CN114414884A - 一种兆瓦级脉冲功率测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种兆瓦级脉冲功率测量装置及方法。其中，兆瓦级脉冲功率测量装置包括兆瓦级脉冲功率级联耦合传输系统，真空制备系统和冷却系统，以及兆瓦级脉冲功率测量系统。兆瓦级脉冲功率级联耦合传输系统包括真空直波导、定向耦合器、真空波导三通和大功率负载，用于对脉冲功率进行传输。真空制备系统和冷却系统包括离子泵、机械泵分子泵机组、空气压缩机、水冷机等，用于排除空气和降温。兆瓦级脉冲功率测量系统包括峰值功率分析仪、示波器和控制监测组合，用于对脉冲功率进行测量。本发明提供的兆瓦级脉冲功率测量装置及方法，能有效避免兆瓦级脉冲功率在传输过程中造成波导内部空气击穿或者衰减器烧毁，具有安全、稳定、准确等特点。
Description
技术领域
本发明涉及脉冲功率测量领域，特别涉及一种兆瓦级脉冲功率测量装置及方法。
背景技术
功率是无线电领域的基本参数之一，表征了无线电信号的传输特性，是国际计量局(BIPM)定义的7个无线电关键参数(功率、波形、噪声、衰减、阻抗网络、天线、场强)之一，是无线电计量体系中最基本、最重要的参数，其它众多无线电参数均需要直接或间接溯源至功率参数。可以说，无线电功率计量技术是其他无线电参数计量技术发展和完善的重要基础。
兆瓦级脉冲功率源一般用于高功率微波试验、加速器注入等，兆瓦级脉冲功率测量结果的准确与否，对于保证高功率微波试验数据的准确可靠具有重要意义。目前通常使用耦合器法或衰减器法对千瓦级脉冲功率进行测量，如公开号为CN105606885A的中国专利申请，公开了一种基于中频替代技术的脉冲功率测量系统，该系统包括被测脉冲输入接口、本振信号输入接口、混频器、定向耦合器、程控衰减器、第一功分器、第二功分器、被测脉冲功率输出接口、第一混合信号输出接口和第二混合信号输出接口。但由于兆瓦级脉冲功率在传输过程中可能会造成波导内部空气击穿或者衰减器烧毁，一般的耦合器法和衰减器法均无法适用于兆瓦级脉冲功率测量。
因此，需要提供一种能避免兆瓦级脉冲功率在传输过程中造成波导内部空气击穿或者衰减器烧毁的脉冲功率测量装置和方法，用以满足兆瓦级脉冲功率的测量要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种兆瓦级脉冲功率测量装置及方法，具有安全、快速、稳定的特性，能够满足兆瓦级脉冲功率实时定量分析要求。
为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：
一种兆瓦级脉冲功率测量装置，该装置包括兆瓦级脉冲功率级联耦合传输系统，真空制备系统和冷却系统，以及兆瓦级脉冲功率测量系统；
兆瓦级脉冲功率级联耦合传输系统包括真空直波导、定向耦合器1、真空波导三通、定向耦合器2和大功率负载。定向耦合器1的输入端和输出端均连接有真空直波导，定向耦合器1的输出端口通过真空直波导连接真空波导三通；真空波导三通有三个通道，通道1连接定向耦合器1的输出端口，通道2连接定向耦合器2的输入端口；
真空制备系统和冷却系统包括离子泵、机械泵分子泵机组、空气压缩机、水冷机等；真空波导三通的通道3与离子泵、机械泵分子泵机组、空气压缩机连接；
兆瓦级脉冲功率测量系统包括峰值功率分析仪、示波器和控制监测组合。定向耦合器1、2的耦合端口与峰值功率分析仪、示波器连接，控制监测组合与峰值功率计、示波器等连接；
优选的，该装置进一步包括波导同轴转换，定向耦合器1和定向耦合器2均与波导同轴转换相连；
优选的，大功率负载为水负载，定向耦合器2的输出端与大功率负载相连；
优选的，该装置进一步包括真空计，真空波导三通的通道3与真空计连接。
本发明还提供了一种兆瓦级脉冲功率测量方法，采用上述装置开展兆瓦级脉冲功率测量，包括如下步骤：
步骤一，构建兆瓦级脉冲功率级联耦合传输系统：
兆瓦级脉冲功率信号经过真空直波导后输入定向耦合器1，定向耦合器1的输出端口通过真空直波导连接真空波导三通，真空波导三通的通道1连接定向耦合器1的输出端口，进行兆瓦级脉冲功率输入，通道2连接定向耦合器2的输入端口，进行兆瓦级脉冲功率输出；兆瓦级脉冲功率从定向耦合器2输出端口输出后，通过过渡波导和真空窗输入大功率波导负载，完成微波能量吸收；
第二步，构建真空制备系统和冷却系统：
机械泵分子泵机组对波导系统进行真空制备，使其真空度降为10-6Pa以下，离子泵对高真空进行维持，当高真空被破坏后，给出报警信号，从而保证整个传输系统在正常工作时内部不出现打火现象；水冷机对大功率波导负载进行冷却，保证其不被兆瓦级脉冲功率烧毁；
第三步，构建兆瓦级脉冲功率测量系统：
定向耦合器1、2的耦合端口与峰值功率分析仪、示波器连接，用于进行兆瓦级脉冲功率和脉冲波形测量，测量结果由控制监测组合采集；控制监测组合与峰值功率计、示波器、真空计等连接，监控波形、电压驻波比和功率测量结果以及大功率负载运行状态，当波导内反射过大、温度过高时关断兆瓦级脉冲功率信号；
第四步，测量兆瓦级脉冲功率测量结果修正因子：
首先利用真空制备系统对级联耦合传输系统进行真空制备，保证其真空度在10-6Pa以下，之后采用网络分析仪级联耦合传输系统中定向耦合器1和定向耦合器2的耦合度进行测量，得到真空状态下的耦合度C1和C2，C1为连接定向耦合器1耦合端口脉冲功率测量结果的修正因子，单位为dB，C2为连接定向耦合器2耦合端口脉冲功率测量结果的修正因子，单位为dB；
第五步，处理兆瓦级脉冲功率测量结果：
连接兆瓦级脉冲功率源、级联耦合传输系统、真空制备系统、冷却系统和兆瓦级脉冲功率测量系统，打开兆瓦级脉冲功率源，此时连接定向耦合器1和定向耦合器2耦合端口的峰值功率分析仪读数为P1和P2，单位dBm，则通过端口1(定向耦合器1端口)输出功率计算出的兆瓦级脉冲功率为P1.10C1/10，通过端口2(定向耦合器2端口)输出功率计算出的兆瓦级脉冲功率为P2.10C2/10，两者可以相互比较，从而验证真空状态下的耦合度C1和C2测量结果是否准确。
有益效果：
本发明通过在脉冲功率测量系统中构建真空制备系统和冷却系统，避免了在对兆瓦级脉冲功率进行测量过程中有可能发生的波导内部空气击穿或者衰减器烧毁的问题，实现了兆瓦级脉冲功率的准确测量。
附图说明
图1为本发明装置总体结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。
如图1所示，本发明公开了一种兆瓦级脉冲功率测量装置，该装置包括兆瓦级脉冲功率级联耦合传输系统，真空制备系统和冷却系统，以及兆瓦级脉冲功率测量系统。兆瓦级脉冲功率级联耦合传输系统包括级联耦合传输系统包括真空直波导、定向耦合器1、真空波导三通、定向耦合器2、波导同轴转换和大功率负载等。定向耦合器1的输入端和输出端均连接有真空直波导，定向耦合器1和定向耦合器2均与波导同轴转换相连，定向耦合器2的输出端与大功率负载相连。兆瓦级脉冲功率信号经过真空直波导后输入定向耦合器1，定向耦合器1的输出端口通过真空直波导连接真空波导三通。真空波导三通共有三个通道，通道1连接定向耦合器1的输出端口，进行兆瓦级脉冲功率输入；通道2连接定向耦合器2的输入端口，进行兆瓦级脉冲功率输出；兆瓦级脉冲功率从定向耦合器2输出端口输出后，通过过渡波导和真空窗输入大功率波导负载(水负载)，完成微波能量吸收。真空制备系统和冷却系统包括离子泵、机械泵分子泵机组、真空计、空气压缩机、水冷机等。真空波导三通的通道3与离子泵、机械泵分子泵机组、真空计、空气压缩机连接，机械泵分子泵机组对波导系统进行真空制备，使其真空度降为10-6Pa以下，离子泵对高真空进行维持，当高真空被破坏后，真空计给出报警信号，从而保证整个传输系统在正常工作时内部不出现打火现象。水冷机对大功率波导负载进行冷却，保证其不被兆瓦级脉冲功率烧毁。兆瓦级脉冲功率测量系统包括峰值功率分析仪、示波器、控制监测组合。定向耦合器1、2的耦合端口与峰值功率分析仪、示波器连接，用于进行兆瓦级脉冲功率和脉冲波形测量，测量结果由控制监测组合采集。控制监测组合与峰值功率计、示波器、真空计等连接，监控波形、电压驻波比和功率测量结果以及大功率负载运行状态，当波导内反射过大、温度过高时关断兆瓦级脉冲功率信号。
在对脉冲功率进行测量前，先测量其修正因子。首先利用真空制备系统对级联耦合传输系统进行真空制备，保证其真空度在10-6Pa以下，之后采用网络分析仪级联耦合传输系统中定向耦合器1和定向耦合器2的耦合度进行测量，得到真空状态下的耦合度C1(dB)和C2(dB)，C1为连接定向耦合器1耦合端口脉冲功率测量结果的修正因子，C2为连接定向耦合器2耦合端口脉冲功率测量结果的修正因子。之后连接兆瓦级脉冲功率源、级联耦合传输系统、真空制备系统、冷却系统和兆瓦级脉冲功率测量系统，打开兆瓦级脉冲功率源，此时连接定向耦合器1和定向耦合器2耦合端口的峰值功率分析仪读数为P1(dBm)和P2(dBm)，则通过端口1输出功率计算出的兆瓦级脉冲功率为P1.10C1/10，通过端口1输出功率计算出的兆瓦级脉冲功率为P2.10C2/10，两者可以相互比较，从而验证真空状态下的耦合度C1和C2测量结果是否准确。
上述实施例仅用于说明本发明，其中各部件的型号、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (5)
1.一种兆瓦级脉冲功率测量装置，其特征在于，该装置包括兆瓦级脉冲功率级联耦合传输系统，真空制备系统和冷却系统，以及兆瓦级脉冲功率测量系统；
所述兆瓦级脉冲功率级联耦合传输系统包括真空直波导、定向耦合器1、真空波导三通、定向耦合器2和大功率负载；所述定向耦合器1的输入端和输出端均连接有真空直波导，所述定向耦合器1的输出端口通过所述真空直波导连接所述真空波导三通；所述真空波导三通有三个通道，通道1连接定向耦合器1的输出端口，通道2连接定向耦合器2的输入端口；
所述真空制备系统和冷却系统包括离子泵、机械泵分子泵机组、空气压缩机和水冷机；所述真空波导三通的通道3与离子泵、机械泵分子泵机组和空气压缩机连接；
所述兆瓦级脉冲功率测量系统包括峰值功率分析仪、示波器和控制监测组合；所述定向耦合器1和定向耦合器2的耦合端口均与峰值功率分析仪、示波器连接，控制监测组合与峰值功率计、示波器连接。
2.根据权利要求1所述的兆瓦级脉冲功率测量装置，其特征在于，所述大功率负载为水负载，定向耦合器2的输出端与大功率负载相连。
3.根据权利要求1所述的兆瓦级脉冲功率测量装置，其特征在于，该装置进一步包括波导同轴转换，所述定向耦合器1和定向耦合器2均通过所述波导同轴转换与峰值功率分析仪、示波器连接。
4.根据权利要求1所述的兆瓦级脉冲功率测量装置，其特征在于，该装置进一步包括真空计，真空波导三通的通道3还与所述真空计连接。
5.一种兆瓦级脉冲功率测量方法，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述的兆瓦级脉冲功率测量装置进行测量，包括如下步骤：
步骤一，构建兆瓦级脉冲功率级联耦合传输系统：
兆瓦级脉冲功率信号经过真空直波导后输入定向耦合器1，定向耦合器1的输出端口通过真空直波导连接真空波导三通，真空波导三通的通道1连接定向耦合器1的输出端口，进行兆瓦级脉冲功率输入，通道2连接定向耦合器2的输入端口，进行兆瓦级脉冲功率输出，兆瓦级脉冲功率从定向耦合器2输出端口输出后，通过过渡波导和真空窗输入大功率负载，完成微波能量吸收；
步骤二，构建真空制备系统和冷却系统：
机械泵分子泵机组对波导系统进行真空制备，使其真空度降为10-6Pa以下，离子泵对高真空进行维持，当高真空被破坏后，给出报警信号，从而保证整个传输系统在正常工作时内部不出现打火现象；水冷机对大功率负载进行冷却，保证其不被兆瓦级脉冲功率烧毁；
步骤三，构建兆瓦级脉冲功率测量系统：
定向耦合器1、2的耦合端口均与峰值功率分析仪、示波器连接，用于进行兆瓦级脉冲功率和脉冲波形测量，测量结果由控制监测组合采集；控制监测组合与峰值功率计、示波器连接，监控波形、电压驻波比和功率测量结果以及大功率负载运行状态，当波导内反射过大、温度过高时关断兆瓦级脉冲功率信号；
步骤四，获得兆瓦级脉冲功率测量结果修正因子：
首利用真空制备系统对级联耦合传输系统进行真空制备，保证其真空度在10-6Pa以下，之后采用网络分析仪级联耦合传输系统中定向耦合器1和定向耦合器2的耦合度进行测量，得到真空状态下的耦合度C1和C2，C1为连接定向耦合器1耦合端口脉冲功率测量结果的修正因子，单位为dB，C2为连接定向耦合器2耦合端口脉冲功率测量结果的修正因子，单位为dB；
步骤五，处理兆瓦级脉冲功率测量结果：
在连接兆瓦级脉冲功率源、级联耦合传输系统、真空制备系统、冷却系统和兆瓦级脉冲功率测量系统后，打开兆瓦级脉冲功率源，此时连接定向耦合器1和定向耦合器2耦合端口的峰值功率分析仪读数分别为P1和P2，单位dBm，则通过端口1输出功率计算出的兆瓦级脉冲功率为P1.10C1/10，通过端口2输出功率计算出的兆瓦级脉冲功率为P2.10C2/10。
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