CN203798907U - 一种具有自标定功能的多道宽带微波辐射计 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于一种核聚变等离子体诊断装置，具体涉及一种具有自标定功能的多道宽带微波辐射计，它由微波源、控制器、隔离器、混频器、滤波器、微波天线系统、宽带微波放大系统、宽带功分器阵列、检波器和视频放大系统等组成。优点是，通过调节本实用新型提供的微波辐射计系统的工作模式，实现各通道间的相对标定，它具有标定方法简单、可靠性高、成本低、系统测量频率范围宽等优点。本微波辐射计，除了能用于聚变等离子体微波诊断外，还可以用于空间微波辐射监测，微波通讯信号接收等。
Description
技术领域
本发明属于一种核聚变等离子体诊断装置，具体涉及一种具有自标定功能的多道宽带微波辐射计，它具有标定方法标定简单、可靠性高、成本低、测量频率范围宽等优点。
背景技术
微波辐射计是测量等离子体电子温度的重要手段，这是因为托卡马克中的高温等离子体为磁场所约束，由于洛仑兹力的作用，电子作回旋运动产生电子回旋辐射，电子回旋辐射频率在微波频段，强度正比于电子温度。由于电子回旋辐射的频率是发射点的回旋频率及其谐波频率，其完全由发射点的磁场决定，因此电子回旋辐射信号为定域的微波信号。通过测量电子回旋辐射谱，可以获得等离子体电子温度分布和湍流分布等重要物理参数。
目前已发展了多种类型的微波辐射计来测量电子回旋辐射谱。早期发展了扫频微波辐射计，这种辐射计系统简单，只需要一个宽带扫频源和宽带混频器，但是系统测量的精度较差，特别是时间精度由扫频周期决定，达到大约几十毫秒，只能得到稳态等离子体的电子温度分布，不能用于等离子体温度快速变化和湍流的测量。后期发展了多道超外差微波辐射计，其空间精度和时间精度较高，但是系统需要多次变频、放大和滤波处理，系统复杂，成本较高。而且这种系统的微波本振源通常是定频工作，当等离子体运行的磁场发生变化时，需要更换微波本振源。
微波辐射计的另一个主要问题是系统标定，目前主要采用双温度法来标定系统，即外接一个微波黑体，改变黑体的表面温度来测量输出信号的差值，从而得到系统的标定系数。但是通常黑体的温度差只能做到几百度，远低于等离子体的温度，因此系统需要额外的锁定放大系统，通过长时间的积分放大，才能测量到差值系数。
这些方法能在一定程度上实现系统的标定，但是还有很多因素会给系统标定带来影响，如传输系统变化、负载变化、系统老化和工作点飘移等,因此需要经常对系统在装置上进行在线标定。对于多道微波辐射计，需要很长的在线标定时间，才能获得信噪比足够的测量差值。国外一些装置的经验，在线标定需要至少一个多月时间，这会对装置的运行时间造成严重影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有自标定功能的多道宽带微波辐射计，它能够解决标定需要额外的双温度标定源、且标定过程复杂、耗时长等问题。
本发明是这样实现的，一种具有自标定功能的多道宽带微波辐射计，它包括微波合成源、微波频率输出控制器、本振源端隔离器、微波倍频器、微波混频器、接收端隔离器、微波高通滤波器、带阻滤波器、微波天线系统、中频高通滤波器、宽带微波放大器、宽带功分器、第一组带通滤波器、第二组微波放大器、第二组功分器、第二组带通滤波器、检波器、视频放大系统、数据采集和分析系统，微波合成源的波形控制端与微波频率输出控制器的输出端连接，微波合成源的微波输出端与本振源端隔离器的输入端连接，本振源端隔离器的输出端与微波倍频器的输入端连接，微波倍频器的输出端与微波混频器的本振输入端连接，微波天线系统接收等离子体或空间辐射来的微波，其输出端与带阻滤波器的输入端连接，带阻滤波器的输出端与微波高通滤波器的输入端连接，微波高通滤波器的输出端与接收端隔离器的输入端连接，接收端隔离器的输出端与微波混频器的射频接收端连接。
所述的微波混频器的中频输出端与中频高通滤波器的输入端连接，中频高通滤波器的输出端与宽带微波放大器的输入端连接，宽带微波放大器的输出端与宽带功分器的输入端连接，宽带功分器的输出端与第一组带通滤波器的输入端连接，第一组带通滤波器的输出端与第二组微波放大器的输入端连接，第二组微波放大器的输出端与第二组功分器的输入端连接，第二组功分器的输出端与第二组带通滤波器的输入端连接，第二组带通滤波器的输出端与检波器的微波输入端连接，检波器的输出端与视频放大系统的输入端连接，视频放大器的输出端与数据采集和分析系统的输入端连接。
所述的微波合成源为一个高稳定度的宽带微波源，能够进行频率和功率的控制，其输出微波需要有步进控制功能，可以为内部控制，也可以为外部的微波频率输出控制器控制，两个频率的跳变的时间需要小于1ms。
所述的微波隔离器和接收端隔离器分别用于本振端和射频接收端的微波单向传输，隔离度要大于20dB以上。
所述的微波高通滤波器用于实现上边带接收和去掉下边带的影响；所述的中频高通滤波器用于去除混频器产生的低频干扰。
所述的带阻滤波器用于在高功率电子回旋共振辅助加热实验中，吸收电子回旋共振加热波。
所述的第一组微波放大系统为宽带放大，频率需要覆盖中频系统的整个测量区间；所述的第二组微波放大系统用于微波分段后的高增益放大，两级放大系统在考虑系统的插入损耗后的净增益需要大于60dB。
所述的宽带功分器和第一组带通滤波器用于将测量信号分成多个频率区间，第二组功分器用于进一步细分出空间测量道，第二组带通滤波器用于决定最终测量道的频率带宽，相邻道的频率间隔和带宽决定了系统的空间分辨率，当频率间隔为1GHz时，空间分辨率为2cm。
所述的检波器的灵敏度为-45dBm，视频放大系统的视频带宽为1MHz。
本发明的优点是，通过调节本发明提供的微波辐射计系统的工作模式，实现各通道间的相对标定，它具有标定方法简单、可靠性高、成本低、系统测量频率范围宽等优点。本微波辐射计，除了能用于聚变等离子体微波诊断外，还可以用于空间微波辐射监测，微波通讯信号接收等。本发明在多道微波辐射计中引入高精度宽带微波本振源，中频系统采用高频滤波阵列，不需要二级本振和二级混频和放大系统，因此系统得到简化，可靠性有所提高。另外，通过改变微波本振源，除了可以测量更宽的频谱和空间位置，还能够利用微波源的扫频功能实现系统各空间测量道的相对标定。标定不需要其它任何辅助设备，在实验过程中就能够一起完成，因此成本低，标定方法简单。由于本标定方法是通过改变测量频率来移动测量位置，且测量位置与下一道的位置严格重合，标定的可靠性较高，是一种比较有应用前景的标定方法。
附图说明
图1是本发明所提供的一种具有自标定功能的多道宽带微波辐射计示意图。
图中：1微波合成源，2微波频率输出控制器，3本振源端隔离器，4微波倍频器，5微波混频器，6接收端隔离器，7微波高通滤波器，8带阻滤波器，9微波天线系统，10中频高通滤波器，11第一组微波放大系统，12宽带功分器，13第一组带通滤波器，14第二组微波放大系统，15第二组功分器，16第二组带通滤波器，17检波器，18视频放大系统，19数据采集和分析系统。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细介绍：
一种具有自标定功能的多道宽带微波辐射计，它包括微波合成源、微波频率输出控制器、本振源端隔离器、微波倍频器、微波混频器、接收端隔离器、高通滤波器、带阻滤波器、微波天线系统、高通滤波器、第一组宽带微波放大系统、宽带功分器、第一组带通滤波器、第二组微波放大系统、第二组功分器、第二组带通滤波器、检波器、视频放大系统、数据采集和分析系统等组成。
微波合成源的输出端依次与本振源端隔离器、微波倍频器、微波混频器的本振端连接；微波天线系统的输出端依次与带阻滤波器、高通滤波器、和微波混频器的射频端连接；微波混频器的输出端依次与高通滤波器、宽带微波放大系统、宽带功分器、第一组带通滤波器、第二组微波放大系统、第二组功分器、第二组带通滤波器、检波器、视频放大系统、数据采集和分析系统连接。
所述的微波合成源通过微波频率控制器输出低频微波，经微波倍频器将微波频率放大到工作频率，作为本振信号且其功率足够驱动微波混频器。天线系统接收的微波信号，经高通滤波器滤波后在混频器中与本振信号混频，下变频至中频信号。在中频系统中，被功分器阵列分成系统需要测量的空间道，然后每道用带通滤波器选择适当空间精度对应带宽的中频信号，最后经检波和视频放大系统，输出给数据采集和分析系统。
由于本系统采用宽带的微波合成源和宽带微波倍频器，微波合成源的输出频率能够控制。当微波本振频率发生改变时，每一道对应的测量位置也发生改变。当通道A的测量位置移动到相邻通道B的测量位置时，在频率跳变速度较快的情况下，可以认为通道A移动后的测量值正好等于通道B移动前的测量值，于是就得到标定系数的推导关系，从而实现系统的相对标定。由于这种标定方法只是将系统从定频工作模式改为扫频工作模式，其它参数无关，因此具有很好的灵活性，可以在实验中的任意时刻操作，不需要像双温度法那样需要很长时间的在线标定和锁定放大系统才能测量出可靠的温度差。
如图1所示，本发明所提供的一种具有自标定功能的多道宽带微波辐射计的示意图。它包括微波合成源1、微波频率输出控制器2、本振源端隔离器3、微波倍频器4、微波混频器5、接收端隔离器6、微波高通滤波器7、带阻滤波器8、微波天线系统9、中频高通滤波器10、宽带微波放大器11、宽带功分器12、第一组带通滤波器13、第二组微波放大器14、第二组功分器15、第二组带通滤波器16、检波器17、视频放大系统18、数据采集和分析系统19等器件。
微波合成源1的波形控制端与微波频率输出控制器2的输出端连接，微波合成源1的微波输出端与本振源端隔离器3的输入端连接，本振源端隔离器3的输出端与微波倍频器4的输入端连接，微波倍频器4的输出端与微波混频器5的本振输入端连接。微波天线系统9接收等离子体或空间辐射来的微波，其输出端与带阻滤波器8的输入端连接，带阻滤波器8的输出端与微波高通滤波器7的输入端连接，微波高通滤波器7的输出端与接收端隔离器6的输入端连接，接收端隔离器6的输出端与微波混频器5的射频接收端连接。
微波混频器5的中频输出端与中频高通滤波器10的输入端连接，中频高通滤波器10的输出端与宽带微波放大器11的输入端连接，宽带微波放大器11的输出端与宽带功分器12的输入端连接，宽带功分器12的输出端与第一组带通滤波器13的输入端连接，第一组带通滤波器13的输出端与第二组微波放大器14的输入端连接，第二组微波放大器14的输出端与第二组功分器15的输入端连接，第二组功分器15的输出端与第二组带通滤波器16的输入端连接，第二组带通滤波器16的输出端与检波器17的微波输入端连接，检波器17的输出端与视频放大系统18的输出端连接，视频放大器18的输出端与数据采集和分析系统19的输入端连接。
所述的微波合成源1为一个高稳定度的宽带微波源，能够进行频率和功率的控制，其输出微波需要有步进控制功能，可以为内部控制，也可以为外部的微波频率输出控制器2控制，两个频率的跳变的时间需要小于1ms。在用于系统标定时，待测量微波信号发生变化的时间应远小于系统的频跳时间。
所述的微波隔离器3和6分别用于本振端和射频接收端的微波单向传输，防止回路产生寄生反射，进而影响系统的测量精度和部分微波器件安全，因此要求隔离度要大于20dB以上。
所述的微波高通滤波器7用于实现上边带接收和去掉下边带的影响；所述的中频高通滤波器10用于去除混频器产生的低频干扰。
所述的带阻滤波器8用于在高功率电子回旋共振辅助加热实验中，吸收电子回旋共振加热波，防止因等离子体吸收不好，而造成微波系统损坏。
所述的第一组微波放大系统11为宽带放大，频率需要覆盖中频系统的整个测量区间；所述的第二组微波放大系统14用于微波分段后的高增益放大，两级放大系统在考虑系统的插入损耗后的净增益需要大于60dB，且增益可调，防止测量信号增益不够或饱和。
所述的宽带功分器12和第一组带通滤波器13用于将测量信号分成多个频率区间，以利于第二组微波放大系统14对各个不同频率区间分别进行低噪声和高增益放大，防止寄生信号和窜道干扰。第二组功分器15用于进一步细分出空间测量道，第二组带通滤波器16用于决定最终测量道的频率带宽，相邻道的频率间隔和带宽决定了系统的空间分辨率，对于常规托卡马克等离子体测量，当频率间隔大约为1GHz时，空间分辨率大约为2cm。
所述的检波器17的灵敏度和视频放大系统的视频带宽决定了系统的时间分辨率，在聚变等离子体测量中，一般要求的时间分辨率为1～10us，即视频带宽大约为1MHz。
下面结合附图1详细描述本发明所提供的一种具有自标定功能的多道宽带微波辐射计的工作原理：
微波合成源1、微波频率输出控制器2、本振源端隔离器3、微波倍频器4构成本微波辐射计的本振微波系统，用于驱动微波混频器5工作，通常微波倍频器4输出的微波功率要大于10dBm才能有效驱动微波混频器5。
微波混频器5、接收端隔离器6、微波高通滤波器7、带阻滤波器8、微波天线系统9构成本微波辐射计的射频接收系统。从微波天线系统9接收的待测量微波信号，通过带阻滤波器8和微波高通滤波器7进行滤波，然后经接收端隔离器6输入到微波混频器5中进行下变频到中频信号，这样获得的中频信号携带了需要测量的微波频率的功率分布等参量。
在由中频高通滤波器10、宽带微波放大器11、宽带功分器12、第一组带通滤波器13、第二组微波放大器14、第二组功分器15、第二组带通滤波器16、检波器17等构成的中频系统中，微波经过放大和多次功分成系统需要的探测道数，然后由第二组带通滤波器16进行选频，从频域上将需要的测量通道分开，最后由检波器17进行检波输出给视频放大系统18和数据采集与分析系统19，从而获得微波的频谱分布和变化。
下面将详细描述本发明所提供的一种具有自标定功能的多道微波辐射计的标定方法：
要实现系统的相对频谱标定，要求上述中频系统，从频域上等间距地测量从混频器输出的中频信号。当本振的微波频率发生变化时，测量到的微波频谱也相应地发生变化。当本振的微波频率跳变刚好与中频系统通道频率间隔相同时，一个通道A的测量信号正好移动到相邻的下一个通道B的测量位置，于是在通道A和通道B的测量值正好建立了一个对应关系。当待测量微波信号发生变化的时间应远小于系统的频跳时间时，可以认为通道A移动后的测量值正好等于通道B移动前的测量值，于是可以得到一个简单的标定系数推导关系：Ci+1=CiAi/Bi+1，i为通道号，从而实现系统的相对标定。如果有一个通道能够被绝对标定源绝对标定，或者其测量位置能被其它诊断系统绝对测量，则系统就能实现绝对标定。这种标定方法具有很好的灵活性，可以在实验中的任意时刻操作，不需要像双温法那样需要很长时间的在线标定和锁定放大系统才能测量出可靠的温度差。由于本标定方法是对待测量等离子体辐射的测量位置进行移动，且移动位置完全重合，因此误差相对于其它方法更小。
上面结合附图和实施对本发明作了详细说明，同时也详述了本发明系统的标定过程，但是本发明并不限于上述实施例子，例如还可以应用于空间等离子体和微波信号如微波通讯信号的测量，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。
Claims (9)
1.一种具有自标定功能的多道宽带微波辐射计，其特征在于：它包括微波合成源（1）、微波频率输出控制器（2）、本振源端隔离器（3）、微波倍频器（4）、微波混频器（5）、接收端隔离器（6）、微波高通滤波器（7）、带阻滤波器（8）、微波天线系统（9）、中频高通滤波器（10）、宽带微波放大器（11）、宽带功分器（12）、第一组带通滤波器（13）、第二组微波放大器（14）、第二组功分器（15）、第二组带通滤波器（16）、检波器（17）、视频放大系统（18）、数据采集和分析系统（19），微波合成源（1）的波形控制端与微波频率输出控制器（2）的输出端连接，微波合成源（1）的微波输出端与本振源端隔离器（3）的输入端连接，本振源端隔离器（3）的输出端与微波倍频器（4）的输入端连接，微波倍频器（4）的输出端与微波混频器（5）的本振输入端连接，微波天线系统（9）接收空间辐射来的微波，其输出端与带阻滤波器（8）的输入端连接，带阻滤波器（8）的输出端与微波高通滤波器（7）的输入端连接，微波高通滤波器（7）的输出端与接收端隔离器（6）的输入端连接，接收端隔离器（6）的输出端与微波混频器（5）的射频接收端连接。
2.如权利要求1所述的一种具有自标定功能的多道宽带微波辐射计，其特征在于：所述的微波混频器（5）的中频输出端与中频高通滤波器（10）的输入端连接，中频高通滤波器（10）的输出端与宽带微波放大器（11）的输入端连接，宽带微波放大器（11）的输出端与宽带功分器（12）的输入端连接，宽带功分器（12）的输出端与第一组带通滤波器（13）的输入端连接，第一组带通滤波器（13）的输出端与第二组微波放大器（14）的输入端连接，第二组微波放大器（14）的输出端与第二组功分器（15）的输入端连接，第 二组功分器（15）的输出端与第二组带通滤波器（16）的输入端连接，第二组带通滤波器（16）的输出端与检波器（17）的微波输入端连接，检波器（17）的输出端与视频放大系统（18）的输入端连接，视频放大器（18）的输出端与数据采集和分析系统（19）的输入端连接。
3.如权利要求1或2所述的一种具有自标定功能的多道宽带微波辐射计，其特征在于：所述的微波合成源（1）为一个高稳定度的宽带微波源，能够进行频率和功率的控制，其输出微波需要有步进控制功能，可以为内部控制，也可以为外部的微波频率输出控制器（2）控制，两个频率的跳变的时间需要小于1ms。
4.如权利要求1或2所述的一种具有自标定功能的多道宽带微波辐射计，其特征在于：所述的微波隔离器（3）和接收端隔离器（6）分别用于本振端和射频接收端的微波单向传输，隔离度要大于20dB以上。
5.如权利要求1或2所述的一种具有自标定功能的多道宽带微波辐射计，其特征在于：所述的微波高通滤波器（7）用于实现上边带接收和去掉下边带的影响；所述的中频高通滤波器（10）用于去除混频器产生的低频干扰。
6.如权利要求1或2所述的一种具有自标定功能的多道宽带微波辐射计，其特征在于：所述的带阻滤波器（8）用于在高功率电子回旋共振辅助加热实验中，吸收电子回旋共振加热波。
7.如权利要求1或2所述的一种具有自标定功能的多道宽带微波辐射计，其特征在于：所述的第一组微波放大系统（11）为宽带放大，频率需要覆盖中频系统的整个测量区间；所述的第二组微波放大系统（14）用于微波分段后的高增益放大，两级放大系统在考虑系统的插入损耗后的净增益需要大于60dB。
8.如权利要求1或2所述的一种具有自标定功能的多道宽带微波辐射计，其特征在于：所述的宽带功分器（12）和第一组带通滤波器（13）用于将测量信号分成多个频率区间，第二组功分器（15）用于进一步细分出空间测量道，第二组带通滤波器（16）用于决定最终测量道的频率带宽，相邻道的频率间隔和带宽决定了系统的空间分辨率，当频率间隔为1GHz时，空间分辨率为2cm。
9.如权利要求1或2所述的一种具有自标定功能的多道宽带微波辐射计，其特征在于：所述的检波器（17）的灵敏度为-45dBm，视频放大系统的视频带宽为1MHz。
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2014
- 2014-03-31 CN CN201420151093.3U patent/CN203798907U/zh not_active Expired - Lifetime
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