CN113765601A - 一种短波发射机驻波检测校准装置和方法 - Google Patents

一种短波发射机驻波检测校准装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种短波发射机驻波检测校准装置和方法,包括射频信号发生器、数字式功率计、失配负载模块、网络分析仪、参数设置单元和显示单元,射频信号发生器用于输出参考频率和参考幅度信号;数字式功率计内置的功率传感器吸收输入射频信号功率将其转换为功率计能够测量的直流信号,用于测量前向功率、反向功率及驻波值;网络分析仪用于直接测量有源或无源的双端口和单端口网络的复数散射参数,换算成反射系数、电压驻波比和阻抗;失配负载模块与数字式功率计输出端连接,用于产生一个阻抗和相位可调的可变反射系数,模拟短波发射机终端负载的反射情况,根据其表现的阻抗特性调节驻波比。本发明能够简便、快速校准短波发射机驻波检测值。

Description

一种短波发射机驻波检测校准装置和方法
技术领域
本发明涉及驻波检测领域,具体涉及一种短波发射机驻波检测校准装置和方法。
背景技术
短波发射机是工作在2MHz~30MHz频段的短波单边带通信设备。短波发射机工作时,其内部的主控制器对前向功率取样信号和反向功率取样信号进行实时检测,根据获得的前向电压取样值和反向电压取样值计算得出发射驻波比,当检测到驻波比大于一定值时,触发保护机制,这就要求前向电压取样值和反向电压取样值必须准确。
实际中对短波发射机驻波检测值进行校准时,若将其连接常用的50Ω同轴负载,由于短波发射机的输出阻抗也为50Ω,则无反射功率,这时短波发射机检测不到反向电压取样值,无法进行有效校准。若将短波发射机通过天线调谐器连接短波天线时,天线调谐器将最大限度实现短波发射机和短波天线的阻抗匹配,但在整个工作频段的不同频率点仍存在不同的驻波,短波发射机将检测到一定的反向电压取样值,这时可通过调整反向功率取样电路参数来调整反向电压取样值,直至短波发射机检测到的驻波值和仪器实测的数据一致。但该校准方法存在条件限制及风险,一是需要借助天线调谐器及短波天线,操作、使用相对复杂;二是校准前短波发射机检测到的驻波值可能与实际值偏差较大,异常情况时极有可能损坏天线调谐器或短波发射机。
发明内容
本发明的目的在于提供一种短波发射机驻波检测校准装置和方法,能够简便、快速校准短波发射机驻波检测值;且适用于各种功率等级的短波发射机在失配状态下的驻波检测校准和性能测试。
实现本发明目的的技术方案为:一种短波发射机驻波检测校准装置,包括射频信号发生器、数字式功率计、失配负载模块、网络分析仪、参数设置单元和显示单元,其中:
所述射频信号发生器是正弦信号发生器,用于输出参考频率和参考幅度信号至短波发射机的功率放大器;
所述数字式功率计其输入端与短波发射机的功率鉴测器输出端和网络分析仪连接,数字式功率计内置的功率传感器吸收输入射频信号功率将其转换为功率计能够测量的直流信号,用于测量射频信号的前向功率、反向功率及驻波值;
网络分析仪与数字式功率计连接,用于直接测量有源或无源的双端口和单端口网络的复数散射参数,且换算成反射系数、电压驻波比和阻抗;
所述失配负载模块与数字式功率计输出端连接,用于产生一个阻抗和相位可调的可变反射系数,模拟短波发射机终端负载的反射情况,根据其表现的阻抗特性可调驻波比;
参数设置单元用于设置短波发射机的工作参数;
显示单元用于读取并显示短波发射机的功率值及驻波比值。
进一步的,所述失配负载模块在2MHz~30MHz频段内阻抗随频率增加由容性变化为感性,驻波比随频率增加逐渐增大。
进一步的,所述驻波比随频率增加逐渐增大为;由2MHz时的1.1增大到30MHz时的45。
进一步的,所述失配负载模块包括失配器、50Ω同轴负载和N型三端口射频同轴连接器;失配器、50Ω同轴负载分别连接N型三端口射频同轴连接器的输出端。
进一步的,所述失配器由一段50Ω同轴射频电缆并联一个高压大容量电容而成,所述高压大容量电容为电压500V、电容值300-500PF的电容。
优选地,所述高压大容量电容为500V/390PF的电容。
优选地,所述数字式功率计为通过式功率计,所述网络分析仪为通过扫描测量以确定网络参数的微波测量仪器。
一种基于所述短波发射机驻波检测校准装置的驻波检测校准方法,包括步骤:
通过参数设置单元设置短波发射机的工作参数;
将失配负载模块连接到网络分析仪上开始校准;
设置网络分析仪起始频率、标尺、测量类型和格式,打开光标功能,分别标记失配负载模块驻波比为1.5、3.0时对应的频率点;
将失配负载模块作为负载连接在数字式功率计输出端,设置短波发射机的工作频率为失配负载模块驻波比1.5对应的频率,键控短波发射机进入发射状态,观察数字式功率计上显示的功率值,调整功率鉴测器上的前向电压参数使前向功率达到额定值,微调反向电压参数使数字功率计和显示单元显示的驻波比值为1.5±Δ;
将短波发射机的功率放大器射频激励输入端与射频信号发生器输出端连接,设置短波发射机的工作频率和射频信号发生器的输出频率均为失配负载模块驻波比3.0对应的频率,观察数字式功率计上显示的功率值和驻波比值,调整射频信号发生器的输出幅度使前向功率达到额定值,微调反向电压参数直至数字功率计和显示单元显示的驻波比值为3.0±Δ,Δ为允许的误差;
将短波发射机的功率放大器射频激励输入端与主控制器连接,设置短波发射机的工作频率为失配负载模块驻波比3.0对应的频率;调整短波发射机工作频率使显示单元显示的驻波比值为3.0±Δ,同时若数字式功率计上显示的前向功率值相对额定功率值大幅下降,则短波发射机已按照设定的程序启动保护机制,校准完成。
进一步的,所述误差Δ为0.2。
进一步的,所述网络分析仪的起始频率范围为2MHz~30MHz,测量类型为输入反射系数S11,格式为驻波比SWR。
本发明与现有技术相比,其显著效果为:本发明通过设计的失配负载模块结合高精度测量仪器,可模拟短波天线或负载端的特定反射情况,且不受功率容量限制,适用于各种功率等级的短波发射机在失配状态下的驻波检测校准和性能测试;本发明解决了一直以来无法简便、快速校准短波发射机驻波检测值的问题,实施成本低且校准精度高,为短波发射机的设计研制提供了一种重要的检测手段,可提高短波发射机的可靠性。
附图说明
图1为本发明中短波发射机信号处理示意图。
图2为本发明失配负载模块结构示意图。
图3为本发明失配负载模块与功率计和网路分析仪的连接示意图。
图4为本发明校准装置与短波发射机的连接示意图。
具体实施方式
下面将结合附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
通用的短波发射机主要由主控制器、功率放大器、谐波滤波器和功率鉴测器等模块组成,其信号处理流程框图如图1所示。
主控制器作为短波发射机的核心模块,主要完成发射机的接口控制、射频信号处理、数据的调制/解调等功能。主控制器将已调制的发射频信号进行放大、滤波等一系列处理,产生所需的射频激励信号送入功率放大器。功率放大器主要完成射频激励信号的功率放大,输出额定功率。谐波滤波器由六个波段低通滤波器组成,主要实现对功率放大器输出功率各次谐波的衰减。功率鉴测器主要由前向功率取样器、反向功率取样器、前向电压和反向电压检测及调整电路组成,完成对射频功率的前向功率及反向功率取样,用于短波发射机的输出功率控制及驻波保护。
短波发射机工作时,主控制器对前向电压取样信号和反向电压取样信号进行实时检测。主控制器内部的FPGA单元根据前向电压取样值获悉当前发射的前向功率大小。当短波发射机输出功率为额定功率时,鉴测器输出的前向电压取样信号应为某一标准值。FPGA单元根据此标准值调整射频激励信号的幅度,从而调整整个发射通道的增益,保证发射机输出功率在额定值附近。同时FPGA单元根据反向电压取样值获悉当前的反向功率大小。当负载开路、短路或失配时,射频通路将会存在驻波,此时鉴测器输出的反向电压取样信号应对应某一标准值,按照特定的程序算法,发射机主控制器将减小射频激励信号的幅度,使发射机输出功率下降,从而保护发射机不损坏。
基于以上原理,本发明设计了一种驻波比可变的失配负载模块,可简便、快速、准确校准短波发射机在失配情况下的驻波检测值。
该实施方式提供了一种短波发射机驻波检测校准装置,包括射频信号发生器、数字式功率计、失配负载模块、网络分析仪、参数设置单元和显示单元,参数设置单元和显示单元安装在计算机上。所述短波发射机是工作在2MHz~30MHz频段的短波单边带发射机;射频信号发生器是一种正弦信号发生器,用于提供参考频率和参考幅度信号;数字式功率计属于通过式功率计,自带的功率传感器吸收射频信号功率将其转换为功率计能够测量的直流信号,可精确测量大功率射频信号的前向功率、反向功率及驻波值;网络分析仪是一种可在宽频带进行扫描测量以确定网络参数的微波测量仪器,能够直接测量有源或无源的双端口和单端口网络的复数散射参数,且换算成其他网络参数,如反射系数、电压驻波比、阻抗等,换算方法为本领域公知方法,在此不再累述。
如图2所示,本发明特制的失配负载模块由失配器、50Ω同轴负载和N型三端口射频同轴连接器组成,失配器采用一段50Ω同轴射频电缆并联一个高压大容量电容的形式组合而成,此处高压大容量电容一般选取300-500PF的电容,优选电容量为390PF、耐压值为500V的瓷介电容,不同电容量的电容组成的失配器对应的驻波比曲线不同。该失配负载可用于射频系统中产生一个阻抗和相位可调的可变反射系数,能够模拟终端负载的特定反射情况,根据其表现的阻抗特性属于驻波比可调的失配负载。该失配负载在2MHz~30MHz频段内输入阻抗随频率增加由容性变化为感性,驻波比随频率增加逐渐增大,表现为由2MHz时的1.1增大到30MHz时的45左右。
结合图4,安装参数设置单元和显示单元的计算机通过USB接口或串口与短波发射机连接,短波发射机与射频信号发生器、功率计、失配负载连接。通过参数设置单元可设置短波发射机的工作参数(工作方式、工作频率、输出功率等),通过显示单元读取、显示短波发射机的功率值、驻波比值等。
一种基于所述短波发射机驻波检测校准装置的驻波检测校准方法,包括步骤:
a)结合图3,将网络分析仪通过数字式功率计与失配负载模块连接,进行校准;
b)设置网络分析仪起始频率(如2MHz~30MHz)、标尺、测量类型(S11)和格式(SWR)等,打开光标功能,分别标记失配负载驻波比为1.5、3.0时对应的频率点;
c)然后将失配负载模块串联功率计后作为负载连接在短波发射机的功率输出端,设置短波发射机的工作频率为失配负载模块驻波比1.5对应的频率,键控短波发射机进入发射状态,这时功率计上显示的驻波比值应为1.5。观察功率计上显示的功率值,调整功率鉴测器上的前向电压参数使前向功率达到额定值,微调反向电压参数使反向功率为前向功率的1/25,计算机上显示单元显示的驻波比值应为1.5±Δ;
d)将短波发射机功率放大器射频激励输入端连接在射频信号发生器输出端,设置短波发射机的工作频率和信号发生器的输出频率均为失配负载模块驻波比3.0对应的频率,这时短波发射机发射时的反向功率应为前向功率的1/4。观察功率计上显示的功率值和驻波比值,调整射频信号发生器的输出幅度使前向功率达到额定值。若此时功率计上显示的驻波比值不为3.0±Δ,则微调反向电压参数;
e)将短波发射机功率放大器射频激励输入端与主控制器连接,设置短波发射机的工作频率为失配负载模块驻波比3.0对应的频率。这时短波发射机工作时计算机上显示单元显示的驻波比值和功率计上显示的驻波比值应为3.0±Δ(误差Δ为±0.2),可微调短波发射机工作频率使计算机上显示的驻波比值达到3.0。同时观察功率计上显示的前向功率值相对额定功率值应大幅下降,说明短波发射机已按照设定的程序启动保护机制,校准完成。

Claims (10)

1.一种短波发射机驻波检测校准装置,其特征在于,包括射频信号发生器、数字式功率计、失配负载模块、网络分析仪、参数设置单元和显示单元,其中:
所述射频信号发生器是正弦信号发生器,用于输出参考频率和参考幅度信号至短波发射机的功率放大器;
所述数字式功率计其输入端与短波发射机的功率鉴测器输出端和网络分析仪连接,数字式功率计内置的功率传感器吸收输入射频信号功率将其转换为功率计能够测量的直流信号,用于测量射频信号的前向功率、反向功率及驻波值;
网络分析仪与数字式功率计连接,用于直接测量有源或无源的双端口和单端口网络的复数散射参数,且换算成反射系数、电压驻波比和阻抗;
所述失配负载模块与数字式功率计输出端连接,用于产生一个阻抗和相位可调的可变反射系数,模拟短波发射机终端负载的反射情况,根据其表现的阻抗特性调节驻波比;
参数设置单元用于设置短波发射机的工作参数;
显示单元用于读取并显示短波发射机的功率值及驻波比值。
2.根据权利要求1所述的一种短波发射机驻波检测校准装置,其特征在于,所述失配负载模块在2MHz~30MHz频段内阻抗随频率增加由容性变化为感性,驻波比随频率增加逐渐增大。
3.根据权利要求2所述的一种短波发射机驻波检测校准装置,其特征在于,所述驻波比随频率增加逐渐增大为;由2MHz时的1.1增大到30MHz时的45。
4.根据权利要求3所述的一种短波发射机驻波检测校准装置,其特征在于,所述失配负载模块包括失配器、50Ω同轴负载和N型三端口射频同轴连接器;失配器、50Ω同轴负载分别连接N型三端口射频同轴连接器的输出端。
5.根据权利要求4所述的一种短波发射机驻波检测校准装置,其特征在于,所述失配器由一段50Ω同轴射频电缆并联一个高压大容量电容而成,所述高压大容量电容为耐压值500V、电容值300-500PF的电容。
6.根据权利要求5所述的一种短波发射机驻波检测校准装置,其特征在于,所述高压大容量电容为电容量390PF、耐压值500V的瓷介电容。
7.根据权利要求4所述的一种短波发射机驻波检测校准装置,其特征在于,所述数字式功率计为通过式功率计,所述网络分析仪为通过扫描测量以确定网络参数的微波测量仪器。
8.一种基于权利要求1-7任一所述短波发射机驻波检测校准装置的驻波校准方法,其特征在于,包括步骤:
通过参数设置单元设置短波发射机的工作参数;
将失配负载模块连接到网络分析仪上开始校准;
设置网络分析仪起始频率、标尺、测量类型和格式,打开光标功能,分别标记失配负载模块驻波比为1.5、3.0时对应的频率点;
将失配负载模块作为负载连接在数字式功率计输出端,设置短波发射机的工作频率为失配负载模块驻波比1.5对应的频率,键控短波发射机进入发射状态,观察数字式功率计上显示的功率值,调整功率鉴测器上的前向电压参数使前向功率达到额定值,微调反向电压参数使数字功率计和显示单元显示的驻波比值为1.5±Δ;
将短波发射机的功率放大器射频激励输入端与射频信号发生器输出端连接,设置短波发射机的工作频率和射频信号发生器的输出频率均为失配负载模块驻波比3.0对应的频率,观察数字式功率计上显示的功率值和驻波比值,调整射频信号发生器的输出幅度使前向功率达到额定值,微调反向电压参数直至数字功率计和显示单元显示的驻波比值为3.0±Δ,Δ为允许的误差;
将短波发射机的功率放大器射频激励输入端与主控制器连接,设置短波发射机的工作频率为失配负载模块驻波比3.0对应的频率;调整短波发射机工作频率使显示单元显示的驻波比值为3.0±Δ,同时若数字式功率计上显示的前向功率值相对额定功率值大幅下降,则短波发射机已按照设定的程序启动保护机制,校准完成。
9.根据权利要求8所述的驻波检测校准方法,其特征在于,所述误差Δ为±0.2。
10.根据权利要求8所述的驻波检测校准方法,其特征在于,所述网络分析仪的起始频率范围为2MHz~30MHz,测量类型为输入反射系数S11,格式为驻波比SWR。
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