專利名稱：微波自動測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微波測量裝置，尤其是應(yīng)用微機和網(wǎng)絡(luò)分析，實現(xiàn)點頻與掃頻條件下多種參數(shù)測量的微波自動測量裝置。
(2)背景技術(shù)傳統(tǒng)的微波測量，尤其是應(yīng)用于微波教學(xué)實驗測試系統(tǒng)的微波測量以手動方式進行，不僅過程緩慢，而且精度難以提高。已有的微波測量裝置設(shè)有微波源、隔離器、可變衰減器、波導(dǎo)測量線、精密衰減器和晶體檢波器。目前國內(nèi)幾所高校采用的微機輔助測量是80年代開發(fā)的，其微波源多采用耿氏二極管和速測管，掃頻范圍窄、測量范圍有限、頻率穩(wěn)定度差。同時檢波信號的放大及接口板的設(shè)計為點頻、掃頻各自一套，實際應(yīng)用時必須隨時拔插接口板，改變不同儀器的連線，在軟件設(shè)計上采用DOS用戶界面，不夠形象直觀，給試驗帶來不便。
(3)發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明旨在提供一種能實現(xiàn)點頻和掃頻條件下進行多種參數(shù)測量，通過微機的應(yīng)用對數(shù)據(jù)進行采集、運算、誤差分析與處理，其測量精度與可靠性較高，滿足常規(guī)的測量要求的微波自動測量裝置。
本發(fā)明的另一目的是提供一種性價比高，尤其適合于微波教學(xué)實驗的微波自動測量裝置。
本發(fā)明設(shè)有微波裝置，微波裝置包括微波源、隔離器、可變衰減器、波導(dǎo)測量線、衰減器和晶體檢波器，所說的波導(dǎo)測量線帶步進電機，用于帶動微波裝置的探針沿開槽波導(dǎo)移動。
設(shè)有微波標量網(wǎng)絡(luò)分析裝置，微波標量網(wǎng)絡(luò)分析裝置包括直流放大器、步進電機驅(qū)動電路、點頻與掃頻控制信號電路和電源電路，直流放大器的輸入端分別接微波裝置、帶步電機的波導(dǎo)測量線上的探針檢波信號輸出端和晶體檢波器的輸出端；步進電機驅(qū)動電路的輸出端接微波裝置的步進電機，用于控制電機帶動波導(dǎo)測量線的探針沿波導(dǎo)開槽線移動；點頻與掃頻控制信號電路的輸出端接微波源，用于控制微波源提供點頻和不同頻帶的掃頻信號。
設(shè)有微機裝置，微機裝置設(shè)有PC機和數(shù)據(jù)采集板(接口卡)，接口卡插于PC機擴展槽，接口卡的D/A轉(zhuǎn)換器輸出端接點頻與掃頻控制信號電路的輸入端，接口卡的A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端接直流放大電路的輸出端，接口卡的DI/DO輸出端口接步進電機驅(qū)動電路的輸入端。
可采用壓控振蕩器為微波源，該源可采用場效應(yīng)管，耿氏管。
微波標量網(wǎng)絡(luò)分析裝置的直流放大電路的輸出端可以設(shè)顯示記錄裝置，例如設(shè)電流表以顯示點頻信號，設(shè)顯示屏以顯示掃頻信號，等等。
所說的點頻與掃頻控制信號電路可設(shè)有電壓跟隨器與轉(zhuǎn)換開關(guān)、鋸齒波發(fā)生器、分壓器、加法器。電壓跟隨器的輸入端接轉(zhuǎn)換開關(guān)的固定接點，輸出端分別接分壓器和微波裝置的壓控振蕩器的輸入轉(zhuǎn)換開關(guān)的寬帶掃頻輸入接點。電壓跟隨器轉(zhuǎn)換開關(guān)的兩轉(zhuǎn)換接點分別接微機裝置的接口卡的D/A轉(zhuǎn)換器輸出端和鋸齒波發(fā)生器輸出端。分壓器的輸出端接加法器的輸入端。加法器的輸出端接壓控振蕩器的輸入轉(zhuǎn)換開關(guān)的點頻窄帶掃頻輸入接點。加法器的另一輸入端接直流偏置電路。
與已有的微波測量裝置相比，本發(fā)明采用微機裝置和微波標量網(wǎng)絡(luò)分析的技術(shù)方案，并改進了已有的微波裝置，使微波源的微波信號頻率由微機控制，控制電壓由PC機系統(tǒng)通過D/A變換獲取，既可以得到某一固定電壓，又可以得到不同幅度的鋸齒波電壓，因此可以方便地提供點頻和不同頻帶的掃頻信號。另外用步進電機代替手動旋鈕，使微機控制電機以帶動波導(dǎo)測量線的探針沿波導(dǎo)開槽線移動，實現(xiàn)自動測量的目的。
本發(fā)明的微波標量網(wǎng)絡(luò)分析裝置一機多用性價比高a、利用相位選擇開關(guān)，將點頻所需的反相放大電路和掃頻所需的同相放大電路以及A/D、D/A接口板合二為一，提高性價比，實現(xiàn)點頻和掃頻狀態(tài)下多參數(shù)測量如頻率fo、波導(dǎo)波長λg、駐波比ρ、反射系數(shù)Γ、晶體檢波律n、腔體品質(zhì)因數(shù)Q、雙口網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)、介電參數(shù)εr、衰減器校正曲線、阻抗圓圖顯示等檢測，隨著測試程序的不斷完善，測試功能將不斷擴展。
b、該分析裝置提供VCO場效應(yīng)管工作電源(-9V)和耿氏管工作電壓(8～12)V，特別是采用VCO壓控振蕩微波源，其掃頻范圍寬，頻率穩(wěn)定性好，并可配有數(shù)字電壓表和數(shù)字電流表為調(diào)節(jié)最佳的微波輸出功率提供依據(jù)。
c、可用于自動和手動兩種測量方式，在無電腦驅(qū)動掃頻信號控制下，儀器自帶掃頻所需的鋸齒波發(fā)生器，完全滿足手動狀態(tài)下的點頻和掃頻測量。
d、配有兩套四相八拍的電機啟動電路，在X、Y兩路步進電機進行下，可實現(xiàn)X、Y平面的檢測。
e、在掃頻測量Q值時，可備有正常掃頻測量和擴展高精度測量兩檔，該功能由儀器中的可調(diào)基準電壓、幅度可調(diào)的鋸齒波電壓、加法比例電路來實現(xiàn)，使測量分辨率更高，測試數(shù)據(jù)更準確。
f、為了保證測量的精度，減少系統(tǒng)誤差，可在電源部分使用了更大容量的電容，在放大電路中使用低溫漂、高精度的運放OP07，使用多圈可變電阻以方便調(diào)節(jié)放大倍數(shù)和零點；采用12位的AD/DA板，使用步距角小，相數(shù)多(四相)的步進電機等，整機安裝增加了引線屏蔽，使信噪比更高，溫漂更小。
在軟件方面，可配合采用VC6.0為軟件開發(fā)工具，編制了Windows系統(tǒng)下的配套應(yīng)用軟件，實現(xiàn)了良好的人機界面和各種項目的測量。
綜上所述，本發(fā)明可實現(xiàn)多種微波參數(shù)的測量，且界面簡單易于操作，尤其適合于微波教學(xué)實驗設(shè)備的升級換代。
(4)


圖1為本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2為直流放大器電路原理圖。
圖3為步進電機驅(qū)動電路原理圖。
圖4為鋸齒波發(fā)生器的原理圖。
圖5為穩(wěn)壓電源局部原理圖。
圖6為軟件系統(tǒng)方框圖。
(5)具體實施方式
如圖1所示，本發(fā)明由微波裝置I、微波標量網(wǎng)絡(luò)分析裝置II、微機裝置III和穩(wěn)壓電源組成。微波裝置I設(shè)有場效應(yīng)管壓控振蕩器1、隔離器2、可變衰減器3、帶步進電機的波導(dǎo)測量線4、精密衰減器5和晶體檢波器6。
采用壓控振蕩器為微波源，該源可采用場效應(yīng)管及耿氏管，壓控振蕩器產(chǎn)生微波功率，而微波頻率由微機控制，控制電壓由PC機系統(tǒng)的接口卡P1，通過D/A變換獲取，既可以得到某一固定電壓，也可以得到不同幅度任意形狀的電壓，特別是鋸齒狀的連續(xù)波電壓(簡稱鋸齒波)，因此就可以方便地提供點頻和不同頻帶的掃頻信號。PC機可連接顯示設(shè)備P2和打印設(shè)備P3。
為實現(xiàn)自動測量，將開槽測量線TC26加以改造，用步進電機代替手動旋紐，添裝彈性連接器及限位微動開關(guān)，使微機控制電機轉(zhuǎn)動就能帶動探針沿開槽線移動。
微波標量網(wǎng)絡(luò)分析裝置II設(shè)有電壓跟隨器7及轉(zhuǎn)換開關(guān)K1、鋸齒波發(fā)生器8、分壓器9、加法器10、壓控振蕩器輸入轉(zhuǎn)換開關(guān)K2、步進電機驅(qū)動電路11、直流放大電路12和穩(wěn)壓電源13。參見圖2～5。圖2給出A/D直流放大電路的原理圖，在微波測量系統(tǒng)中，晶體檢波信號通常為100～5mV，故檢波信號必須經(jīng)放大后輸入接口板進行A/D變換，稱此直流放大為A/D直流放大電路該電路由三級運放組成，集成運放采用高精度低漂移的OP07管，電阻選用金屬膜電阻，電位器選用精密多圈線繞電位器。該電路設(shè)計上采用了一系列措施第一級設(shè)計同相比例放大器，為電壓串聯(lián)負反饋，具有輸入阻抗高的優(yōu)勢，電路增益Au1＝1+R19/R18≈10(倍)第二級為反相比例放大電路。該電路輸入電阻基本上等于R21。根據(jù)設(shè)計要求，R21應(yīng)比Ro1大50～100倍。在此我們?nèi)?00k。若要求輸入電阻100kΩ，電壓放大倍數(shù)100倍，對一般反相比例放大電路而言，就應(yīng)取R21＝100KΩ，反饋電阻Rf＝10MΩ，由于工藝上的原因，阻值高達10MΩ的電阻穩(wěn)定性差，因此采用R22，R23，R24和Rw1組成的T型反饋網(wǎng)絡(luò)，運用“虛斷”、“虛地”的概念，有I1＝I2Vi2＝I1R21＝I2R22VA＝-I2R22＝-I4(R24+Rw1) I4＝I2R22/(R24+RW1)V02=-(I2R22+I3R23)=-[I2R22+(I2+I4)R23]=-I2(R22+R23+R22R23/R24+Rw1)]]>Au2=V02Vi2=-R22+R23+R22R23/R24+Rw1R21]]>此時，反相端對地等效電阻Rn＝R21//[R22//(R24+Rw1)+R23]≈34K，故取同相端對地等效電阻Rp＝R25+RW2/8c34K，電路中選定R21＝100K，R22＝20K，R23＝50K，R24＝100Ω，Rw1＝33K，則放大倍數(shù)Au2在電位器RW1為0時約為-100，在電位器Rw1為33K時為-1，因此在電阻值選取合適的情況下，第二級電壓放大倍數(shù)Au2為-(1～100)倍。
在實際應(yīng)用中，由于集成運放管制造工藝的限制，電路內(nèi)的差分對管等不可能制作得完全對稱。這樣便產(chǎn)生了輸入失調(diào)電壓及失調(diào)電流，當檢波信號輸入為零時，輸出電壓不為零。因此，在第二級同相端加入了外調(diào)零電路，同時考慮到電源±15V的波動，將直接影響補償電壓，使靜態(tài)調(diào)零不穩(wěn)定。故采用調(diào)零電位器中點接地方式，極大減少了電源電壓波動及干擾的影響。
由于檢波晶體架中檢波管為反相輸出，測量線上探針檢波信號卻是正相檢波信號。因此，增加了第三級單位倒相器，工作時，采用同相放大或反相放大，應(yīng)根據(jù)檢波信號極性正確地選擇面板上的開關(guān)。以上所設(shè)計的三級放大電路為消除自激振蕩，在電壓負反饋回路上都并接補償電容C10、C11、C12。同時，為滿足運放輸入級為差動電路的要求，設(shè)計上將反相端對地等效電阻Rn與同相端對地等效電阻Rp取值相一致，盡量減少附加的共模信號。經(jīng)以上幾方面的考慮后的設(shè)計，在電路安裝調(diào)試之后，將增益調(diào)至最大，Uo＝5V時，Uimin≈5mv，增益調(diào)至最小，Uo＝5V時，Uimax≈500mv，總增益Au＝AulAu2＝10～1000，實際值與理論值相當吻合。在圖2中in1為檢波輸入端，out1為同相輸出端，out2為反相輸出端。
圖3給出步進電機驅(qū)動電路原理圖，步進電機由微機控制，微機將驅(qū)動信號由接口卡的數(shù)據(jù)鎖存器輸出(利用接口卡的數(shù)字量輸出功能)，通過功率放大后加入電機的各個繞組。為防止誤觸發(fā)，在驅(qū)動管前加了一級非門；考慮到所需的驅(qū)動電流較大，增加限流電阻，并采用大功率的達林頓管D2220，并增加了反向泄流開關(guān)管IN4148。在圖中，Z1為步進電機輸入插座，Z2為兩路步進電機輸出插座。
圖4給出鋸齒波發(fā)生器電路原理圖，其中運放U15A組成鋸齒波發(fā)生電路的積分電路和電壓比較器，電阻R56、二極管D12和三極管U16組成充電電路，R57、D13組成放電電路。當電位UR高于UC電位時，U15A的輸出端1為高電平，電容C28被充電；當UC所充電壓比UR高時，輸出端電壓翻轉(zhuǎn)，腳1輸出低電平，管U16截止，C28通過D13、R57放電，直至UC低于UR，充電又開始，由此輸出鋸齒波電壓。U15B和U15D為同相跟隨，U15C為同相放大，R49調(diào)零，R50調(diào)整增益。
圖5給出穩(wěn)壓電源的局部電路原理圖，由于各部分電路所需要的直流電壓各不相同，此外，為了防止相互干擾，設(shè)計了±15V、+12V、-9V、+5V、8～12V等7路電源電路，對各部分提供相應(yīng)電壓。在圖5中，首先將220V的交流市電經(jīng)過濾波器(EMI FILTER)之后加入變壓器B，經(jīng)過不同的變比將交流市電轉(zhuǎn)換為各種不同的較低電壓，然后分別整流器B3、B4、B5和濾波、穩(wěn)壓，得到各自需要的直流電壓。為了有一個明確的電壓電流指示，在電路中增加了數(shù)字式的電壓表頭和電流表頭(圖中未給出)。電流表可以顯示輸入固體微波源的電流大小，以方便尋找固體源的最佳諧振點；電壓表可以用按鍵控制顯示各路直流電壓值，這樣方便觀察儀器的穩(wěn)定性。
圖6為軟件系統(tǒng)各模塊的結(jié)構(gòu)框圖。該軟件采有Visual C++編程，實現(xiàn)Windows界面下的人機會話，主界面通過菜單或工具欄進入三個不同的功能測試單元。
設(shè)置功能單元主要完成一些基本參數(shù)的設(shè)置，如基地址，A/D、D/A通道號，掃描起止頻率，以及VCO輸入電壓輸出微波頻率的擬合等功能。
點頻功能單元測量系統(tǒng)為單一頻率的微波信號，可實現(xiàn)開槽波導(dǎo)測量線接不同終端負載情況下，線上的駐波比，負載等效阻抗，晶體檢波律校正曲線等。
掃頻功能單元微波壓控振蕩器上鋸齒波電壓，測量線上為掃頻信號，通過精密可變衰減器的定標，可實現(xiàn)對待測件傳輸系數(shù)的測量，并能對諧振腔的諧振頻率，有載品質(zhì)因數(shù)進行測量，也可根據(jù)需要，對諧振曲線進行擴展測量。根據(jù)微擾法，檢測諧振腔微擾前后的諧振頻率變化，可測得介質(zhì)介電常數(shù)。
本發(fā)明的標量網(wǎng)絡(luò)分析裝置具有微波源掃頻控制電路、電機驅(qū)動電路、場效應(yīng)管及耿氏管的工作電源和直流放大器等四部分及測量系統(tǒng)軟件，可實現(xiàn)微波波長λ、波導(dǎo)波長λg、頻率f、駐波比ρ、反射系數(shù)Γ、二極管檢波律n的測量及衰減器校準曲線微波腔諧振曲線、阻抗圓圖顯示的功能，軟件界面分為主頁面、點頻、掃頻和設(shè)置四部分。
權(quán)利要求
1.微波自動測量裝置，其特征在于設(shè)有微波裝置，微波裝置包括微波源、隔離器、可變衰減器、波導(dǎo)測量線、衰減器和晶體檢波器，所說的波導(dǎo)測量線帶步進電機，用于帶動微波裝置的探針沿開槽波導(dǎo)移動；設(shè)有微波標量網(wǎng)絡(luò)分析裝置，微波標量網(wǎng)絡(luò)分析裝置包括直流放大器、步進電機驅(qū)動電路、點頻與掃頻控制信號電路和電源電路，直流放大器的輸入端分別接微波裝置、帶步電機的波導(dǎo)測量線上的探針檢波信號輸出端和晶體檢波器的輸出端，步進電機驅(qū)動電路的輸出端接微波裝置的步進電機，用于控制電機帶動波導(dǎo)測量線的探針沿波導(dǎo)開槽線移動，點頻與掃頻控制信號電路的輸出端接微波源，用于控制微波源提供點頻和不同頻帶的掃頻信號；設(shè)有微機裝置，微機裝置設(shè)有PC機和接口卡，接口卡插于PC機擴展槽，接口卡的D/A轉(zhuǎn)換器輸出端接點頻與掃頻控制信號電路的輸入端，接口卡的A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端接直流放大電路的輸出端，接口卡的DI/DO輸出端口接步進電機驅(qū)動電路的輸入端。
2.如權(quán)利要求1所述的微波自動測量裝置，其特征在于采用壓控振蕩器為微波源。
3.如權(quán)利要求2所述的微波自動測量裝置，其特征在于壓控振蕩器采用場效應(yīng)管，耿氏管。
4.如權(quán)利要求1所述的微波自動測量裝置，其特征在于所說的微波標量網(wǎng)絡(luò)分析裝置的直流放大電路的輸出端設(shè)顯示記錄裝置。
5.如權(quán)利要求4所述的微波自動測量裝置，其特征在于所說的顯示記錄裝置為電流表以顯示點頻信號；顯示屏以顯示掃頻信號。
6.如權(quán)利要求1所述的微波自動測量裝置，其特征在于所說的點頻與掃頻控制信號電路設(shè)有電壓跟隨器與轉(zhuǎn)換開關(guān)、鋸齒波發(fā)生器、分壓器、加法器；電壓跟隨器的輸入端接轉(zhuǎn)換開關(guān)的固定接點，輸出端分別接分壓器和微波裝置的壓控振蕩器的輸入轉(zhuǎn)換開關(guān)的寬帶掃頻輸入接點；電壓跟隨器轉(zhuǎn)換開關(guān)的兩轉(zhuǎn)換接點分別接微機裝置的接口卡的D/A轉(zhuǎn)換器輸出端和鋸齒波發(fā)生器輸出端；分壓器的輸出端接加法器的輸入端；加法器的輸出端接壓控振蕩器的輸入轉(zhuǎn)換開關(guān)的點頻窄帶掃頻輸入接點；加法器的另一輸入端接直流偏置電路。
全文摘要
涉及一種微波測量裝置，尤其是應(yīng)用微機和網(wǎng)絡(luò)分析，實現(xiàn)點頻與掃頻條件下多種參數(shù)測量的微波自動測量裝置。設(shè)有微波裝置、微波標量網(wǎng)絡(luò)分析裝置和微機裝置。采用微機裝置和微波標量網(wǎng)絡(luò)分析，并改進了已有的微波裝置，可方便地提供點頻和不同頻帶的掃頻信號。另外用步進電機代替手動旋鈕，使微機控制電機以帶動波導(dǎo)測量線的探針沿波導(dǎo)開槽線移動，實現(xiàn)自動測量的目的。網(wǎng)絡(luò)分析裝置一機多用，性價比高實現(xiàn)點頻和掃頻狀態(tài)下多參數(shù)測量，測量分辨率更高，測試數(shù)據(jù)更準確，且界面簡單易于操作，尤其適合于微波教學(xué)實驗設(shè)備的升級換代。
文檔編號G01R19/28GK1405568SQ02147659
公開日2003年3月26日 申請日期2002年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月19日
發(fā)明者肖芬, 倪祖榮, 林國春, 花健敏, 王東 申請人:廈門大學(xué)