CN111044834B - 高功率下功率耦合器与高频腔之间的耦合度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高功率下功率耦合器与高频腔之间的耦合度测量方法，先在耦合孔处发生全反射的情况下测量定向耦合器的反射功率和前向功率，并计算从功率计位置至耦合孔处功率的衰减系数；然后在耦合孔处反射功率最小的情况下测量定向耦合器的前向功率和反射功率，并采集高频腔的场幅衰减曲线和相位角衰减曲线，计算出高频腔入口反射系数的幅度值；最后计算高功率下功率耦合器与高频腔之间的耦合度。本发明可实现在高功率下实时测量和计算功率耦合器与高频腔之间的耦合度，便于用户监测耦合度的变化，也便于后续评估高频腔长时间运行后耦合度的偏移量等参数。
Description
技术领域
本发明涉及高频腔耦合度测量技术领域，特别涉及一种高功率下功率耦合器与高频腔之间的耦合度测量方法。
背景技术
一般情况下，功率耦合器与高频腔的耦合度在低功率下可直接测得，但是考虑到高功率下，高频腔的腔体和功率耦合器会发热导致局部变形，可能会引起两者之间耦合度产生变化；同时，高频腔运行一段时间后，耦合口处的打火也可能造成耦合度发生变化。
目前，在本领域内并无在高功率下直接测量功率耦合器与高频腔之间耦合度的相关技术公开，传统的做法是：在高频腔运行一段时间后，拆除附属设备后在低功率的情况下进行耦合度测量，该测量方式虽然简单，但是其测量结果并不准确，因为低功率下高频腔腔体与功率耦合器的状态与运行时不同，同时，测量过程会对高频腔的真空度造成破坏，附属设备的拆除和真空度的破坏不仅会造成测量效率低下的问题，还会带来重新恢复难以到位、影响高频腔后续正常使用的风险。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高功率下功率耦合器与高频腔之间的耦合度测量方法，该方法可实现在高功率下实时测量和计算功率耦合器与高频腔之间的耦合度，便于用户监测耦合度的变化，也便于后续评估高频腔长时间运行后耦合度的偏移量等参数。
本发明的技术方案为：一种高功率下功率耦合器与高频腔之间的耦合度测量方法，先在耦合孔处发生全反射的情况下测量定向耦合器的反射功率和前向功率，并计算从功率计位置至耦合孔处功率的衰减系数；然后在耦合孔处反射功率最小的情况下测量定向耦合器的前向功率和反射功率，并采集高频腔的场幅衰减曲线和相位角衰减曲线，计算出高频腔入口反射系数的幅度值；最后计算高功率下功率耦合器与高频腔之间的耦合度。
上述耦合度测量方法的具体过程包括以下步骤：
S1：调节高频腔上的可动调谐器，使功率在耦合孔处发生全反射，此时通过功率计测量定向耦合器的前向功率Pf和反射功率Pr，假设从功率计位置至耦合孔处功率的衰减系数为α，则存在公式(1)的关系，
Pr＝Pf(1-α)2 (1)
即通过公式(2)计算出衰减系数为α；
S2：假设功率源频率为f0，调节高频腔上的可动调谐器，使功率在耦合孔处的反射功率达到最小，此时通过功率计测量定向耦合器的前向功率Pf’和反射功率Pr’；
通过耦合环采集高频腔的场幅衰减曲线和相位角衰减曲线，从而得到高频腔的场幅信号和相位角信号，在时间点t1采集到的场幅信号为A1、相位角信号为θ1，在时间点t2采集到的场幅信号为A2、相位角信号为θ2；
然后利用两个时间点之间的场幅信号，通过公式(3)计算高频腔的有载品质因子QL；利用两个时间点之间的相位角信号，通过公式(4)计算高频腔的频率偏移量δf’，
S3：通过公式(5)计算δ(ω)，δ(ω)表示两倍的高频腔实际谐振频率与理想谐振频率差值δf与理想频率f0的比值，
公式(5)中，ω为高频腔实际谐振频率对应的角频率，可通过公式ω＝2π(f0+δf)计算获得，ω0为高频腔理想谐振频率对应的角频率，可通过公式ω＝2πf0计算获得；需指出的是，高频实际谐振频率与理想谐振频率差值很小，可用公式(5)近似计算得到δ(ω)，δ(ω)大小一般在0.1％量级；
然后通过公式(6)计算高功率下功率耦合器与高频腔之间的耦合度β，
公式(6)中，|Γ(ω)|表示高频腔入口反射系数的幅度值，i为虚数单位。
上述计算过程，可采用人工计算实现，也可通过测量装置外接相应控制器所带有的程序自动计算实现。
所述功率计包括分别安装于定向耦合器上的测前向功率计和测反射功率计，定向耦合器的前向功率由测前向功率计测量得到，定向耦合器的反射功率由测反射功率计测量得到。
所述耦合孔为开设于功率耦合器上的通孔，通过耦合孔实现功率耦合器与高频腔之间的功率传输。
所述可动调谐器是让高频腔局部产生体积改变而实现改变腔体谐振频率的器件。
所述步骤S1中，功率在耦合孔处发生全反射时，高频腔的谐振频率与功率源的频率之差δf远小于功率源的频率f0，即δf<<f0；
所述步骤S2中，功率在耦合孔处的反射功率达到最小时，高频腔的谐振频率与功率源的频率发生谐振；
所述步骤S2中，高频腔的频率偏移量δf’是高频腔的实际谐振频率与理想谐振频率之差。
用于实现耦合度测量方法的装置包括依次连接的功率源、环形器、定向耦合器、功率耦合器和高频腔，其中，功率源与环形器之间、环形器与定向耦合器之间以及定向耦合器与功率耦合器之间均通过波导传输线进行连接；环形器上还设有吸收负载，高频腔还设有耦合环，定向耦合器上还设有测反射功率计和测前向功率计。该装置结构中，定向耦合器类似于变压器，其主要功能是将高微波功率取出小部分供测反射功率计和测前向功率计测量用；功率耦合器的主要功能是将波导传输线的功率传输至高频腔中。耦合环主要用于获取高频腔的场幅衰减曲线和相位角衰减曲线，其具体结构与传统耦合环相同。
作为一种优选方案，所述功率源为324MHz的束调管，工作频率带宽为±1MHz，根据测量装置的实际需要，也可选择其他工作频率的束调管作为功率源。
作为一种优选方案，所述环形器为324MHz的高频环形器，工作频率带宽为±3.24MHz，根据测量装置的实际需要，也可选择其他工作频率的高频环形器。
作为一种优选方案，所述定向耦合器为324MHz的定向耦合器，工作频率带宽大于±1MHz，根据测量装置的实际需要，也可选择其他工作频率的定向耦合器。
作为一种优选方案，所述功率耦合器为设计工作于324MHz的功率耦合器，工作频率带宽为±10MHz，根据测量装置的实际需要，也可选择其他工作频率的功率耦合器。
作为一种优选方案，所述高频腔为谐振频率324MHz漂移管直线加速腔，但不限于324MHz工作频率，根据测量装置的实际需要，也可选择其他工作频率的漂移管直线加速腔或其他类型高频腔。
作为一种优选方案，所述功率传输线为WR2300型号的方波导传输线，根据测量装置的实际需要，也可根据工作频率选择其他符合标准规格的波导传输线。
上述高功率下功率耦合器与高频腔之间的耦合度测量方法的原理是：在不拆除高频腔附属设备、不破坏高频腔真空度的前提下，通过测量耦合孔处发生全反射的情况下定向耦合器的反射功率和前向功率来计算衰减系数，采集高频腔的场幅衰减曲线和相位角衰减曲线来计算出高频腔入口反射系数的幅度值，同时测量耦合孔处反射功率最小的情况下定向耦合器的前向功率和反射功率，再计算高功率下功率耦合器与高频腔之间的耦合度，从而实现功率耦合器与高频腔之间耦合度的在线测量，便于评估高频腔运行过程中功率耦合器与高频腔之间耦合度的变化。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
本高功率下功率耦合器与高频腔之间的耦合度测量方法原理简单，可实现在不拆除高频腔附属设备、不破坏高频腔真空度的前提下，实时检验高频腔运行过程中耦合度的变化。相比传统的低功率下测量方法，本高功率下功率耦合器与高频腔之间的耦合度测量方法应用时，无需关掉功率源、无需拆除高频腔相关设备、无需破坏高频腔的真空状态，即可在线评估功率耦合器与高频腔之间耦合度的变化，大大提高了测量效率，也避免了设备反复拆装和真空破坏重新恢复不到位的风险。
附图说明
图1为耦合环采集的高频腔场幅衰减曲线示意图，图中横坐标Data Count代表时间，计量单位为微秒，纵坐标Amp代表所采集的场幅信号的强度信息，无计量单位。
图2为耦合环采集的高频腔相位角衰减曲线示意图，图中横坐标Data Count代表时间，计量单位为微秒，纵坐标Amp代表所采集的相位角信号强度信息，计量单位为度。
图3为用于实现高功率下功率耦合器与高频腔之间的耦合度测量方法的装置原理图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例一种高功率下功率耦合器与高频腔之间的耦合度测量方法，先在耦合孔处发生全反射的情况下测量定向耦合器的反射功率和前向功率，并计算从功率计位置至耦合孔处功率的衰减系数；然后在耦合孔处反射功率最小的情况下测量定向耦合器的前向功率和反射功率，并采集高频腔的场幅衰减曲线和相位角衰减曲线，计算出高频腔入口反射系数的幅度值；最后计算高功率下功率耦合器与高频腔之间的耦合度。
使用该耦合度测量方法进行实时测量时，其具体过程如下：
S1：调节高频腔上的可动调谐器，使功率在耦合孔处发生全反射，此时通过功率计测量定向耦合器的前向功率Pf和反射功率Pr，假设从功率计位置至耦合孔处功率的衰减系数为α，则存在公式(1)的关系，
Pr＝Pf(1-α)2 (1)
即通过公式(2)计算出衰减系数为α；
S2：假设功率源频率为f0，调节高频腔上的可动调谐器，使功率在耦合孔处的反射功率达到最小，此时通过功率计测量定向耦合器的前向功率Pf’和反射功率Pr’；
通过耦合环采集高频腔的场幅衰减曲线和相位角衰减曲线(如图1和图2所示)，从而得到高频腔的场幅信号和相位角信号，在时间点t1采集到的场幅信号为A1、相位角信号为θ1，在时间点t2采集到的场幅信号为A2、相位角信号为θ2；
然后利用两个时间点之间的场幅信号，通过公式(3)计算高频腔的有载品质因子QL；利用两个时间点之间的相位角信号，通过公式(4)计算高频腔的频率偏移量δf’，
S3：通过公式(5)计算δ(ω)，δ(ω)表示两倍的高频腔实际谐振频率与理想谐振频率差值δf与理想频率f0的比值，
公式(5)中，ω为高频腔实际谐振频率对应的角频率，可通过公式ω＝2π(f0+δf)计算获得，ω0为高频腔理想谐振频率对应的角频率，可通过公式ω＝2πf0计算获得；需指出的是，高频实际谐振频率与理想谐振频率差值很小，可用公式(5)近似计算得到δ(ω)，δ(ω)大小一般在0.1％量级；
然后通过公式(6)计算高功率下功率耦合器与高频腔之间的耦合度β，
公式(6)中，|Γ(ω)|表示高频腔入口反射系数的幅度值，i为虚数单位。
上述计算过程，可采用人工计算实现，也可通过测量装置外接相应控制器所带有的程序自动计算实现。
上述计算过程中，功率计包括分别安装于定向耦合器上的测前向功率计和测反射功率计，定向耦合器的前向功率由测前向功率计测量得到，定向耦合器的反射功率由测反射功率计测量得到。耦合孔为开设于功率耦合器上的通孔，通过耦合孔实现功率耦合器与高频腔之间的功率传输。可动调谐器是让高频腔局部产生体积改变而实现改变腔体谐振频率的器件。
步骤S1中，功率在耦合孔处发生全反射时，高频腔的谐振频率与功率源的频率之差δf远小于功率源的频率f0，即δf<<f0；
步骤S2中，功率在耦合孔处的反射功率达到最小时，高频腔的谐振频率与功率源的频率发生谐振；
步骤S2中，高频腔的频率偏移量δf’是高频腔的实际谐振频率与理想谐振频率之差。
上述高功率下功率耦合器与高频腔之间的耦合度测量方法的原理是：在不拆除高频腔附属设备、不破坏高频腔真空度的前提下，通过测量耦合孔处发生全反射的情况下定向耦合器的反射功率和前向功率来计算衰减系数，采集高频腔的场幅衰减曲线和相位角衰减曲线来计算出高频腔入口反射系数的幅度值，同时测量耦合孔处反射功率最小的情况下定向耦合器的前向功率和反射功率，再计算高功率下功率耦合器与高频腔之间的耦合度，从而实现功率耦合器与高频腔之间耦合度的在线测量，便于评估高频腔运行过程中功率耦合器与高频腔之间耦合度的变化。
实施例2
本实施例一种高功率下功率耦合器与高频腔之间的耦合度测量装置，用于实现实施例1所述的测量方法，如图3所示，该测量装置包括依次连接的功率源、环形器、定向耦合器、功率耦合器和高频腔，其中，功率源与环形器之间、环形器与定向耦合器之间以及定向耦合器与功率耦合器之间均通过波导传输线进行连接；环形器上还设有吸收负载，高频腔还设有耦合环，定向耦合器上还设有测反射功率计和测前向功率计。该装置结构中，定向耦合器类似于变压器，其主要功能是将高微波功率取出小部分供测反射功率计和测前向功率计测量用；功率耦合器的主要功能是将波导传输线的功率传输至高频腔中。耦合环主要用于获取高频腔的场幅衰减曲线和相位角衰减曲线，其具体结构与传统耦合环相同。
本实施例作为一种优选方案，对测量装置选用以下各元器件进行组装形成。其中，功率源为324MHz的束调管，工作频率带宽为±1MHz；环形器为324MHz的高频环形器，工作频率带宽为±3.24MHz；定向耦合器为324MHz的定向耦合器，工作频率带宽大于±1MHz；功率耦合器为设计工作于324MHz的功率耦合器，工作频率带宽为±10MHz；高频腔为谐振频率324MHz漂移管直线加速腔；功率传输线为WR2300型号的方波导传输线。
如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。
Claims (9)
1.高功率下功率耦合器与高频腔之间的耦合度测量方法，其特征在于，先在耦合孔处发生全反射的情况下测量定向耦合器的反射功率和前向功率，并计算从功率计位置至耦合孔处功率的衰减系数；然后在耦合孔处反射功率最小的情况下测量定向耦合器的前向功率和反射功率，并采集高频腔的场幅衰减曲线和相位角衰减曲线，计算出高频腔入口反射系数的幅度值；最后计算高功率下功率耦合器与高频腔之间的耦合度；
耦合度测量方法的具体过程包括以下步骤：
S1：调节高频腔上的可动调谐器，使功率在耦合孔处发生全反射，此时通过功率计测量定向耦合器的前向功率Pf和反射功率Pr，假设从功率计位置至耦合孔处功率的衰减系数为α，则存在公式(1)的关系，
Pr＝Pf(1-α)2 (1)
即通过公式(2)计算出衰减系数为α；
S2：假设功率源频率为f0，调节高频腔上的可动调谐器，使功率在耦合孔处的反射功率达到最小，此时通过功率计测量定向耦合器的前向功率Pf’和反射功率Pr’；
通过耦合环采集高频腔的场幅衰减曲线和相位角衰减曲线，从而得到高频腔的场幅信号和相位角信号，在时间点t1采集到的场幅信号为A1、相位角信号为θ1，在时间点t2采集到的场幅信号为A2、相位角信号为θ2；
然后利用两个时间点之间的场幅信号，通过公式(3)计算高频腔的有载品质因子QL；利用两个时间点之间的相位角信号，通过公式(4)计算高频腔的频率偏移量δf’，
S3：通过公式(5)计算δ(ω)，δ(ω)表示两倍的高频腔实际谐振频率与理想谐振频率差值δf与理想频率f0的比值，
公式(5)中，ω为高频腔实际谐振频率对应的角频率，可通过公式ω＝2π(f0+δf)计算获得，ω0为高频腔理想谐振频率对应的角频率；
然后通过公式(6)计算高功率下功率耦合器与高频腔之间的耦合度β，
公式(6)中，|Γ(ω)|表示高频腔入口反射系数的幅度值，i为虚数单位。
2.根据权利要求1所述高功率下功率耦合器与高频腔之间的耦合度测量方法，其特征在于，所述功率计包括分别安装于定向耦合器上的测前向功率计和测反射功率计，定向耦合器的前向功率由测前向功率计测量得到，定向耦合器的反射功率由测反射功率计测量得到。
3.根据权利要求1所述高功率下功率耦合器与高频腔之间的耦合度测量方法，其特征在于，所述耦合孔开设于功率耦合器上的通孔，通过耦合孔实现功率耦合器与高频腔之间的功率传输。
4.根据权利要求1所述高功率下功率耦合器与高频腔之间的耦合度测量方法，其特征在于，所述可动调谐器是让高频腔局部产生体积改变而实现改变腔体谐振频率的器件。
5.根据权利要求1所述高功率下功率耦合器与高频腔之间的耦合度测量方法，其特征在于，所述步骤S1中，功率在耦合孔处发生全反射时，高频腔的谐振频率与功率源的频率之差δf远小于功率源的频率f0，即δf<<f0；
所述步骤S2中，功率在耦合孔处的反射功率达到最小时，高频腔的谐振频率与功率源的频率发生谐振；
所述步骤S2中，高频腔的频率偏移量δf’是高频腔的实际谐振频率与理想谐振频率之差。
6.根据权利要求1所述高功率下功率耦合器与高频腔之间的耦合度测量方法，其特征在于，用于实现耦合度测量方法的装置包括依次连接的功率源、环形器、定向耦合器、功率耦合器和高频腔，其中，功率源与环形器之间、环形器与定向耦合器之间以及定向耦合器与功率耦合器之间均通过波导传输线进行连接；环形器上还设有吸收负载，高频腔还设有耦合环，定向耦合器上还设有测反射功率计和测前向功率计。
7.根据权利要求6所述高功率下功率耦合器与高频腔之间的耦合度测量方法，其特征在于，所述功率源为324MHz的束调管，工作频率带宽为±1MHz；环形器为324MHz的高频环形器，工作频率带宽为±3.24MHz；高频腔为谐振频率324MHz漂移管直线加速腔；功率传输线为WR2300型号的方波导传输线。
8.根据权利要求6所述高功率下功率耦合器与高频腔之间的耦合度测量方法，其特征在于，所述定向耦合器为324MHz的定向耦合器，工作频率带宽大于±1MHz。
9.根据权利要求6所述高功率下功率耦合器与高频腔之间的耦合度测量方法，其特征在于，所述功率耦合器为设计工作于324MHz的功率耦合器，工作频率带宽为±10MHz。
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