CN110333391B - 一种可在线校正测量电缆相位漂移的微波相位测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可在线校正测量电缆相位漂移的微波相位测量系统，包括：脉冲产生模块，其包括一对射频开关，用于产生一个工作脉冲和一个校正脉冲，两个脉冲在时间上相互错开；脉冲传输模块，其包括环形器和定向耦合器，用于使所述校正脉冲遍历测量电缆；信号采集与处理模块，用于先后采集所述校正脉冲与所述工作脉冲信号，通过对测量数据的处理，得到微波脉冲信号的相位。本发明可以消除测量电缆的相位漂移所致的相位测量误差。

Description

一种可在线校正测量电缆相位漂移的微波相位测量系统

技术领域

本发明属于微波测量技术领域，具体涉及一种可在线校正测量电缆相 位漂移的微波相位测量系统。

背景技术

在微波系统中，为了监测某工作点的幅相信息，常采用定向耦合器从 该处耦合出少量功率，并通过连接电缆传递到信号采集和处理器中。对于 某些规模较大的微波系统如大型加速器，测量点与采集处理器相距较远， 连接电缆很长。如果电缆通过区域的环境温度不恒定，温度变化会改变电 缆的传输相位(温漂相移)，产生相位测量误差。常规解决方法是提高环 境温度的稳定性或对测量电缆实施恒温处理，但是这些方法不容易实施， 且实施成本较高。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明的目的在于提供一种可在线校正测量电缆 相位漂移的微波相位测量系统，用于消除测量电缆的相位漂移所致的相位 测量误差。

为了达到上述目的，本发明所采取的技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供了一种可在线校正测量电缆相位漂移的 微波相位测量系统，包括：

脉冲产生模块，其包括一对射频开关，用于产生一个工作脉冲和一个 校正脉冲，两个脉冲在时间上相互错开；

脉冲传输模块，其包括环形器和定向耦合器，用于使校正脉冲遍历测 量电缆；

信号采集与处理模块，用于先后采集校正脉冲与工作脉冲信号，通过 对测量数据的处理，得到微波脉冲信号的相位。

在本发明的某些实施例中，微波相位测量系统还包括功分器，其中，

信号源后接入功分器，产生两路信号，分别馈入射频开关A和射频开 关B，射频开关A输出的A脉冲和射频开关B输出的B脉冲在时间上相 互错开，A脉冲用于微波系统工作，B脉冲用于校正测量电缆的相位漂移。

在本发明的某些实施例中，环形器包括三个端口，分别为第一端口、 第二端口以及第三端口；测量电缆包括反向测量电缆和正向测量电缆；定 向耦合器安装在需要测量相位处；微波系统的输入端与射频开关A连接， 输出端与定向耦合器连接，定向耦合器还与后续系统连接，后续系统会反 射工作脉冲；其中，

第一端口连接射频开关B的输出端，第二端口连接反向测量电缆的一 端，第三端口连接信号采集与处理模块的反向信号测量接收端；

反向测量电缆的另一端、正向测量电缆的一端分别与定向耦合器的正、 反向耦合输出端连接，正向测量电缆的另一端连接信号采集与处理模块的 正向信号测量接收端。

在本发明的某些实施例中，反向测量电缆与正向测量电缆具有相同长 度。

在本发明的某些实施例中，信号采集与处理模块利用下述公式可以得 到消除测量电缆相位漂移的待测系统的真实相位。

其中

是A脉冲相对于参考信号的相位差，

是B脉冲相对于 参考信号的相位差，

是A脉冲相对于参考信号的真实相位差，

是A 脉冲的反射信号相对于参考信号的真实相位差，

是反射信号相对于参 考信号的相位差。

在本发明的某些实施例中，采用数字低电平控制系统代替射频开关A 和信号采集与处理模块，将微波相位测量系统用于同步辐射加速器中。

在本发明的某些实施例中，环形器和射频开关B集成在脉冲阵列机箱 内。

从上述技术方案可以看出，本发明可在线校正测量电缆相位漂移的微 波相位测量系统至少具有以下有益效果：消除测量电缆的相位漂移对相位 测量的影响。如果误差没有消除，经过闭环等一系列控制，会影响加速器 的加速管中的真实相位，导致能量降低和分散，甚至无法注入。

附图说明

图1为本发明实施例微波相位测量系统的结构示意图。

图2为本发明实施例微波相位测量系统的具体应用的结构示意图。

图3为本发明实施例采用脉冲阵列机箱来集成环形器和射频开关B的 原理示意图。

图4为本发明实施例脉冲阵列机箱的外部结构示意图。

【主要元件】

1-信号源；

2-功分器；

A,B-射频开关；

3-环形器；

31-第一端口；

32-第二端口；

33-第三端口；

4-信号采集与处理模块；

5-待测微波系统；

6-反向测量电缆；

7-正向测量电缆；

8-定向耦合器；

9-后续系统；

10-数字低电平控制系统。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

在本发明实施例中，提供了一种可在线校正测量电缆相位漂移的微波 相位测量系统。如图1所示，本发明可在线校正测量电缆相位漂移的微波 相位测量系统包括：信号源1、功分器2、射频开关A、射频开关B、环 形器3、信号采集与处理模块4，微波系统5、反向测量电缆6、正向测量 电缆7、定向耦合器8、后续系统9。

信号源1后接入功分器2，产生两路信号，分别馈入射频开关A和射 频开关B。射频开关B的脉冲控制信号相对于射频开关A有时间延迟(也 可超前)，因此射频开关A输出的A脉冲和射频开关B输出的B脉冲在时 间上相互错开，其中，A脉冲用于微波系统工作，B脉冲用于校正测量电 缆的相位漂移。

环形器3为三端口环形器，即环形器3包括三个端口，分别为第一端 口31、第二端口32以及第三端口33。第一端口31连接射频开关B的输 出端，第二端口32连接反向测量电缆6的一端，第三端口33连接信号采 集与处理模块4的反向信号测量接收端。环形器3具有以下特性：信号从 第一端口31输入，则从第二端口32输出；从第二端口32输入，则从第 三端口33输出；从第三端口33输入，则从第一端口31输出。

定向耦合器8安装在微波系统5的测量点上(需要测量相位处)，反 向测量电缆6的另一端、正向测量电缆7的一端与定向耦合器8的正、反 向耦合输出端连接，正向测量电缆7的另一端连接信号采集与处理模块4 的正向信号测量接收端。

反向测量电缆6与正向测量电缆7具有相同长度。微波系统5的输入 端端与射频开关A连接，输出端与定向耦合器8连接，定向耦合器8还与 后续系统9(例如加速管)连接。

A脉冲经过微波系统5放大后，从定向耦合器8的正向耦合输出端输 出，经过正向测量电缆7后，送入信号采集与处理模块4。在该模块中， 测量并计算A脉冲相对于参考信号的相位差，该相位差记为

B脉冲经环形器3后输入定向耦合器8的反向耦合输出端。由于定向 耦合器8的结构特性，该脉冲信号会通过另一个耦合输出端(正向耦合输 出端)输出，然后送入信号采集与处理模块4中，遍历了反向测量电缆和 正向测量电缆。测量并计算B脉冲相对于参考信号的相位差，该相位差记 为

记反向测量电缆6、正向测量电缆7的固有相位为

待测信号(A 脉冲)相对于参考信号的真实相位差为

将上述测量值

和

通 过下述公式进行处理，消去

直接得到

在这里已经忽略掉信号在 电缆上传输的产生的随机相位差。

A脉冲通过微波系统5到加速管时，会产生反射，反射脉冲信号从加 速管过来后通过定向耦合器8的反向耦合输出端输出，经过反向测量电缆 6后，传输至信号采集与处理模块4的反向信号测量接收端。

测量反射信号相位差

时采用同样的方法消去

公式如下：

为 从定向耦合器反射端输出的反射信号相对于参考信号的相位差，

为反射 信号相对于参考信号的真实相位差。

在同步辐射加速器的应用环境下，把数字低电平控制系统10(LLRF) 作为信号采集与处理模块4，并且LLRF10可以直接输出脉冲波，也就是 用于微波系统工作的A脉冲，相当于包括了图1中的射频开关A，如图2 所示。该系统是高频微波系统中非常重要的一部分，其目的在于稳定加速 结构中加速场的幅度和相位。加速管中束团会对电场有扰动，如果没有该 LLRF，下一个束团见到的电场就会有所偏差，导致电子束的能量、能量 稳定度、流强、束团横向尺寸、纵向长度等属性有扰动，影响电子束品质。 根据物理设计，高频加速内电场频率为2856Mhz，加速梯度一般在10MV/m 甚至更高，无法直接控制，只有在其脉冲信号的低电平阶段进行控制，所 以称为数字低电平控制系统10。对于如此高的频率，本发明采用下变频的 方法，将其搬移到满足ADC采样速率的频率，为26.44Mhz。

为了可以直接得出测量信号的相位和幅度，采取IQ解调与调制。用 四倍频的时钟(105.78Mhz)的ADC采样26.44Mhz信号，根据整数倍采 样公式易得到I和Q(即M＝4，N＝1)：

Mf_RF＝Nf_SF

得到IQ值以后根据以下公式即可得到信号的相位和幅度。

φ＝arctan(Q/I)。

其中，M、N为正整数，并且M大于3，f_RF为输入信号频率，f_SF为ADC 采样信号频率，A为信号的相位，φ为信号的相位。

数字低电平控制系统10测量得到信号的幅度和相位之后，与先前人 为设定值作差，得出误差值，把误差取反加入输出中，形成负反馈来抑制 相位和幅度的变化，即为负反馈算法，也就是说，如果测量得到的幅度大 了，则控制输出小一点，如果测量得到的幅度小了，则控制输出大一点， 由此来保证测量点幅度不变。

在实际测量环境中，加速管(后续系统9)距离数字低电平控制系统 10非常远，需要电缆横跨几个房间，不同温度环境下信号在电缆中传输， 信号相位由此产生的漂移会极大地影响数字低电平系统10的负反馈环路， 温度漂移带来的相位误差缓慢累积，无法测量，经常性影响光源注入，严 重时会导致光源故障，所以消除掉电缆温度漂移是必要的。

数字低电平控制系统10采用MTCA机箱，sis8300L板卡做为数据采 集卡，DWC8VM1板卡作为下变频射频板卡，下变频板卡有8路可变衰减 下变频通道与2路直流通道，连接数字采集板卡的10路ADC通道，分为 CH1—CH10。数字低电平控制系统10只需输入连续波即可生成脉冲信号， 无需用RF开关。输出时的调制使用到IQ矢量调制器，需要数字采集卡的 两路DAC得到IQ两路的电压值，与来自信号源的参考信号调制得到实际 输出，该输出为A脉冲。

微波系统5由固态放大器和速调管组成，A脉冲通过这两个模块后被 放大至高电压，速调管输出后，通过波导输入高频加速管，用以电子的加 速。定向耦合器8连接在速调管输出端，作为负反馈环路的闭环点。其正 向功率口(正向耦合输出端)即是速调管输出的耦合信号，反向功率口(反 向耦合输出端)是来自加速管的反射信号。等长的电缆一般是在同一线扎 中，确保在同样的环境下产生同样的相位温度漂移，正向接入数字低电平 控制系统10的CH1，反向接入环形器3的第二端口32。环形器3尽量靠 近数字低电平控制系统10和射频开关B，第三端口33口连接CH2，这段 电缆尽可能短，放在同一个机箱中，相对于等长的长电缆可以忽略不计。

如图3所示，采用脉冲阵列机箱来集成环形器3和射频开关B，图3 所示为其原理图。该模块可以输入2856Mhz连续波，TTL电平的触发脉 冲，在经过LNA(低噪声放大器)与射频开关B之后，接有环形器3，输 出2856Mhz脉冲与反射信号，因为需要给多个微波系统5提供脉冲，所以 功分十路输出。其中，图3中低噪声放大器后面的射频开关是为了得到图 1、2中的信号源1的连续波而设置的。如图4为脉冲阵列机箱实物图。

数字采集卡的数字信号处理芯片为FPGA-Virtex6，能够编程各种数字 逻辑，包括IQ解调，负反馈算法等。通过FPGA计算出A、B脉冲的相 位并且根据以下公式编写算法得到正向真实相位差。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本 领域技术人员应当对本发明可在线校正测量电缆相位漂移的微波相位测 量系统有了清楚的认识。本发明针对脉冲工作的微波系统，提供一种简单 的解决方法。该方法可以在线实时测量连接电缆的相位变化，并在测量得 到工作点的相位中通过数据处理消除电缆相位漂移得到真实相位。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式， 均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外， 上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形 状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数 无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于 相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、 “右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。此外， 除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所 列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及 可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同 实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备 固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的 描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本发明也不针对 任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本 发明的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本发明的最佳实 施方式。

再者，说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第 三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意含及代表该元件有任何 的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序， 该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名 的元件能作出清楚区分。

应注意，贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在 以下描述中，一些具体实施例仅用于描述目的，而不应该理解为对本发明 有任何限制，而只是本发明实施例的示例。在可能导致对本发明的理解造 成混淆时，将省略常规结构或构造。应注意，图中各部件的形状和尺寸不 反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而 已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种可在线校正测量电缆相位漂移的微波相位测量系统，其特征在于，包括：

脉冲产生模块，其包括一对射频开关，用于产生一个工作脉冲和一个校正脉冲，两个脉冲在时间上相互错开；

脉冲传输模块，其包括环形器和定向耦合器，用于使所述校正脉冲遍历测量电缆；

信号采集与处理模块，用于先后采集所述校正脉冲与所述工作脉冲信号，校正脉冲与参考信号得到相位差，工作脉冲信号与参考信号得到相位差，根据相位差得到微波脉冲信号的相位；

其中，所述环形器包括三个端口，分别为第一端口、第二端口以及第三端口；所述测量电缆包括反向测量电缆和正向测量电缆；所述定向耦合器安装在需要测量相位处；所述微波系统的输入端与所述射频开关A连接，输出端与所述定向耦合器连接，所述定向耦合器还与后续系统连接，所述后续系统会反射工作脉冲；其中，

所述第一端口连接所述射频开关B的输出端，所述第二端口连接所述反向测量电缆的一端，所述第三端口连接所述信号采集与处理模块的反向信号测量接收端；

所述反向测量电缆的另一端、所述正向测量电缆的一端分别与所述定向耦合器的正、反向耦合输出端连接，所述正向测量电缆的另一端连接所述信号采集与处理模块的正向信号测量接收端。

2.根据权利要求1所述的微波相位测量系统，其特征在于，还包括功分器，其中，

信号源后接入所述功分器，产生两路信号，分别馈入射频开关A和射频开关B，所述射频开关A输出的A脉冲和所述射频开关B输出的B脉冲在时间上相互错开，所述A脉冲用于微波系统工作，所述B脉冲用于校正测量电缆的相位漂移。

3.根据权利要求2所述的微波相位测量系统，其特征在于，所述反向测量电缆与正向测量电缆具有相同长度。

4.根据权利要求3所述的微波相位测量系统，其特征在于，所述信号采集与处理模块利用下述公式可以得到消除测量电缆相位漂移的待测系统的真实相位：

其中

是所述A脉冲相对于参考信号的相位差，

是所述B脉冲相对于参考信号的相位差，

是所述A脉冲相对于参考信号的真实相位差，

是所述A脉冲的反射信号相对于参考信号的真实相位差，

是反射信号相对于参考信号的相位差。

5.根据权利要求2-4任一项所述的微波相位测量系统，其特征在于，采用数字低电平控制系统代替所述射频开关A和所述信号采集与处理模块，将所述微波相位测量系统用于同步辐射加速器中。

6.根据权利要求2-4任一项所述的微波相位测量系统，其特征在于，所述环形器和射频开关B集成在脉冲阵列机箱内。

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