纹波导b、波纹波导c，两个换向波导即换向波导a、换向波导b；所述的波纹波导a与波纹波导b垂直，波纹波导b与波纹波导c垂直，换向波导a设于波纹波导a与波纹波导b之间，换向波导b设于波纹波导b与波纹波导c之间。

所述的单片集成电路为芯片AD8302。

所述的本振源包括依次连接的微波功率源、倍频器、隔离器、滤波器、功分器和两个低通滤波器，所述的两个低通滤波器分别位于功分器的两路输出端上，所述的两个低通滤波器输出端分别连接所述的两个混频器的输入端。

所述的微波功率源为低功率微波源VCO。

本发明的显著效果如下：

回旋管输出的微波为线极化高斯微波，经过极化器传输后，微波转换为椭圆极化，由电磁场理论可知，任何极化波都可以分解成两个取向正交的线极化波之和，两极化波的相位差和振幅比就决定了合成微波的极化状态。本发明依据高功率条件下回旋管输出的微波模式，并基于电磁场理论设计低功率实验装置，本装置包括波源单元、被测单元(包括波纹波导、换向波导与极化镜)、微波参数检测单元以及数据处理单元。

波源单元与微波参数检测单元都高度集成，使用灵活方便，可靠性高，可广泛用于高频微波极化参数测量。其中，波源单元利用波纹天线和透镜获得了一定束腰宽度的高斯波束，这种搭建方式特别适用需要高斯波束并对束腰大小有要求的测试场合。微波参数检测单元能同时输出微波两极化方向的幅度比和相位比，单元内部通过元器件将微波分成两路进行测量，采用了同一个本振源混频，优点是可以保证两路微波的特性一致，减少误差来源，并在其中一路加入了移相器解决了AD8302的二值性。

附图说明

图1为毫米波段微波极化参数测量系统与数据处理单元连接示意图；

图2为波源单元示意图；

图3为被测单元示意图；

图4为微波参数检测单元示意图；

图5为微波参数检测单元本振源示意图；

图6为所有部件连接的示意图；

图中：1.波源单元，2.被测单元，3.微波参数检测单元，4.数据处理单元，5.压控振荡器，6.波源单元倍频器，7.波源单元隔离器，8.波源单元滤波器，9.波源单元放大器，10.波源单元衰减器，11.波纹天线，12.线栅，13.透镜，14.波纹波导；15.换向波导；16.极化镜；17.方波导喇叭天线；18.正交模式转换器；19.检测隔离器；20a、20b.混频器；21.放大器；22.滤波器；23.移相器；24.检测衰减器；25.单片集成电路；26.本振源；27.微波功率源；28.本振源倍频器；29.本振源隔离器；30.本振源滤波器；31.功分器；32.低通滤波器。

具体实施方式

下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。

ECRH系统中，主波导采用过模波纹波导，由回旋管输出的微波与波导中HE₁₁模高效耦合，HE₁₁模微波经波纹波导、极化器和换向波导等传输器件传输到天线发射系统。由回旋管输出的微波为水平极化高斯波束，极化器的作用是改变微波的极化方向，在应用到高功率实验中前，需要开展实验室低功率测试，本发明的波源单元即根据回旋管输出微波模式进行设计。极化参数测量系统需要在光学平台上使用，以保证整个测量系统中各单元的相对位置精确度。

如图1所示，毫米波段微波极化参数测量系统包括波源单元1、被测单元2、和微波参数检测单元3，其中微波参数检测单元3将测量信号传递给后面的数据处理单元4。

如图2所示，波源单元1包括依次连接的压控振荡器5、倍频器6、波源单元隔离器7、滤波器8、放大器9、可变衰减器10、波纹天线11、透镜13，为了进一步保证交叉极化率，可以在波纹天线11、透镜13之间安装线栅12。

压控振荡器5是一种低功率微波源，其输出的微波由倍频器6倍频到所需频率，之后经过隔离器7，再利用滤波器8将微波滤波后通过放大器9进行放大，在输入到波纹天线11前先通过可变衰减器10，最后微波由透镜13辐射到空间中。

其中，压控振荡器5为20～50GHz或10～18GHz的较低频率波源，微波为基模，水平或垂直线极化；隔离器7的原理是电磁波正向通过它时几乎无衰减，反向通过时衰减很大，以此来保护波源安全；使用可变衰减器10是方便对微波功率大小进行调节；波纹天线11的作用是将线极化基模微波转换为线极化高斯波；透镜13的作用是改变微波束腰大小，使其能够高效耦合到波纹波导中进行传输；线栅12是一种对微波进行极化分离的设备，可以交叉极化抑制度，用以产生高纯度的线极化高斯波束。

如图3所示，被测单元2包括三段波纹波导14(波纹波导a、波纹波导b、波纹波导c)、两个换向波导15(换向波导a、换向波导b)，以及位于换向波导上的极化镜16(极化镜a、极化镜b)。

波纹波导a与波纹波导b垂直，波纹波导b与波纹波导c垂直，即波纹波导a和波纹波导c位于水平方向，波纹波导b位于竖直方向。在波纹波导a与波纹波导b之间安装换向波导a，波纹波导b与波纹波导c安装换向波导b，利用换向波导相互垂直的两边进行换向。同时在每个换向波导15上分别安装极化镜16。

微波由波纹波导a输入，换向波导a和b的作用是改变微波传输方向，分别旋转两面极化镜，改变波纹相对方向，可以获得任意极化方向的微波，最后微波由波纹波导c输出。

如图4所示，微波参数检测单元3包括与上述波纹波导14c输出端连接依次的方波导喇叭天线17和正交模式转换器18，还包括在正交模式转换器18两个输出端依次连接的检测隔离器19(隔离器a、隔离器b)、混频器20(混频器a、混频器b)、检测放大器21(放大器a、放大器b)、滤波器22(滤波器a、滤波器b)、衰减器24(衰减器a、衰减器b)，其中一路输出上的滤波器22和衰减器24之间(如图4中的滤波器a和衰减器a之间)加入移相器23。两路输出都与单片集成电路25的输入端连接，由其检波。

在上述的两路混频器20(混频器a、混频器b)的输入端还分别连接本振源26，使微波经过混频器时分别与本振源26混频，之后输出。

上述的单片集成电路在本实施方式中为芯片AD8302。

微波参数检测单元3的设计基于被测单元2输出微波的特性，通过被测单元的极化器传输后，微波被转换为椭圆极化微波，而椭圆极化微波可以由任意两个互相垂直的极化微波合成，而方波导喇叭天线可以同时接收水平与垂直线极化的微波。

本单元的链路组成为：利用方波导喇叭天线17接收微波，再用正交模式转换器18将微波分为极化方向互相垂直的两束微波，分别经两链路进行传输，微波通过各自链路的隔离器a和隔离器b后，在两束微波链路上分别加入混频器a和混频器b，再将他们分别与本振源26混频，输出方便测量的中频信号，中频输出范围在0.1GHz-1.0GHz，再分别依次经过检测放大器a、检测放大器b，滤波器a、滤波器b，其中一条链路加入移相器23，最后通过衰减器a、衰减器b后由芯片AD8302检波。

在微波参数检测单元3中，两微波链路器件搭建的区别是，其中一条链路中加入了移相器23。加入移相器的原因是，单片集成电路25(芯片AD8302)输出两个信号，一个为两链路微波的相位差，另一个为两链路微波的幅度比，对这两个信号进行数据处理便得到了微波的极化参数；AD8302的相位差曲线存在二值性，只能测量0°到180°或-180°到0°，为使其扩大测量范围，能够测量-180°到180°的信号，其中一个微波链路中加入90°度移相器19。

在微波参数检测单元C中，两条微波链路通过同一个本振源26混频(目的是减少误差来源)。如图5所示的本振源26，包括依次连接的微波功率源27、倍频器28、隔离器29、滤波器30、功分器31、两个低通滤波器32(低通滤波器a、低通滤波器b)分别位于功分器31的两路输出端上。其中两个低通滤波器32(低通滤波器a、低通滤波器b)的输出端分别连接上述的混频器a和混频器b。

图6给出了所有部件连接时的系统示意图，用来清楚的表示各模块之间部件的连接。

为了对单片集成电路25输出信号进行处理，可利用输出数据处理单元4。输出数据处理单元4利用椭圆极化的方式。

椭圆极化可用表征微波极化特性的参数α、β来描述，其中，α为椭圆主轴旋转角度，是椭圆主轴与x轴的夹角；β称为椭圆率，若设椭圆长轴为a、短轴为b，则β＝arc tan(b/a)。

α和β的值可由下式得出：

tan2α＝tan2γcosδ (1)

sin2β＝sin2γsinδ (2)

式中，γ＝tan^-1(|E_y|/|E_x|)，E_x和E_y为两极化波振幅；δ为矢量E_y与E_x之间的相位差，δ＞0为左旋极化，δ＜0为右旋极化；-90°≤α≤90°，-45°≤β≤45°。

由于经过极化器传输后的微波极化参数与极化镜旋转角度一一对应，该软件与极化镜控制机构通信，接收极化镜旋转角度信号，同时实时处理相应的微波极化参数，并将极化镜旋转角度与微波极化参数关系曲线在可视化界面上实时呈现及存储。

整个装置在使用中应特别注意吸波材料的使用，以及微波参数检测单元应远离周围的金属物品，防止微波反射等干扰影响测量结果。

Claims (5)

1.一种毫米波段微波极化参数测量系统，包括依次连接的波源单元（1）、被测单元（2）和微波参数检测单元（3），其特征在于：所述的微波参数检测单元（3）包括方波导喇叭天线（17）和正交模式转换器（18），还包括在正交模式转换器（18）两个输出端分别依次连接的检测隔离器（19）、混频器（20）、放大器（21）、滤波器（22）和衰减器（24），其中一路输出上的滤波器（22）和衰减器（24）之间加入移相器（23），两路输出都与单片集成电路（25）的输入端连接，在上述两个混频器（20）的输入端分别连接本振源（26），使微波经过混频器时分别与本振源（26）混频；

所述的波源单元（1）包括依次连接的压控振荡器（5）、倍频器（6）、波源单元隔离器（7）、滤波器（8）、放大器（9）、可变衰减器（10）、波纹天线（11）、透镜（13）；

所述的被测单元（2）包括三段波纹波导（14）、两个换向波导（15）以及位于换向波导（15）上的极化镜（16）；三段波纹波导（14）即波纹波导a、波纹波导b、波纹波导c，两个换向波导（15）即换向波导a、换向波导b；所述的波纹波导a与波纹波导b垂直，波纹波导b与波纹波导c垂直，换向波导a设于波纹波导a与波纹波导b之间，换向波导b设于波纹波导b与波纹波导c之间。

2.如权利要求1所述的毫米波段微波极化参数测量系统，其特征在于：所述的波纹天线（11）、透镜（13）之间设有线栅（12）。

3.如权利要求1或2所述的毫米波段微波极化参数测量系统，其特征在于：所述的单片集成电路（25）为芯片AD8302。

4.如权利要求1或2所述的毫米波段微波极化参数测量系统，其特征在于：所述的本振源（26）包括依次连接的微波功率源（27）、倍频器（28）、隔离器（29）、滤波器（30）、功分器（31）和两个低通滤波器（32），所述的两个低通滤波器（32）分别位于功分器（31）的两路输出端上，所述的两个低通滤波器（32）输出端分别连接所述的两个混频器（20）的输入端。

5.如权利要求4所述的毫米波段微波极化参数测量系统，其特征在于：所述的微波功率源（27）为低功率微波源VCO。