微放電效應(yīng)檢測(cè)雙路微波信號(hào)自動(dòng)調(diào)零裝置與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種微放電效應(yīng)檢測(cè)雙路微波信號(hào)自動(dòng)調(diào)零 裝置，還涉及一種微放電效應(yīng)檢測(cè)雙路微波信號(hào)自動(dòng)調(diào)零方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 微放電效應(yīng)又稱(chēng)二次電子倍增效應(yīng)，是指在真空條件下，自由電子在外加射頻場(chǎng) 的加速下，在兩個(gè)金屬表面間或單個(gè)介質(zhì)表面上激發(fā)的二次電子發(fā)射與倍增效應(yīng)，是一種 真空諧振放電現(xiàn)象，是影響空間電子設(shè)備可靠性的一個(gè)十分重要的因素。
[0003] 微放電效應(yīng)主要發(fā)生在航天器以及航空臨近空間的微波系統(tǒng)內(nèi)。當(dāng)前航天器大功 率微波設(shè)備的峰值功率量級(jí)已經(jīng)達(dá)到了kW級(jí)以上，伴隨著功率量級(jí)的不斷提高，首當(dāng)其沖 要解決的一個(gè)重要問(wèn)題就是大功率微波器部件在真空環(huán)境下固有的微放電效應(yīng)。若大功 率微波器部件的微放電閾值未滿(mǎn)足要求，其在自身結(jié)構(gòu)尺寸、微波頻率、電磁場(chǎng)強(qiáng)度、材料 表面二次電子發(fā)射系數(shù)等參數(shù)滿(mǎn)足一定條件時(shí)，產(chǎn)生的微放電現(xiàn)象會(huì)造成微波系統(tǒng)增益下 降、傳輸性能變壞、信號(hào)噪聲增大，使微波系統(tǒng)不能正常工作。某種情況下，微放電現(xiàn)象會(huì)造 成微波器部件的介質(zhì)材料、粘接劑等出氣，形成局部低真空條件，這時(shí)微波電場(chǎng)可能使低真 空環(huán)境的氣體分子電離，產(chǎn)生功率擊穿、電弧放電等低氣壓放電現(xiàn)象，產(chǎn)生的高溫強(qiáng)電離效 應(yīng)會(huì)燒壞微波系統(tǒng)，工作壽命提前結(jié)束，使航天器出現(xiàn)徹底失效的災(zāi)難性故障。因此航天大 功率微波器部件載荷在研制、生產(chǎn)到使用每個(gè)環(huán)節(jié)都要做真空微放電的試驗(yàn)測(cè)試，以驗(yàn)證 微放電閾值是否滿(mǎn)足實(shí)際工作要求，保證系統(tǒng)在軌運(yùn)行的正常性。
[0004] 微放電效應(yīng)的檢測(cè)需要根據(jù)被測(cè)件自身的特性選擇合適的測(cè)試方案，其中前向/ 后向功率檢測(cè)及前向/后向功率調(diào)零檢測(cè)是通過(guò)監(jiān)測(cè)被測(cè)件輸入端口反射信號(hào)幅度和相 位的變化情況實(shí)現(xiàn)微放電效應(yīng)檢測(cè)的。
[0005] 前向/后向功率檢測(cè)及前向/后向功率調(diào)零檢測(cè)技術(shù)原理如圖1所示，傳輸信號(hào) 及反射信號(hào)經(jīng)大功率雙向定耦按比例耦合出一部分用于信號(hào)監(jiān)測(cè)，正反向耦合信號(hào)在調(diào)零 單元中分為兩路：一路輸出至功率計(jì)，分別監(jiān)測(cè)正向平均功率、正向峰值功率、反向平均功 率；另一路進(jìn)入調(diào)零通道進(jìn)行調(diào)零，用頻譜儀監(jiān)測(cè)調(diào)零信號(hào)頻譜。
[0006] 現(xiàn)有調(diào)零單元原理如圖2所示，正向耦合信號(hào)在調(diào)零單元中通過(guò)3dB電橋分為兩 路：一路經(jīng)功分器再分為兩路，然后輸出至外部均值功率計(jì)和峰值功率計(jì)；另一路進(jìn)入調(diào) 零通道。反向耦合信號(hào)經(jīng)3dB電橋分為兩路：一路輸出至外部均值功率計(jì)；另一路進(jìn)入調(diào)零 通道。將進(jìn)入調(diào)零通道的兩路信號(hào)通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)衰減器、移相器調(diào)成等幅反相，合路輸出后 形成調(diào)零信號(hào)，用頻譜儀監(jiān)測(cè)調(diào)零頻譜是否有異常跳動(dòng)。
[0007] 現(xiàn)有調(diào)零技術(shù)的主要缺點(diǎn)為：
[0008] (1)效率低：現(xiàn)有技術(shù)仍依賴(lài)于手動(dòng)調(diào)節(jié)衰減器、移相器，實(shí)現(xiàn)單路微波信號(hào)的調(diào) 幅、調(diào)相，在微放電效應(yīng)檢測(cè)過(guò)程中，大功率激勵(lì)源輸出功率是步進(jìn)增長(zhǎng)，直至達(dá)到被測(cè)件 的額定工作功率，功率每調(diào)節(jié)一次，就需重新調(diào)節(jié)調(diào)零狀態(tài)，一次試驗(yàn)需要多次調(diào)節(jié)調(diào)零單 元，全手動(dòng)調(diào)節(jié)極大延長(zhǎng)了試驗(yàn)時(shí)間，降低了測(cè)試效率；
[0009] (2)測(cè)試靈敏度低：將兩路微波信號(hào)調(diào)成等幅反相，在實(shí)際測(cè)試中根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)， 為了提高微放電效應(yīng)檢測(cè)的靈敏度，只能寄希望于將調(diào)零電平盡可能的調(diào)至最小，但現(xiàn)有 調(diào)零通道調(diào)幅、調(diào)相分辨率都比較差，很難實(shí)現(xiàn)信號(hào)幅度及相位的精密控制，再加上全手動(dòng) 操作，受人為因素影響比較大，一般很難將調(diào)零信號(hào)幅度調(diào)至預(yù)期值，降低了微放電效應(yīng)的 檢測(cè)靈敏度；
[0010] (3)可靠性低：現(xiàn)階段調(diào)零單元中都采用手動(dòng)旋調(diào)機(jī)械式可調(diào)衰減器及移相器， 其內(nèi)部衰減量和電長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置都存在一定的壽命問(wèn)題，另外使用微波部件數(shù)量較多，因 此整體上可靠性相對(duì)比較差；
[0011](4)成本高：現(xiàn)有調(diào)零方式需要依賴(lài)于外部功率計(jì)實(shí)現(xiàn)，增加了微放電效應(yīng)檢測(cè) 系統(tǒng)構(gòu)建成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明提出一種微放電效應(yīng)檢測(cè)雙路微波信號(hào)自動(dòng)調(diào)零裝置及方法，目的是為解 決航天器大功率微波器部件載荷在高溫真空環(huán)境中的微放電效應(yīng)檢測(cè)問(wèn)題。依據(jù)微放電效 應(yīng)檢測(cè)技術(shù)要求，結(jié)合被測(cè)件自身技術(shù)特性，本發(fā)明采用數(shù)控衰減器、移相器、同相合路器， 以高效、高精密、高可靠及低成本的方式實(shí)現(xiàn)雙路微波信號(hào)的全自動(dòng)調(diào)零。
[0013] 本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0014] 一種微放電效應(yīng)檢測(cè)雙路微波信號(hào)自動(dòng)調(diào)零裝置，正向/反向耦合信號(hào)輸入后， 由電橋?qū)⑿盘?hào)分為兩部分，一部分到功率監(jiān)測(cè)模塊進(jìn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)，另一部分到調(diào)幅調(diào)相通 道進(jìn)行調(diào)零；
[0015] 信號(hào)進(jìn)入調(diào)幅調(diào)相通道后，先根據(jù)功率檢測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)控衰減器將兩路信號(hào)幅 度調(diào)成一致；
[0016] 兩路信號(hào)幅度一致后，首先，信號(hào)通過(guò)數(shù)控移相器后進(jìn)入同相合路器進(jìn)行信號(hào)合 成，在調(diào)零信號(hào)幅度監(jiān)測(cè)模塊的輔助下進(jìn)行信號(hào)相位調(diào)節(jié)。
[0017] 可選地，兩路信號(hào)幅度調(diào)節(jié)一致后，采用二分法進(jìn)行調(diào)零，先確定一個(gè)方向進(jìn)行大 范圍移相，若調(diào)零信號(hào)幅度增大，則反方向進(jìn)行移相，然后逐步縮小移相量，直至將調(diào)零信 號(hào)幅度調(diào)至 _7〇dBm以下。
[0018] 可選地，所述數(shù)控衰減器包括PIN二極管、3dB正交電橋、隔直電容及控制驅(qū)動(dòng)電 路，采用平衡式PIN二極管衰減器來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)幅度的調(diào)節(jié)。
[0019] 可選地，所述數(shù)控移相器采用I、Q矢量調(diào)制的方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)相位調(diào)節(jié)，射頻輸入 信號(hào)先經(jīng)過(guò)正交混合耦合器，分為I、Q兩路正交信號(hào)，對(duì)兩路信號(hào)分別進(jìn)行相位調(diào)制，后經(jīng) 過(guò)同相合路器輸出。
[0020] 可選地，所述輸入射頻信號(hào)表示為：
[0021]SInput=UASin(?t)；
[0022] 同相信號(hào)I:
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種微放電效應(yīng)檢測(cè)雙路微波信號(hào)自動(dòng)調(diào)零裝置，其特征在于，正向/反向禪合信 號(hào)輸入后，由電橋?qū)⑿盘?hào)分為兩部分，一部分到功率監(jiān)測(cè)模塊進(jìn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)，另一部分到調(diào) 幅調(diào)相通道進(jìn)行調(diào)零； 信號(hào)進(jìn)入調(diào)幅調(diào)相通道后，先根據(jù)功率檢測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)控衰減器將兩路信號(hào)幅度調(diào) 成一致； 兩路信號(hào)幅度一致后，信號(hào)通過(guò)數(shù)控移相器后進(jìn)入同相合路器進(jìn)行信號(hào)合成，在調(diào)零 信號(hào)幅度監(jiān)測(cè)模塊的輔助下進(jìn)行信號(hào)相位調(diào)節(jié)。
2. 如權(quán)利要求1所述的微放電效應(yīng)檢測(cè)雙路微波信號(hào)自動(dòng)調(diào)零裝置，其特征在于， 兩路信號(hào)幅度調(diào)節(jié)一致后，采用二分法進(jìn)行相位調(diào)節(jié)，先確定一個(gè)方向進(jìn)行大范圍移相， 若調(diào)零信號(hào)幅度增大，則反方向進(jìn)行移相，然后逐步縮小移相量，直至將調(diào)零信號(hào)幅度調(diào) 至-70dBmW下。
3. 如權(quán)利要求1所述的微放電效應(yīng)檢測(cè)雙路微波信號(hào)自動(dòng)調(diào)零裝置，其特征在于，所 述數(shù)控衰減器包括PIN二極管、3地正交電橋、隔直電容及控制驅(qū)動(dòng)電路，采用平衡式PIN二 極管衰減器來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)幅度的調(diào)節(jié)。
4. 如權(quán)利要求1所述的微放電效應(yīng)檢測(cè)雙路微波信號(hào)自動(dòng)調(diào)零裝置，其特征在于，所 述數(shù)控移相器采用I、Q矢量調(diào)制的方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)相位調(diào)節(jié)，射頻輸入信號(hào)先經(jīng)過(guò)正交混合 禪合器，分為I、Q兩路正交信號(hào)，對(duì)兩路信號(hào)分別進(jìn)行相位調(diào)制，后經(jīng)過(guò)同相合路器輸出。
5. 如權(quán)利要求4所述的微放電效應(yīng)檢測(cè)雙路微波信號(hào)自動(dòng)調(diào)零裝置，其特征在于，所 述輸入射頻信號(hào)表示為： Sinp化=UASin(on);
'I'、'Q'支路混頻器本振信號(hào)為： 同相支路本振；Li=I'; 正交支路本振；Lq=Q'; 則混頻后'I'、'Q'支路信號(hào)分別表示為：
經(jīng)同相合路輸出后，輸出信號(hào)用下面表達(dá)式描述：
將下面兩等式帶入輸出信號(hào)表達(dá)式：
得到移相信號(hào)表達(dá)式：
6. -種微放電效應(yīng)檢測(cè)雙路微波信號(hào)自動(dòng)調(diào)零方法，其特征在于，正向/反向禪合信 號(hào)輸入后，由電橋?qū)⑿盘?hào)分為兩部分，一部分到功率監(jiān)測(cè)模塊進(jìn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)，另一部分到調(diào) 幅調(diào)相通道進(jìn)行調(diào)零； 信號(hào)進(jìn)入調(diào)幅調(diào)相通道后，先根據(jù)功率檢測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)控衰減器將兩路信號(hào)幅度調(diào) 成一致； 兩路信號(hào)幅度一致后，信號(hào)首先通過(guò)數(shù)控移相器，然后進(jìn)入同相合路器進(jìn)行信號(hào)合成， 在調(diào)零信號(hào)幅度監(jiān)測(cè)模塊的輔助下進(jìn)行信號(hào)相位調(diào)節(jié)。
7. 如權(quán)利要求6所述的微放電效應(yīng)檢測(cè)雙路微波信號(hào)自動(dòng)調(diào)零方法，其特征在于， 兩路信號(hào)幅度調(diào)節(jié)一致后，采用二分法進(jìn)行相位調(diào)節(jié)，先確定一個(gè)方向進(jìn)行大范圍移相， 若調(diào)零信號(hào)幅度增大，則反方向進(jìn)行移相，然后逐步縮小移相量，直至將調(diào)零信號(hào)幅度調(diào) 至-70dBmW下。
8. 如權(quán)利要求6所述的微放電效應(yīng)檢測(cè)雙路微波信號(hào)自動(dòng)調(diào)零裝置，其特征在于，所 述數(shù)控衰減器包括PIN二極管、3地正交電橋、隔直電容及控制驅(qū)動(dòng)電路，采用平衡式PIN二 極管衰減器來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)幅度的調(diào)節(jié)。
9. 如權(quán)利要求6所述的微放電效應(yīng)檢測(cè)雙路微波信號(hào)自動(dòng)調(diào)零裝置，其特征在于，所 述數(shù)控移相器采用I、Q矢量調(diào)制的方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)相位調(diào)節(jié)，射頻輸入信號(hào)先經(jīng)過(guò)正交混合 禪合器，分為I、Q兩路正交信號(hào)，對(duì)兩路信號(hào)分別進(jìn)行相位調(diào)制，后經(jīng)過(guò)同相合路器輸出。
10. 如權(quán)利要求9所述的微放電效應(yīng)檢測(cè)雙路微波信號(hào)自動(dòng)調(diào)零裝置，其特征在于，所 述輸入射頻信號(hào)表示為： Sinp化=UASin(on);
'r、'Q'支路混頻器本振信號(hào)為： 同相支路本振；Li=I'; 正交支路本振；Lq=Q'; 則混頻后'I'、'Q'支路信號(hào)分別表示為：
經(jīng)同相合路輸出后，輸出信號(hào)用下面表達(dá)式描述：
將下面兩等式帶入輸出信號(hào)表達(dá)式：
得到移相信號(hào)表達(dá)式：
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提出了一種微放電效應(yīng)檢測(cè)雙路微波信號(hào)自動(dòng)調(diào)零裝置，正向/反向耦合信號(hào)輸入后，由電橋?qū)⑿盘?hào)分為兩部分，一部分到功率監(jiān)測(cè)模塊進(jìn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)，另一部分到調(diào)幅調(diào)相通道進(jìn)行調(diào)零；信號(hào)進(jìn)入調(diào)幅調(diào)相通道后，先根據(jù)功率檢測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)控衰減器將兩路信號(hào)幅度調(diào)成一致；兩路信號(hào)幅度一致后，首先，信號(hào)通過(guò)數(shù)控移相器后進(jìn)入同相合路器進(jìn)行信號(hào)合成，在調(diào)零信號(hào)幅度監(jiān)測(cè)模塊的輔助下進(jìn)行信號(hào)相位調(diào)節(jié)。本發(fā)明的自動(dòng)調(diào)零裝置，可靠性及使用壽命成倍提高并延長(zhǎng)；另外無(wú)需額外的功率計(jì)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)構(gòu)成，也一定程度上提高了系統(tǒng)的可靠性；而且，自動(dòng)調(diào)零功能的實(shí)現(xiàn)避免了人為操作失誤，保障了微放電效應(yīng)檢測(cè)的有效性。
【IPC分類(lèi)】G01R31-12
【公開(kāi)號(hào)】CN104849629
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510210232
【發(fā)明人】雷衛(wèi)平, 郭榮斌, 張寧, 付存文, 杜希鵬, 徐寶令
【申請(qǐng)人】中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所
【公開(kāi)日】2015年8月19日
【申請(qǐng)日】2015年4月23日