基于倍頻技術(shù)的超寬帶掃頻微波輻射計的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于一種核聚變等離子體微波診斷裝置，具體涉及一種基于倍頻技術(shù)的超寬帶掃頻微波輻射計。
【背景技術(shù)】
[0002]在聚變反應堆中，等離子體要產(chǎn)生自持的熱核反應，釋放的能量是由阿爾法粒子和中子攜帶的。阿爾法粒子首先和電子產(chǎn)生熱交換，把熱能傳給電子，然后通過電子和離子的碰撞將能量傳給離子。所以熱輸運是決定自持熱核反應能否進行的一個關(guān)鍵過程。托卡馬克中的高溫等離子體被磁場約束，由于洛侖茲力的作用，電子作回旋運動，產(chǎn)生電子回旋輻射(ECE)。ECE強度攜帶了等離子體的許多重要參數(shù)，如:電子溫度、密度、電子速度分布等。在滿足光學厚的條件下，等離子體ECE的二次諧波輻射強度正比于電子溫度。微波診斷可以深入等尚子體內(nèi)部，測量聞時空分辨的電子密度和電子溫度分布與擾動，它是當前在世界上主要幾個聚變裝置優(yōu)先發(fā)展的先進診斷技術(shù)之一。為實現(xiàn)等離子體內(nèi)部電子溫度擾動和分布等測量，需要獲得高縱場和低縱場下整個等離子體橫截面的ECE信息，因此發(fā)展超寬帶的輻射計尤為重要。
[0003]最初電子回旋輻射測量主要采用邁克爾遜干涉儀，盡管能掃描較寬范圍的頻譜，但通常其時間分辨和空間分辨都非常差，目前已經(jīng)很少用于托卡馬克上電子溫度的測量。超外差ECE測量系統(tǒng)比較復雜，需要多個二級本振來下變頻。另外，測量的空間點是間斷，不能觀察到ECE頻譜的連續(xù)變化。目前，市場上很許多返波管寬帶微波源，但他們都較昂貴，并且壽命短。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種基于倍頻技術(shù)的超寬帶掃頻微波輻射計，它能同時監(jiān)測40-220GHZ范圍的ECE連續(xù)頻譜，測量的縱場范圍為1.0-2.5T，整個連續(xù)譜的時間分辨小于Ims0在低縱場時，測量的諧波能達到測量的諧波最高能達到7次。
[0005]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，基于倍頻技術(shù)的超寬帶掃描微波輻射計，它包括任意波形發(fā)生器、寬帶VCO源，任意波形發(fā)生器依次與寬帶VCO源、隔離器、功率分配器的輸入端連接，功率分配器的前三個輸出端依次與倍頻器組、混頻器組的LO輸入端連接，功率分配器的第四個輸出端與檢波器、示波器連接，接收天線輸入端接收從等離子體輻射的信號，接收天線輸出端依次與帶阻濾波器、波導功率分配陣列、混頻器組的RF輸入端連接，混頻器組的IF輸出端依次與帶通濾波器、功率放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器連接。
[0006]所述的隔離器包括第一組隔離器和第二組隔離器，所述的帶通濾波器包括第一組帶通濾波器和第二組帶通濾波器，所述的功率放大器包括第一組功率放大器、第二組功率放大器和第三組功率放大器，所述的檢波器包括第一組檢波器和第二組檢波器，寬帶VCO源的輸出端與第一組隔離器的輸入端連接；第一組隔離器的輸出端與功率分配器的輸入端連接；第二組隔離器的輸入端分別與波導功率分配陣列的輸出端連接；第二組隔離器的輸出端分別與混頻器組的RF輸入端連接；混頻器組的IF輸出端分別與第一組帶通濾波器的輸入端連接；第一組帶通濾波器的輸出端分別與第一組功率放大器的輸入端連接；第一組功率放大器的輸出端分別與第二組帶通濾波器的輸入端連接，第二組帶通濾波器的輸出端分別與第二組功率放大器的輸入端連接；功率分配器的第四個輸出端與第一組檢波器的輸入端連接；第一組檢波器的輸出端與示波器連接；第二組功率放大器的輸出端分別與第二組檢波器的輸入端連接，第二組檢波器的輸出端分別與第三組功率放大器的輸入端連接，第三組功率放大器的輸出端分別與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端連接。
[0007]所述的任意波形發(fā)生器輸出的電壓信號直接連接到寬帶VCO源作為VCO源的控制電壓，寬帶VCO源輸出的微波信號經(jīng)過第一組隔離器隔離后輸出到一分四的功率分配器進行功率分配，功率分配器的前三路輸出信號分別經(jīng)過4倍頻、6倍頻、11倍頻的倍頻器組進行頻率放大后輸出到混頻器組的LO輸入端，功率分配器的第四個路輸出信號經(jīng)過第一組檢波器檢波后輸出到示波器進行監(jiān)控，由接收天線接收的等離子體輻射信號經(jīng)過68GHz的帶阻濾波器濾除電子回旋波雜散信號后，經(jīng)過一分三的波導功率分配陣列進行功率分配，波導功率分配陣列的輸出信號經(jīng)過第二組隔離器隔離后輸出到混頻器組的RF輸入端端，來自混頻器組LO輸入端的微波信號與來自混頻器組RF輸入端的等離子體信號在混頻器組混頻后，從混頻器組IF端輸出中頻信號，依次經(jīng)過第一組帶通濾波器濾波、第一組功率放大器功率放大、第二組帶通濾波器濾波、第二組功率放大器功率放大、第二組檢波器檢波、第三組功率放大器功率放大后輸出到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器進行信號處理。
[0008]本發(fā)明的優(yōu)點是，它采用10-20GHZ的寬帶VCO源技術(shù)實現(xiàn)高頻的掃頻輸出，采用多支路倍頻混頻技術(shù)、功率分配技術(shù)實現(xiàn)超寬帶的ECE頻譜測量，能夠?qū)崿F(xiàn)縱場在1.0-2.5T等離子體放電條件下整個剖面電子溫度分布的測量，測量頻率范圍可達40-220GHZ。倍頻器為有源倍頻器，倍頻器中設計有功率驅(qū)動和輸出平坦度校正，其輸出功率為13dBm左右。采用帶阻濾波器濾除大功率68GHz的電子回旋波信號，能夠很好的保護系統(tǒng)各個元件和防止對待測ECE頻譜的干擾。選用合適頻率和帶寬的帶通濾波器，能夠獲得較高的時間分辨。通過調(diào)節(jié)功率放大器的增益，使輸出符合需要的功率。本發(fā)明的系統(tǒng)除了能夠用于等離子體的頻率譜分析，還能用于其他領(lǐng)域的高頻寬帶譜分析，如雷達監(jiān)測、高頻通訊、微波輻射監(jiān)測等。
【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明所提供的基于倍頻技術(shù)的超寬帶掃頻微波輻射計的示意圖。
[0010]圖中:I任意波形發(fā)生器，2寬帶VCO源，3第一組隔離器，4功率分配器，5倍頻器組，6混頻器組，7第二組隔離器，8波導功率分配陣列，9帶阻濾波器，10接收天線，11第一組帶通濾波器，12第一組功率放大器，13第二組帶通濾波器，14第二組功率放大器，15第二組檢波器，16第三組功率放大器，17模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，18第一組檢波器，19示波器。
【具體實施方式】
[0011]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細介紹:
[0012]如圖1所示，本發(fā)明所提供的一種基于倍頻技術(shù)的超寬帶掃頻微波輻射計，包括任意波形發(fā)生器(AWG) 1、寬帶VCO源2、第一組隔離器3、功率分配器4、倍頻器組5、混頻器組6、第二組隔離器7、波導功率分配陣列8、帶阻濾波器9、接收天線10、第一組帶通濾波器
11、第一組功率放大器12、第二組帶通濾波器13、第二組功率放大器14、第二組檢波器15、第三組功率放大器16、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 17、第一組檢波器18、示波器(Monitor) 19。
[0013]任意波形發(fā)生器I的輸出端與寬帶VCO源2的輸入端連接，寬帶VCO源2的輸出端與第一組隔離器3的輸入端連接，第一組隔離器3的輸出端與功率分配器4的輸入端連接，功率分配器4是四路功率分配器，功率分配器4的前三個輸出端依次與倍頻器組5、混頻器組6的本振輸入端(LO)連接，功率分配器4的第四個輸出端依次與第一組檢波器18、示波器19連接。接收天線10接收等離子體的輻射信號，接收天線10的輸出端依次與帶阻濾波器9、波導功率分配陣列8的輸入端連接，波導功率分配陣列8是三路波導功率分配陣列，波導功率分配陣列8的輸出端依次與第二組隔離器7、混頻器6的射頻輸入端(RF)連接。混頻器6的中頻輸出端(IF)依次與第一組帶通濾波器11、第一組功率放大器12、第二組帶通濾波器13、第二組功率放大器14、第二組檢波器15、第三組功率放大器16、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器17連接。倍頻器組5中倍頻器的數(shù)量、混頻器組6中混頻器的數(shù)量、第二組隔離器7中隔離器的數(shù)量、第一組帶通濾波器11中帶通濾波器的數(shù)量、第一組功率放大器12中功率放大器的數(shù)量、第二組帶通濾波器13中帶通濾波器的數(shù)量、第二組功率放大器14中功率放大器的數(shù)量、第二組檢波器15中檢波器的數(shù)量、第三組功率放大器16中功率放大器的數(shù)量，均與波導功率分配陣列8的輸出端數(shù)量相同。
[0014]功率分配器4的前三個輸出端分別與倍頻器組5中的每一個倍頻器的輸入端連接。倍頻器組5中的每一個倍頻器的輸出端分別與混頻器組6中的一個混頻器的LO輸入端連接。波導功率分配陣列8的每一個輸出端分別與第二組隔離器7中一個隔離器的輸入端連接。第二組隔離器7中每一個隔離器的輸出端分別與混頻器組6中一個混頻器的RF輸入端連接?；祛l器組6中每一個混頻器的IF輸出端分別與第一組帶通濾波器11中的一個帶通濾波器的輸入端連接。第一組帶通濾波器11中的每一個帶通濾波器的輸出端分別與第一組功率放大器12中的一個功率放大器的輸入端連接。第一組功率放大器12中的每一個功率放大器的輸出端分別與第二組帶通濾波器13中的一個帶通濾波器的輸入端連接。第二組帶通濾波器13中的每一個帶通濾波器的輸出端分