CN1168994C - 微波自动测量装置 - Google Patents

Abstract

涉及一种微波测量装置，尤其是应用微机和网络分析，实现点频与扫频条件下多种参数测量的微波自动测量装置。设有微波装置、微波标量网络分析装置和微机装置。采用微机装置和微波标量网络分析，并改进了已有的微波装置，可方便地提供点频和不同频带的扫频信号。另外用步进电机代替手动旋钮，使微机控制电机以带动波导测量线的探针沿波导开槽线移动，实现自动测量的目的。网络分析装置一机多用，性价比高：实现点频和扫频状态下多参数测量，测量分辨率更高，测试数据更准确，且界面简单易于操作，尤其适合于微波教学实验设备的升级换代。

Description

微波自动测量装置

(1)技术领域

本发明涉及一种微波测量装置，尤其是应用微机和网络分析，实现点频与扫频条件下多种参数测量的微波自动测量装置。

(2)背景技术

传统的微波测量，尤其是应用于微波教学实验测试系统的微波测量以手动方式进行，不仅过程缓慢，而且精度难以提高。已有的微波测量装置设有微波源、隔离器、可变衰减器、波导测量线、精密衰减器和晶体检波器。目前国内几所高校采用的微机辅助测量是80年代开发的，其微波源多采用耿氏二极管和速测管，扫频范围窄、测量范围有限、频率稳定度差。同时检波信号的放大及接口板的设计为点频、扫频各自一套，实际应用时必须随时拔插接口板，改变不同仪器的连线，在软件设计上采用DOS用户界面，不够形象直观，给试验带来不便。

(3)发明内容

本发明旨在提供一种能实现点频和扫频条件下进行多种参数测量，通过微机的应用对数据进行采集、运算、误差分析与处理，其测量精度与可靠性较高，满足常规的测量要求的微波自动测量装置。

本发明的另一目的是提供一种性价比高，尤其适合于微波教学实验的微波自动测量装置。

本发明设有微波装置，微波装置包括微波源、隔离器、可变衰减器、波导测量线、衰减器和晶体检波器，所说的波导测量线带步进电机，用于带动微波装置的探针沿开槽波导移动。

设有微波标量网络分析装置，微波标量网络分析装置包括直流放大器、步进电机驱动电路、点频与扫频控制信号电路和电源电路，直流放大器的输入端分别接微波装置、带步电机的波导测量线上的探针检波信号输出端和晶体检波器的输出端；步进电机驱动电路的输出端接微波装置的步进电机，用于控制电机带动波导测量线的探针沿波导开槽线移动；点频与扫频控制信号电路的输出端接微波源，用于控制微波源提供点频和不同频带的扫频信号。

设有微机装置，微机装置设有PC机和数据采集板(接口卡)，接口卡插于PC机扩展槽，接口卡的D/A转换器输出端接点频与扫频控制信号电路的输入端，接口卡的A/D转换器的输入端接直流放大电路的输出端，接口卡的DI/DO输出端口接步进电机驱动电路的输入端。

可采用压控振荡器为微波源，该源可采用场效应管，耿氏管。

微波标量网络分析装置的直流放大电路的输出端可以设显示记录装置，例如设电流表以显示点频信号，设显示屏以显示扫频信号，等等。

所说的点频与扫频控制信号电路可设有电压跟随器与转换开关、锯齿波发生器、分压器、加法器。电压跟随器的输入端接转换开关的固定接点，输出端分别接分压器和微波装置的压控振荡器的输入转换开关的宽带扫频输入接点。电压跟随器转换开关的两转换接点分别接微机装置的接口卡的D/A转换器输出端和锯齿波发生器输出端。分压器的输出端接加法器的输入端。加法器的输出端接压控振荡器的输入转换开关的点频窄带扫频输入接点。加法器的另一输入端接直流偏置电路。

与已有的微波测量装置相比，本发明采用微机装置和微波标量网络分析的技术方案，并改进了已有的微波装置，使微波源的微波信号频率由微机控制，控制电压由PC机系统通过D/A变换获取，既可以得到某一固定电压，又可以得到不同幅度的锯齿波电压，因此可以方便地提供点频和不同频带的扫频信号。另外用步进电机代替手动旋钮，使微机控制电机以带动波导测量线的探针沿波导开槽线移动，实现自动测量的目的。

本发明的微波标量网络分析装置一机多用性价比高：

a、利用相位选择开关，将点频所需的反相放大电路和扫频所需的同相放大电路以及A/D、D/A接口板合二为一，提高性价比，实现点频和扫频状态下多参数测量：如频率fo、波导波长λg、驻波比ρ、反射系数Γ、晶体检波律n、腔体品质因数Q、双口网络S参数、介电参数εr、衰减器校正曲线、阻抗圆图显示等检测，随着测试程序的不断完善，测试功能将不断扩展。

b、该分析装置提供VCO场效应管工作电源(-9V)和耿氏管工作电压(8～12)V，特别是采用VCO压控振荡微波源，其扫频范围宽，频率稳定性好，并可配有数字电压表和数字电流表为调节最佳的微波输出功率提供依据。

c、可用于自动和手动两种测量方式，在无电脑驱动扫频信号控制下，仪器自带扫频所需的锯齿波发生器，完全满足手动状态下的点频和扫频测量。

d、配有两套四相八拍的电机启动电路，在X、Y两路步进电机进行下，可实现X、Y平面的检测。

e、在扫频测量Q值时，可备有正常扫频测量和扩展高精度测量两档，该功能由仪器中的可调基准电压、幅度可调的锯齿波电压、加法比例电路来实现，使测量分辨率更高，测试数据更准确。

f、为了保证测量的精度，减少系统误差，可在电源部分使用了更大容量的电容，在放大电路中使用低温漂、高精度的运放OP07，使用多圈可变电阻以方便调节放大倍数和零点；采用12位的AD/DA板，使用步距角小，相数多(四相)的步进电机等，整机安装增加了引线屏蔽，使信噪比更高，温漂更小。

在软件方面，可配合采用VC6.0为软件开发工具，编制了Windows系统下的配套应用软件，实现了良好的人机界面和各种项目的测量。

综上所述，本发明可实现多种微波参数的测量，且界面简单易于操作，尤其适合于微波教学实验设备的升级换代。

(4)附图说明

图1为本发明实施例的结构框图。

图2为直流放大器电路原理图。

图3为步进电机驱动电路原理图。

图4为锯齿波发生器的原理图。

图5为稳压电源局部原理图。

图6为软件系统方框图。

(5)具体实施方式

如图1所示，本发明由微波装置I、微波标量网络分析装置II、微机装置III和稳压电源组成。微波装置I设有场效应管压控振荡器1、隔离器2、可变衰减器3、带步进电机的波导测量线4、精密衰减器5和晶体检波器6。

采用压控振荡器为微波源，该源可采用场效应管及耿氏管，压控振荡器产生微波功率，而微波频率由微机控制，控制电压由PC机系统的接口卡P1，通过D/A变换获取，既可以得到某一固定电压，也可以得到不同幅度任意形状的电压，特别是锯齿状的连续波电压(简称锯齿波)，因此就可以方便地提供点频和不同频带的扫频信号。PC机可连接显示设备P2和打印设备P3。

为实现自动测量，将开槽测量线TC 26加以改造，用步进电机代替手动旋纽，添装弹性连接器及限位微动开关，使微机控制电机转动就能带动探针沿开槽线移动。

微波标量网络分析装置II设有电压跟随器7及转换开关K1、锯齿波发生器8、分压器9、加法器10、压控振荡器输入转换开关K2、步进电机驱动电路11、直流放大电路12和稳压电源13。参见图2～5。图2给出A/D直流放大电路的原理图，在微波测量系统中，晶体检波信号通常为100～5mV，故检波信号必须经放大后输入接口板进行A/D变换，称此直E流放大为A/D直流放大电路：该电路由三级运放组成，集成运放采用高精度低漂移的OP07管，电阻选用金属膜电阻，电位器选用精密多圈线绕电位器。该电路设计上采用了一系列措施：第一级设计同相比例放大器，为电压串联负反馈，具有输入阻抗高的优势，电路增益： $A_{u1}=1+R_{19}/R_{18}\≈10$ (倍)第二级为反相比例放大电路。该电路输入电阻基本上等于R₂₁。根据设计要求，R₂₁应比Ro₁大50～100倍。在此我们取100k。若要求输入电阻100kΩ，电压放大倍数100倍，对一般反相比例放大电路而言，就应取R21＝100KΩ，反馈电阻Rf＝10MΩ，由于工艺上的原因，阻值高达10MΩ的电阻稳定性差，因此采用R₂₂，R₂₃，R₂₄和R_w1组成的T型反馈网络，运用“虚断”、“虚地”的概念，有：

I₁＝I₂                       V_i2＝I₁R₂₁＝I₂R₂₂

V_A＝-I₂R₂₂＝-I₄(R₂₄+R_w1)

$I_4=I_2{R}_{22}/(R_{24}+R_{w1})$

$V_{02}=-(I_2{R}_{22}+I_3{R}_{23})=-[I_2{R}_{22}+(I_2+I_4)R_{23}]=-I_2(R_{22}+R_{23}{+}^{R_{22R_{23}}}/R_{24}+R_{w1})$

$A_{u2}=\frac{V_{02}}{V_{12}}=-\frac{R_{22}+R_{23}{+}^{R22R23}/R_{24}+R_{w1}}{R_{21}}$

此时，反相端对地等效电阻Rn＝R21//[R22//(R24+Rw1)+R23]≈34K，故取同相端对地等效电阻Rp＝R25+RW2/8c34K，电路中选定R₂₁＝100K，R₂₂＝20K，R₂₃＝50K，R₂₄＝100Ω，R_w1＝33K，则放大倍数Au2在电位器R_w1为0时约为-100，在电位器R_w1为33K时为-1，因此在电阻值选取合适的情况下，第二级电压放大倍数Au2为-(1～100)倍。

在实际应用中，由于集成运放管制造工艺的限制，电路内的差分对管等不可能制作得完全对称。这样便产生了输入失调电压及失调电流，当检波信号输入为零时，输出电压不为零。因此，在第二级同相端加入了外调零电路，同时考虑到电源±15V的波动，将直接影响补偿电压，使静态调零不稳定。故采用调零电位器中点接地方式，极大减少了电源电压波动及干扰的影响。

由于检波晶体架中检波管为反相输出，测量线上探针检波信号却是正相检波信号。因此，增加了第三级单位倒相器，工作时，采用同相放大或反相放大，应根据检波信号极性正确地选择面板上的开关。以上所设计的三级放大电路为消除自激振荡，在电压负反馈回路上都并接补偿电容C₁₀、C₁₁、C₁₂。同时，为满足运放输入级为差动电路的要求，设计上将反相端对地等效电阻Rn与同相端对地等效电阻Rp取值相一致，尽量减少附加的共模信号。经以上几方面的考虑后的设计，在电路安装调试之后，将增益调至最大，Uo＝5V时，Uimin≈5mv，增益调至最小，Uo＝5V时，Uimax≈500mv，总增益Au＝Au1Au2＝10～1000，实际值与理论值相当吻合。在图2中in1为检波输入端，out1为同相输出端，out2为反相输出端。

图3给出步进电机驱动电路原理图，步进电机由微机控制，微机将驱动信号由接口卡的数据锁存器输出(利用接口卡的数字量输出功能)，通过功率放大后加入电机的各个绕组。为防止误触发，在驱动管前加了一级非门；考虑到所需的驱动电流较大，增加限流电阻，并采用大功率的达林顿管D2220，并增加了反向泄流开关管IN4148。在图中，Z1为步进电机输入插座，Z2为两路步进电机输出插座。

图4给出锯齿波发生器电路原理图，其中运放U15A组成锯齿波发生电路的积分电路和电压比较器，电阻R56、二极管D12和三极管U16组成充电电路，R57、D13组成放电电路。当电位U_R高于U_C电位时，U15A的输出端1为高电平，电容C28被充电；当U_C所充电压比U_R高时，输出端电压翻转，脚1输出低电平，管U16截止，C28通过D13、R57放电，直至U_C低于U_R，充电又开始，由此输出锯齿波电压。U15B和U15D为同相跟随，U15C为同相放大，R49调零，R50调整增益。

图5给出稳压电源的局部电路原理图，由于各部分电路所需要的直流电压各不相同，此外，为了防止相互干扰，设计了±15V、+12V、-9V、+5V、8～12V等7路电源电路，对各部分提供相应电压。在图5中，首先将220V的交流市电经过滤波器(EMI FILTER)之后加入变压器B，经过不同的变比将交流市电转换为各种不同的较低电压，然后分别整流器B3、B4、B5和滤波、稳压，得到各自需要的直流电压。为了有一个明确的电压电流指示，在电路中增加了数字式的电压表头和电流表头(图中未给出)。电流表可以显示输入固体微波源的电流大小，以方便寻找固体源的最佳谐振点；电压表可以用按键控制显示各路直流电压值，这样方便观察仪器的稳定性。

图6为软件系统各模块的结构框图。该软件采有Visual C++编程，实现Windows界面下的人机会话，主界面通过菜单或工具栏进入三个不同的功能测试单元。

设置功能单元：主要完成一些基本参数的设置，如基地址，A/D、D/A通道号，扫描起止频率，以及VCO输入电压输出微波频率的拟合等功能。

点频功能单元：测量系统为单一频率的微波信号，可实现开槽波导测量线接不同终端负载情况下，线上的驻波比，负载等效阻抗，晶体检波律校正曲线等。

扫频功能单元：微波压控振荡器上锯齿波电压，测量线上为扫频信号，通过精密可变衰减器的定标，可实现对待测件传输系数的测量，并能对谐振腔的谐振频率，有载品质因数进行测量，也可根据需要，对谐振曲线进行扩展测量。根据微扰法，检测谐振腔微扰前后的谐振频率变化，可测得介质介电常数。

本发明的标量网络分析装置具有微波源扫频控制电路、电机驱动电路、场效应管及耿氏管的工作电源和直流放大器等四部分及测量系统软件，可实现微波波长λ、波导波长λg、频率f、驻波比ρ、反射系数Γ、二极管检波律n的测量及衰减器校准曲线微波腔谐振曲线、阻抗圆图显示的功能，软件界面分为主页面、点频、扫频和设置四部分。

Claims (3)

1、微波自动测量装置，其特征在于设有

1)微波装置，微波装置包括微波源、隔离器、可变衰减器、波导测量线、衰减器和晶体检波器，所说的波导测量线带步进电机，用于带动微波装置的探针沿开槽波导移动；

2)微波标量网络分析装置，微波标量网络分析装置包括直流放大器、步进电机驱动电路、点频与扫频控制信号电路和电源电路，直流放大器的输入端分别接微波装置、带步进电机的波导测量线上的探针检波信号输出端和晶体检波器的输出端，步进电机驱动电路的输出端接微波装置的步进电机，用于控制电机带动波导测量线的探针沿波导开槽线移动，点频与扫频控制信号电路的输出端接压控振荡器，用于控制微波源提供点频和不同频带的扫频信号；

所说的点频与扫频控制信号电路设有电压跟随器与转换开关、锯齿波发生器、分压器、加法器；电压跟随器的输入端接转换开关的固定接点，输出端分别接分压器和微波装置的压控振荡器的输入转换开关的宽带扫频输入接点；电压跟随器转换开关的两转换接点分别接微机装置的接口卡的D/A转换器输出端和锯齿波发生器输出端；分压器的输出端接加法器的输入端；加法器的输出端接压控振荡器的输入转换开关的点频窄带扫频输入接点；加法器的另一输入端接直流偏置电路；

3)微机装置，微机装置设有PC机和接口卡，接口卡插于PC机扩展槽，接口卡的D/A转换器输出端接点频与扫频控制信号电路的输入端，接口卡的A/D转换器的输入端接直流放大电路的输出端，接口卡的DI/DO输出端口接步进电机驱动电路的输入端。

2、如权利要求1所述的微波自动测量装置，其特征在于所说的微波标量网络分析装置的直流放大电路的输出端设显示记录装置。

3、如权利要求2所述的微波自动测量装置，其特征在于所说的显示记录装置为电流表以显示点频信号；显示屏以显示扫频信号。

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