CN110031808B - 一种在线闭环验证的微波功率模块自检系统 - Google Patents

一种在线闭环验证的微波功率模块自检系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种在线闭环验证的微波功率模块自检系统。该系统包括水冷接头出口、第一温度传感器、数字信号处理模块、水冷接头入口、第二温度传感器、流量传感器、微波功率放大电路、有源检波器、输入电压电流取样模块和第三温度传感器；其中数字信号处理模块通过水冷接头出、入口处的温度数据和水冷接头入口处的流量数据，计算出微波功率模块热耗；通过微波功率放大电路的功率数据，计算出实际射频输出功率；通过输入电压电流取样模块的取样数据，计算出微波功率模块消耗的电功率；根据微波功率模块温度及工作环境，计算自然散热；最后根据计算结果进行微波功率模块的在线闭环验证。本发明提高了微波功率模块自检系统的可靠性和安全性。

Description

一种在线闭环验证的微波功率模块自检系统
技术领域
本发明属于微波技术领域，特别是一种在线闭环验证的微波功率模块自检系统。
背景技术
微波功率模块是电子对抗和雷达领域的关键部件之一，常采用机内自检测(Built-in Test，BIT)技术提高其可靠性，实现模块级的功能和性能自检测、自诊断。
目前的微波功率模块机内自检测系统是针对输入电压电流、输出功率、循环水冷温度流量等数据分别进行检测，对各自的数据给出阈值范围，超过阈值范围则进行故障报警。这种自检系统依赖于自检电路自身的可靠性，若某一自检支路已经故障，但只要反馈的自检数据仍在阈值范围内，则不会上报故障，往往存在故障漏报的情况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以实时判断自检系统的工作状态是否正常，可靠性高、测试性好的在线闭环验证的微波功率模块自检系统。
实现本发明目的的技术解决方案是：一种在线闭环验证的微波功率模块自检系统，包括：
采集水冷接头出口处温度数据的第一温度传感器，
采集水冷接头入口处温度数据的第二温度传感器，
采集水冷接头入口处流量数据的流量传感器，
对微波功率放大电路进行功率耦合自检得到功率数据的有源检波器，
采集微波功率模块温度数据的第三温度传感器，以及
接收温度数据、流量数据、功率数据的数字信号处理模块；
所述数字信号处理模块根据水冷接头出口处的温度数据、水冷接头入口处的温度数据和水冷接头入口处的流量数据，进行冷却系统自检并计算出微波功率模块的热耗；根据对微波功率放大电路进行功率耦合自检得到的功率数据，计算出实际射频输出功率；根据输入电压电流取样模块的取样数据，计算出微波功率模块消耗的电功率；根据微波功率模块的温度及工作环境计算自然散热；最后根据计算结果进行微波功率模块的热耗补充修正和在线闭环验证。
进一步地，所述数字信号处理模块根据水冷接头出口处的温度数据、水冷接头入口处的温度数据和水冷接头入口处的流量数据，进行冷却系统自检并计算出微波功率模块的热耗，具体如下：
根据水冷接头出口处的温度数据T1，水冷接头入口处的温度数据T2，水冷接头入口处的流量数据Q，标准大气压下水的比热容4.2×103J/(kg.℃)，得出微波功率模块单位时间t内通过水冷的热耗PDw为：
PDw＝Q×103×4.2×103×(T1-T2)
式中，使用MKS制，单位为W。
进一步地，所述根据对微波功率放大电路进行功率耦合自检得到的功率数据，计算出实际射频输出功率，具体如下：
设定微波功率放大电路功率耦合自检处的耦合度为G，有源检波器检测到功率为P0，则微波功率模块的射频功率输出P1为：
P1＝P0×G。
进一步地，所述根据输入电压电流取样模块的取样数据，计算出微波功率模块消耗的电功率，具体如下：
设定电压电流取样模块所检测到的电压为V1，所检测到的电流为I1，则微波功率模块的总用电功率输出Pin为：
Pin＝V1×I1。
进一步地，所述根据微波功率模块的温度及工作环境计算自然散热，具体如下：
微波功率模块自然散热热耗为a W，温升为m℃，热阻Z为：
Z＝m/a
单位为℃/W；
设定环境温度为Tc℃，第三温度传感器采集的微波功率模块温度为Tm℃，则计算微波功率模块自然散热所散掉的热耗PDc：
Figure BDA0002023046440000021
进一步地，所述的根据计算结果进行微波功率模块的热耗补充修正和在线闭环验证，具体为：
总热耗与输出功率之和，即功耗∑Ploss为：
∑Ploss＝PDw+P1+PDc
根据能量守恒定律有：
Pin＝PDw+PDc+P1
热耗补充修正和在线闭环验证过程如下：
所述数字信号处理模块首先根据输入电压电流取样模块的输入电压数据和输入电流数据、第三温度传感器采集的微波功率模块处温度数据、流量传感器采集的水冷接头入口处流量数据、第二温度传感器采集的水冷接头入口处温度数据、第一温度传感器采集的水冷接头出口处温度数据、有源检波器对微波功率放大电路进行功率耦合自检得到功率数据，依次判断上述数据是否在正常阈值范围；
然后根据微波功率模块热耗与射频输出功率之和等于电功率，对自检系统所测量的7个自检数据进行判断，在自检误差范围内符合上述能量守恒定律表达式则确定自检系统数据正常，若不符合则至少有一路自检数据出现故障，完成在线闭环验证。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)实现了微波功率模块自检系统的在线闭环验证，可以实时判断自检系统的工作状态是否正常；(2)通过对自检数据的相关判断完成了自检系统的在线闭环验证，从而提高了系统的可靠性；(3)降低了测试故障的漏报概率，提高了系统的安全性。
附图说明
图1是本发明在线闭环验证的微波功率模块自检系统的结构框图。
图2是本发明微波功率模块温升与自然散热热耗的关系曲线图。
图3是本发明实施例中微波功率模块自检系统的软件判断流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1，本发明在线闭环验证的微波功率模块自检系统，包括采集水冷接头出口2处温度数据的第一温度传感器3，
采集水冷接头入口5处温度数据的第二温度传感器6，
采集水冷接头入口5处流量数据的流量传感器7，
对微波功率放大电路8进行功率耦合自检得到功率数据的有源检波器9，
采集微波功率模块1温度数据的第三温度传感器11，以及
接收温度数据、流量数据、功率数据的数字信号处理模块4；
所述数字信号处理模块4根据水冷接头出口2处的温度数据、水冷接头入口5处的温度数据和水冷接头入口5处的流量数据，进行冷却系统自检并计算出微波功率模块1的热耗；根据对微波功率放大电路8进行功率耦合自检得到的功率数据，计算出实际射频输出功率；根据输入电压电流取样模块10的取样数据，计算出微波功率模块1消耗的电功率；根据微波功率模块1的温度及工作环境计算自然散热；最后根据计算结果进行微波功率模块1的热耗补充修正和在线闭环验证。
进一步地，所述数字信号处理模块4根据水冷接头出口2处的温度数据、水冷接头入口5处的温度数据和水冷接头入口5处的流量数据，进行冷却系统自检并计算出微波功率模块1的热耗，具体如下：
根据水冷接头出口2处的温度数据T1，水冷接头入口5处的温度数据T2，水冷接头入口5处的流量数据Q，标准大气压下水的比热容4.2×103J/kg.℃，得出微波功率模块1单位时间t内通过水冷的热耗PDw为：
PDw＝Q×103×4.2×103×(T1-T2)
式中，使用MKS制，单位为W。
进一步地，所述根据对微波功率放大电路8进行功率耦合自检得到的功率数据，计算出实际射频输出功率，具体如下：
设定微波功率放大电路8功率耦合自检处的耦合度为G，有源检波器9检测到功率为P0，则微波功率模块1的射频功率输出P1为：
P1＝P0×G
进一步地，所述根据输入电压电流取样模块10的取样数据，计算出微波功率模块1消耗的电功率，具体如下：
设定电压电流取样模块10所检测到的电压为V1，所检测到的电流为I1，则微波功率模块1的总用电功率输出Pin为：
Pin＝V1×I1
进一步地，所述根据微波功率模块1的温度及工作环境计算自然散热，具体如下：
结合图2，微波功率模块1自然散热热耗为a W，温升为m℃，热阻Z为：
Z＝m/a
单位为℃/W；
设定环境温度为Tc℃，第三温度传感器11采集的微波功率模块1温度为Tm℃，则计算微波功率模块1自然散热所散掉的热耗PDc：
Figure BDA0002023046440000051
进一步地，所述的根据计算结果进行微波功率模块1的热耗补充修正和在线闭环验证，具体为：
总热耗与输出功率之和，即功耗∑Ploss为：
∑Ploss＝PDw+P1+PDc
根据能量守恒定律有：
Pin＝PDw+PDc+P1
热耗补充修正和在线闭环验证过程如下：
所述数字信号处理模块4首先根据输入电压电流取样模块10的输入电压数据和输入电流数据、第三温度传感器11采集的微波功率模块1处温度数据、流量传感器7采集的水冷接头入口5处流量数据、第二温度传感器6采集的水冷接头入口5处温度数据、第一温度传感器3采集的水冷接头出口2处温度数据、有源检波器9对微波功率放大电路8进行功率耦合自检得到功率数据，依次判断上述数据是否在正常阈值范围；
然后根据微波功率模块1热耗与射频输出功率之和等于电功率，对自检系统所测量的7个自检数据进行判断，在自检误差范围内符合上述能量守恒定律表达式则确定自检系统数据正常，若不符合则至少有一路自检数据出现故障，完成在线闭环验证。
实施例1
在具体工程实例中，自检数据会因传感器等引起相应误差，需要对自检系统的数据误差进行分析。
在本实施例中，数字信号处理模块4为TMS320C2812，其内置16通道12位ADC，ADC采样误差为：
Figure BDA0002023046440000052
ADC采样误差可忽略，即电压电流测量的误差在进行误差分析时忽略不计；
第一温度传感器3、第二温度传感器6、第三温度传感器11以TI公司的LM35型号传感器为例分析，温度测量误差为0.5℃(25℃时)；
以X波段窄带耦合自检及有源检波器9精度为例，约为±0.5dB；
进行误差分析时，以两种误差累积情况作为在线闭环验证判断策略的上限下限；
A情况，第一温度传感器3测量误差偏大且为最大误差(T1+0.5)，第二温度传感器6测量误差偏小且为最大误差(T2-0.5)，第三温度传感器测量误差偏大且为最大误差(Tm+0.5)，耦合自检及有源检波器9测量偏大且为最大误差，此时累积的热耗及输出射频功率为偏大情况下的误差最大累积，即：
PDw′＝Q×103×4.2×103×(T1+1-T2)
Figure BDA0002023046440000061
P1′＝P0×G×100.5
A情况下总的计算功耗：
∑P′loss＝P1′+PDc′+PDw′
令：
Figure BDA0002023046440000062
B情况，第一温度传感器3测量误差偏小且为最大误差(T1-0.5)，第二温度传感器6测量误差偏大且为最大误差(T2+0.5)，第三温度传感器测量误差偏小且为最大误差(Tm-0.5)，耦合自检及有源检波器9测量偏小且为最大误差，此时累积的热耗及输出射频功率为偏小情况下的误差最大累积，即：
PDw″＝Q×103×4.2×103×(T1-1-T2)
Figure BDA0002023046440000063
P1″＝P0×G×10-0.5
A情况下总的计算功耗：
∑P″loss＝P1″+PDc″+PDw″
令：
Figure BDA0002023046440000064
则考虑误差累积之后的判断策略应为：
ηPin≤∑Ploss≤εPin
上式数据均为测量值。
如图3所示，是本发明的微波功率模块自检系统的软件判断流程图，首先根据输入电压电流取样模块10的输入电压、输入电流数据、第三温度传感器11采集的模块温度、流量传感器7采集的流量数据、第二温度传感器6采集的水冷接头入口5水温度、第一温度传感器3采集的水冷接头出口2水温度水、耦合自检功率7个自检数据依次判断是否在正常阈值范围，判断顺序根据故障发生后可能引起的故障面和严重性由大到小进行排序。
最后根据前文分析的考虑误差累积之后的判断策略进行判断，完成了自检系统的在线闭环验证。

Claims (1)

1.一种在线闭环验证的微波功率模块自检系统，其特征在于，包括：
采集水冷接头出口(2)处温度数据的第一温度传感器(3)，
采集水冷接头入口(5)处温度数据的第二温度传感器(6)，
采集水冷接头入口(5)处流量数据的流量传感器(7)，
对微波功率放大电路(8)进行功率耦合自检得到功率数据的有源检波器(9)，
采集微波功率模块(1)温度数据的第三温度传感器(11)，以及
接收温度数据、流量数据、功率数据的数字信号处理模块(4)；
所述数字信号处理模块(4)根据水冷接头出口(2)处的温度数据、水冷接头入口(5)处的温度数据和水冷接头入口(5)处的流量数据，进行冷却系统自检并计算出微波功率模块(1)的热耗；根据对微波功率放大电路(8)进行功率耦合自检得到的功率数据，计算出实际射频输出功率；根据输入电压电流取样模块(10)的取样数据，计算出微波功率模块(1)消耗的电功率；根据微波功率模块(1)的温度及工作环境计算自然散热；最后根据计算结果进行微波功率模块(1)的热耗补充修正和在线闭环验证；
所述数字信号处理模块(4)根据水冷接头出口(2)处的温度数据、水冷接头入口(5)处的温度数据和水冷接头入口(5)处的流量数据，进行冷却系统自检并计算出微波功率模块(1)的热耗，具体如下：
根据水冷接头出口(2)处的温度数据T1，水冷接头入口(5)处的温度数据T2，水冷接头入口(5)处的流量数据Q，标准大气压下水的比热容4.2×103J/(kg.℃)，得出微波功率模块(1)单位时间t内通过水冷的热耗PDw为：
PDw＝Q×103×4.2×103×(T1-T2)
式中，使用MKS制，单位为W；
所述根据对微波功率放大电路(8)进行功率耦合自检得到的功率数据，计算出实际射频输出功率，具体如下：
设定微波功率放大电路(8)功率耦合自检处的耦合度为G，有源检波器(9)检测到功率为P0，则微波功率模块(1)的射频功率输出P1为：
P1＝P0×G
所述根据输入电压电流取样模块(10)的取样数据，计算出微波功率模块(1)消耗的电功率，具体如下：
设定电压电流取样模块(10)所检测到的电压为V1，所检测到的电流为I1，则微波功率模块(1)的总用电功率输出Pin为：
Pin＝V1×I1
所述根据微波功率模块(1)的温度及工作环境计算自然散热，具体如下：
微波功率模块(1)自然散热热耗为a W，温升为m℃，热阻Z为：
Z＝m/a
单位为℃/W；
设定环境温度为Tc℃，第三温度传感器(11)采集的微波功率模块(1)温度为Tm℃，则计算微波功率模块(1)自然散热所散掉的热耗PDc：
Figure FDA0002814893010000021
所述的根据计算结果进行微波功率模块(1)的热耗补充修正和在线闭环验证，具体为：
总热耗与输出功率之和，即功耗∑Ploss为：
∑Ploss＝PDw+P1+PDc
根据能量守恒定律有：
Pin＝PDw+PDc+P1
热耗补充修正和在线闭环验证过程如下：
所述数字信号处理模块(4)首先根据输入电压电流取样模块(10)的输入电压数据和输入电流数据、第三温度传感器(11)采集的微波功率模块(1)处温度数据、流量传感器(7)采集的水冷接头入口(5)处流量数据、第二温度传感器(6)采集的水冷接头入口(5)处温度数据、第一温度传感器(3)采集的水冷接头出口(2)处温度数据、有源检波器(9)对微波功率放大电路(8)进行功率耦合自检得到功率数据，依次判断上述数据是否在正常阈值范围；
然后根据微波功率模块(1)热耗与射频输出功率之和等于电功率，对自检系统所测量的7个自检数据进行判断，在自检误差范围内符合上述能量守恒定律表达式则确定自检系统数据正常，若不符合则至少有一路自检数据出现故障，完成在线闭环验证。
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