CN111273276A - 基于自激振荡微波源的多道微波多普勒反射计 - Google Patents
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Abstract
本发明属于核聚变等离子体微波诊断领域，具体为基于自激振荡微波源的多道微波多普勒反射计包括三个多工器、其中两路多工器之间的一组微波放大器和一组微波功分器，以及第二多工器和第三多工器之间的一组微波正交混频器、一组低通滤波器和一组视频放大器；由微波放大器组、微波功分器组、多工器组和定向耦合器等组成的环回路自激振荡同时产生多个微波频率，经微波隔离器后，从发射天线的输出端向等离子体发射微波信号，接收天线输入端接收从等离子体反射的微波信号，接收天线的输出端依次与微波隔离器、多工器和微波正交解调器连接。本装置成本低、频率稳定度和功率平坦度高、维护简单，研制周期短等优点。
Description
技术领域
本发明属于核聚变等离子体微波诊断领域，具体涉及多普勒反射计。
背景技术
微波多普勒反射计是测量等离子体湍流和旋转径向分布的一种重要诊断手 段。这种技术最早于上世纪九十年代开始在AUG、JT-II、Tore Supra等装置上应 用于等离子体物理实验研究。由于测量位置与微波的频率一一对应，即一个频 率只能实现一个空间点的测量，早期发展的反射计系统都只能发射一个频率， 实现一个径向位置测量。为了实现空间分布测量，只能通过系统步进扫频，由 于一个完整的步进扫频周期通常需要好几十毫秒到几百毫秒，因此扫频方式测 量的空间分布不是同时的，它有一个假定前提，即在扫频期间等离子体湍流和 旋转没有变化。但是实际上等离子体的旋转和湍流变化的非常快，例如在不同 放电约束模式转换过程中，其变化时间达到微秒量级，因此用微波源扫频方式 测量的空间分布有时会不准确，其严谨性经常受到科学家的质疑。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于自激振荡微波源的多道微波多普勒反射计， 能够同时实现多个空间点的等离子体旋转速度和湍流分布测量。
本发明的技术方案如下：
基于自激振荡微波源的多道微波多普勒反射计，包括第一多工器、第二多 工器，以及上述两路多工器之间的一组微波放大器和一组微波功分器，还包括 第三多工器，以及第二多工器和第三多工器之间的一组微波正交混频器、一组 低通滤波器和一组视频放大器；
所述的第一多工器有一个输入端、N个输出端；
所述的微波放大器有一个输入端、一个输出端；
所述的微波功分器有一个输入端、两个输出端，即第一输出端和第二输出 端；
所述的第二多工器有N个输入端、一个输出端；
所述的第三多工器有N个输出端、一个输入端；
所述的微波正交混频器有两个输入端，即本振输入端和射频输入端，一个 输出端；
所述的微波放大器、微波功分器、微波正交混频器、低通滤波器和视频放 大器数量相同，均为N；
所述的第一多工器的输出端与各个微波放大器的输入端连接，各个微波放 大器的输出端与对应的微波功分器的输入端连接，每个微波功分器组的第一输 出端与对应的第二多工器的输入端连接，每个微波功分器的第二输出端连接微 波正交混频器的本振输入端，微波正交混频器的输出端与低通滤波器的输入端 连接，低通滤波器的输出端与视频放大器的输入端连接，每个微波正交混频器 的射频输入端与对应的第三多工器的输出端连接。
所述的多普勒反射计还包括定向耦合器、第一微波隔离器和微波反射天线； 第二多工器的输出端与定向耦合器的输入端连接，定向耦合器的耦合端与第一 多工器的输入端连接，定向耦合器的输出端与第一微波隔离器的输入端连接， 微波隔离器的输出端与微波反射天线连接，微波反射天线的输出端向待测量目 标发射微波信号。
所述的定向耦合器的耦合度为6-20dB。
所述的第一微波隔离器的隔离度为25～50dB。
所述的多普勒反射计还包括微波接收天线和第二微波隔离器；所述的第二 微波隔离器的输出端与第三多工器输入端连接，微波接收天线的输出端与第二 微波隔离器的输入端连接，微波接收天线的输入端接收从待测量目标反射的微 波信号。
所述的第二微波隔离器隔离度为25～50dB。
N＝8。
所述的多工器，即第一多工器、第二多工器和第三多工器为频率选择器。
每个多工器的每个输出端口的带通滤波频率带宽互不叠加之间，相互的隔 离度为到40～100dB。
所述的第一多工器用于将第二多工器合成的微波信号，按各自频率分开给 微波放大器进行选频放大，所述第二多工器用于将微波放大器输出的多个频率 阵列信号合路为一路。
本发明的显著效果如下：由微波放大器组、微波功分器组、多工器组和定 向耦合器等组成的环回路自激振荡同时产生多个微波频率，经微波隔离器后， 从发射天线的输出端向等离子体发射微波信号，接收天线输入端接收从等离子 体反射的微波信号，接收天线的输出端依次与微波隔离器、多工器和微波正交 解调器连接，微波正交解调器的输出依次与低通滤波器、视频放大器和数据采 集处理系统连接。该系统具有成本低、频率稳定度和功率平坦度高、维护简单， 研制周期短等优点。
本装置能够同时测量多个空间点的等离子体旋转速度和湍流分布。由于系 统的测量区域受微波源的工作频率决定，在适当范围内，通过调节多工器的参 数，可以改变自激振荡微波的输出频率，从而改变测量区域。本装置除了能够 用于等离子体的湍流和旋转速度分布测量外，还能用于抗干扰微波多普勒雷达， 以及其他领域的测量和分析，如天体等离子体、运动目标速度测量等。由于本 系统含有多个频率同时测量，能覆盖很宽的频率范围，如在军事上对同一飞行 目标的多频率同时测量，具有强的抗干扰能力。
附图说明
图1为基于自激振荡微波源的多道微波多普勒反射计示意图；
图中：1.第一多工器，2.微波放大器，3.微波功分器，4.第二多工器，5.定向 耦合器，6.第一微波隔离器，7.微波发射天线，8.微波接收天线，9.第二微波隔 离器，10.第三多工器，11.微波正交混频器，12.低通滤波器，13.视频放大器， 14.数据采集处理系统。
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。
部件名称中所谓的“第一”、“第二”、“第三”等并不代表任何逻辑上的先后关 系，仅仅是为了区分系统中包括的相同的部件。
如图1所示，基于自激振荡微波源的多道微波多普勒反射计包括第一多工 器1、第二多工器4，以及两路多工器之间的一组微波放大器2和一组微波功分 器3。还包括第三多工器10，以及第二多工器4和第三多工器10之间的一组微 波正交混频器11、一组低通滤波器12和一组视频放大器13。
第一多工器1有一个输入端、多个输出端(数量与微波放大器2/微波功分 器3相同)；每个微波放大器2有一个输入端一个输出端；每个微波功分器3 有一个输入端，两个输出端(第一输出端和第二输出端)；第二多工器4有多 个输入端(数量与微波放大器2/微波功分器3相同)，一个输出端。第三多工 器10有多个输出端(数量与微波放大器2/微波功分器3/微波正交混频器11相 同)，一个输入端。微波正交混频器11有两个输入端(本振输入端和射频输入 端)，一个输出端。
第一多工器1的输出端与各个微波放大器2的输入端连接，各个微波放大 器2的输出端与对应的微波功分器3的输入端连接，每个微波功分器组3的第 一输出端与对应的第二多工器4的输入端连接，每个微波功分器3的第二输出 端连接微波正交混频器11的本振输入端。微波正交混频器11的输出端与低通 滤波器12的输入端连接，低通滤波器12的输出端与视频放大器13的输入端连 接，视频放大器13的输出端连接现有成熟的数据采集处理系统14，进行数据处 理。每个微波正交混频器11的射频输入端与对应的第三多工器10的输出端连 接。
该反射计还包括定向耦合器5、第一微波隔离器6和微波反射天线7。
第二多工器4的输出端与定向耦合器5的输入端连接，定向耦合器5的耦 合端与第一多工器1的输入端连接。定向耦合器5的输出端与第一微波隔离器6 的输入端连接，微波隔离器6的输出端与微波反射天线7连接，微波反射天线7 的输出端向待测量目标发射微波信号。
该反射计还包括微波接收天线8和第二微波隔离器9。
第二微波隔离器9的输出端与第三多工器10输入端连接，微波接收天线8 的输出端与第二微波隔离器9的输入端连接，微波接收天线8的输入端接收从 待测量目标反射的微波信号。
由第一多工器1、微波放大器2、微波功分器3、第二多工器4和定向耦合 器5等组成的环回路产生多个频率的梳状微波频率信号，经微波发射天线发射 微波。
微波接收天线8接收的微波经微波隔离器9后，被第三多工器10按频率分 开为多路，在微波正交混频器11中与发射中耦合出来的本振信号进行相位解调， 解调后的信号经低通滤波器组12滤波和视频放大器组13放大，最后被数据采 集处理系统14记录和处理解调后的相位信号。
本实施例中微波放大器2/微波功分器3/微波正交混频器11的数量为8个。
所述的多工器，即第一多工器1、第二多工器4和第三多工器10为一个频 率选择器,功能相当于一个低插入损耗的多路功分器和带通滤波器组合器件,且 每个输出端的带通滤波频率带宽要求互不叠加，确保不互相加载干扰，使每个 输出端之间保持高度隔离。为提高系统性能，一般要求多工器的插入损耗小于 2dB,每个输出端口之间的隔离度达到40～100dB，多工器的每个输出端的带通滤 波为一个带宽较窄的峰化的通带分布，在毫米波频段通带大约为50～60MHz。
第一多工器1、第二多工器4和第三多工器10为功能相同的部件，其输入 端与输出端可以互换使用。第一多工器1和第二多工器4的输入端和输出端是 相对于微波放大器组2的输入与输出连接方式来决定，第三多工器10的输入端 和输出端是相对微波接收天线8的连接方式决定。微波放大器组2的数量与第 一多工器1和第二多工器4的端口数量相同，其由发射机需要产生的梳状频率 个数来决定。第一多工器1和第二多工器4的中滤波频率选择数量由需要产生 的多道频率决定，通常可以实现2到32个频率点同时测量。以V波段8通道反 射计为例，其发射机输出的8个频率点，频率分别为52.5、55、57.5、60、62.5、 65、67.5、70GHz，每个频率点的功率都大于10dBm，这些频率点的功率平坦度 (最大和最小功率差)小于5dB。
发射机部分的多频率微波由第一多工器1、微波放大器组2、微波功分器组 3、第二多工器4和定向耦合器5等组成的环回路产生，其工作方式为：宽带背 景噪声经微波放大器组2放大后，经第二多工器4和第一多工器1进行选频， 然后再重新输给微波放大器组2进行放大，周尔复始，这样只有由第二多工器4 和第一多工器1共同决定的插入损耗最小的频率点的信号才能被放大，因此能 得到一个恒定的频率信号。该信号的功率由微波放大器组2的特性参数决定， 考虑到整个发射机系统的传输损耗，输出功率大约等于微波放大器组2的1dB 压缩点功率。
所述第一多工器1用于将第二多工器合成的微波信号，按各自频率分开给 微波放大器2进行选频放大。所述第二多工器4用于将微波放大器2输出的多 个频率阵列信号合路为一路。所述定向耦合器5将第二多工器4合成的信号耦 合给第一多工器1，同时其输出端将微波信号从环回路中引出，给微波隔离器6 和微波发射天线7发射微波。定向耦合器5的耦合度由微波放大器2的增益和 环回路的插入损耗决定，通常耦合度为6-20dB。当微波放大器2的增益略小于 或接近于环回路的总插入损耗时，可以适当增加定向耦合器5的耦合端的功率， 确保微波放大器组2能驱动环回路产生信号输出。
第一微波隔离器6和第二微波隔离器9主要用于防止寄生反射，从而干扰 发射机和接收机的性能参数，通常要求隔离度为25～50dB。
微波发射天线7和微波接收天线8为标准的角锥或圆锥天线，其增益通常 为20-30dB，工作频率需要覆盖发射机输出频率的所有频点。
微波正交混频器11通过本振端与射端微波比相，将接收微波的相位解调， 其工作频率由该通路的微波频率决定。为了获得将好的精度，通常要求其解调 相位不平衡性优于10度，中频输出的频响达到几十MHz以上。
Claims (10)
1.基于自激振荡微波源的多道微波多普勒反射计，其特征在于：包括第一多工器(1)、第二多工器(4)，以及上述两路多工器之间的一组微波放大器(2)和一组微波功分器(3)，还包括第三多工器(10)，以及第二多工器(4)和第三多工器(10)之间的一组微波正交混频器(11)、一组低通滤波器(12)和一组视频放大器(13)；
所述的第一多工器(1)有一个输入端、N个输出端；
所述的微波放大器(2)有一个输入端、一个输出端；
所述的微波功分器(3)有一个输入端、两个输出端，即第一输出端和第二输出端；
所述的第二多工器(4)有N个输入端、一个输出端；
所述的第三多工器(10)有N个输出端、一个输入端；
所述的微波正交混频器(11)有两个输入端，即本振输入端和射频输入端，一个输出端；
所述的微波放大器(2)、微波功分器(3)、微波正交混频器(11)、低通滤波器(12)和视频放大器(13)数量相同，均为N；
所述的第一多工器(1)的输出端与各个微波放大器(2)的输入端连接，各个微波放大器(2)的输出端与对应的微波功分器(3)的输入端连接，每个微波功分器(3)的第一输出端与对应的第二多工器(4)的输入端连接，每个微波功分器(3)的第二输出端连接微波正交混频器(11)的本振输入端，微波正交混频器(11)的输出端与低通滤波器(12)的输入端连接，低通滤波器(12)的输出端与视频放大器(13)的输入端连接，每个微波正交混频器(11)的射频输入端与对应的第三多工器(10)的输出端连接。
2.如权利要求1所述的基于自激振荡微波源的多道微波多普勒反射计，其特征在于：所述的多普勒反射计还包括定向耦合器(5)、第一微波隔离器(6)和微波反射天线(7)；第二多工器(4)的输出端与定向耦合器(5)的输入端连接，定向耦合器(5)的耦合端与第一多工器(1)的输入端连接，定向耦合器(5)的输出端与第一微波隔离器(6)的输入端连接，第一微波隔离器(6)的输出端与微波反射天线(7)连接，微波反射天线(7)的输出端向待测量目标发射微波信号。
3.如权利要求2所述的基于自激振荡微波源的多道微波多普勒反射计，其特征在于：所述的定向耦合器(5)的耦合度为6-20dB。
4.如权利要求2所述的基于自激振荡微波源的多道微波多普勒反射计，其特征在于：所述的第一微波隔离器(6)的隔离度为25～50dB。
5.如权利要求1所述的基于自激振荡微波源的多道微波多普勒反射计，其特征在于：所述的多普勒反射计还包括微波接收天线(8)和第二微波隔离器(9)；所述的第二微波隔离器(9)的输出端与第三多工器(10)输入端连接，微波接收天线(8)的输出端与第二微波隔离器(9)的输入端连接，微波接收天线(8)的输入端接收从待测量目标反射的微波信号。
6.如权利要求5所述的基于自激振荡微波源的多道微波多普勒反射计，其特征在于：所述的第二微波隔离器(9)隔离度为25～50dB。
7.如权利要求1所述的基于自激振荡微波源的多道微波多普勒反射计，其特征在于：N＝8。
8.如权利要求1所述的基于自激振荡微波源的多道微波多普勒反射计，其特征在于：所述的多工器，即第一多工器(1)、第二多工器(4)和第三多工器(10)为频率选择器。
9.如权利要求1所述的基于自激振荡微波源的多道微波多普勒反射计，其特征在于：每个多工器的每个输出端口的带通滤波频率带宽互不叠加之间，相互的隔离度为到40～100dB。
10.如权利要求1所述的基于自激振荡微波源的多道微波多普勒反射计，其特征在于：所述的第一多工器(1)用于将第二多工器合成的微波信号，按各自频率分开给微波放大器(2)进行选频放大，所述第二多工器(4)用于将微波放大器(2)输出的多个频率阵列信号合路为一路。
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