一種長(zhǎng)脈沖高功率定向耦合器性能的在線測(cè)試裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于百千瓦量級(jí)高功率微波器件性能檢測(cè)設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種長(zhǎng)脈沖高功率定向耦合器性能的在線測(cè)試裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前國(guó)內(nèi)外的托卡馬克裝置上普遍采用大功率微波來進(jìn)行等離子體加熱和電流驅(qū)動(dòng)。EAST超導(dǎo)托卡馬克裝置上有兩套高功率微波系統(tǒng)，4MW/2.45GHz和6MW/4.6GHz系統(tǒng)，單管分別可達(dá)200kW、連續(xù)波(CW)和250kW、連續(xù)波(CW)運(yùn)行。高功率微波注入等離子體中，其功率測(cè)量、控制及駐波保護(hù)是通過對(duì)定向耦合器耦合的信號(hào)監(jiān)測(cè)來實(shí)現(xiàn)的，因此性能優(yōu)良的定向耦合器對(duì)系統(tǒng)測(cè)量和保護(hù)至關(guān)重要。
[0003]目前系統(tǒng)中高功率定向耦合器一般在低功率UW量級(jí))水平進(jìn)行定標(biāo)獲得其耦合度和隔離度，之后檢波放大信號(hào)按照測(cè)量得到的耦合度來進(jìn)行信號(hào)數(shù)值擬合獲得微波源的輸出功率和傳輸線上的反射功率大小，從而進(jìn)行功率控制和保護(hù)。這種在低功率下定標(biāo)獲得的數(shù)據(jù)，在長(zhǎng)脈沖高功率的情況下是否仍然保持恒定是進(jìn)行功率控制和系統(tǒng)保護(hù)關(guān)心的問題。在系統(tǒng)運(yùn)行中確實(shí)遇到了高功率長(zhǎng)脈沖運(yùn)行時(shí)，在微波源穩(wěn)定的情況下，這種通過常規(guī)方法獲得的功率信號(hào)不穩(wěn)定的問題。
[0004]高功率長(zhǎng)脈沖運(yùn)行時(shí)，在微波源穩(wěn)定的情況下，這種通過常規(guī)方法獲得的功率信號(hào)不穩(wěn)定。引起這種不穩(wěn)定的原因有很多，可能是定向耦合器在長(zhǎng)時(shí)間高功率運(yùn)行后局部發(fā)熱畸變?cè)斐神詈隙茸兓?、傳輸線本身由于彎頭變換原因引起高次模或耦合端口附近激發(fā)高次模等，也可能是檢波器溫度響應(yīng)造成的，等等。為驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，我們需要獲得高功率定向耦合器在高功率長(zhǎng)脈沖條件下的性能。
[0005]目前沒有帶高功率微波源的測(cè)量?jī)x器來直接測(cè)量和分析本系統(tǒng)上的高功率定向耦合器的長(zhǎng)脈沖高功率下的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對(duì)EAST超導(dǎo)托卡馬克裝置上的兩套高功率微波系統(tǒng)在微波源穩(wěn)定的情況下、高功率長(zhǎng)脈沖運(yùn)行時(shí)，獲得的功率信號(hào)不穩(wěn)定的問題，提出一種長(zhǎng)脈沖高功率定向耦合器性能的在線測(cè)試裝置，利用該裝置對(duì)高功率微波系統(tǒng)中定向耦合器進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)進(jìn)而獲得長(zhǎng)脈沖高功率下定向耦合器的性能，以便分析高功率長(zhǎng)脈沖運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的測(cè)量誤差，并為系統(tǒng)的改進(jìn)和優(yōu)化提供參考。
[0007]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
一種長(zhǎng)脈沖高功率定向耦合器性能的在線測(cè)試裝置，包括大功率速調(diào)管系統(tǒng)、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、微波開關(guān)、微波放大器、隔直器一、環(huán)形器、雙定向耦合器、大功率水負(fù)載，其特征在于:所述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出端經(jīng)微波開關(guān)連接至微波放大器，微波放大器將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出的mW信號(hào)放大為瓦級(jí)，微波放大器的輸出端經(jīng)隔直器一后連接至大功率速調(diào)管輸入端口，所述大功率速調(diào)管系統(tǒng)的速調(diào)管輸出端經(jīng)環(huán)行器連接至雙定向耦合器，雙定向耦合器的耦合輸出端經(jīng)衰減器和隔直器后由微波電纜接入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，雙定向耦合器波導(dǎo)輸出接至大功率水負(fù)載。
[0008]所述的百千瓦級(jí)定向親合器的親合度為58dB，隔離度大于25 dB。
[0009]所述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出信號(hào)為mW級(jí)；所述速調(diào)管輸出功率為200kW級(jí)；所述環(huán)行器、水負(fù)載都是200 kW級(jí)大功率微波器件。
[0010]一種長(zhǎng)脈沖高功率定向耦合器性能的在線測(cè)試方法，包括以下步驟:
(1)利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出信號(hào)作為整個(gè)系統(tǒng)的微波信號(hào)源；
(2)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出信號(hào)(約1mW)經(jīng)過一種微波放大器放大到大功率速調(diào)管系統(tǒng)的速調(diào)管的激勵(lì)功率大小(0.5-1W)，再經(jīng)過耐壓3000V以上的隔直器一后輸出到大功率速調(diào)管系統(tǒng)的速調(diào)管輸入端口；
(3)速調(diào)管的大功率輸出經(jīng)環(huán)行器、雙定向耦合器至大功率水負(fù)載。
[0011](4)雙定向耦合器耦合的入射功率信號(hào)經(jīng)過隔直器、衰減器后送到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸入端口；
(5)開啟大功率速調(diào)管系統(tǒng)，并維持微波信號(hào)源的穩(wěn)定；系統(tǒng)穩(wěn)定后，校準(zhǔn)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的S21參數(shù)；校準(zhǔn)之后，調(diào)節(jié)速調(diào)管陰極高壓，在不同的速調(diào)管輸出功率下進(jìn)行測(cè)試，記錄長(zhǎng)脈沖(1000s以上)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀通過監(jiān)測(cè)S21參數(shù)得到的定向耦合器的耦合功率信號(hào)參數(shù)變化，獲得該定向耦合器的全面性能。
[0012]本發(fā)明為高功率定向耦合器的長(zhǎng)脈沖性能監(jiān)測(cè)提供了可靠方法，并為托卡馬克裝置低雜波系統(tǒng)的優(yōu)化提供了實(shí)驗(yàn)支撐。
【附圖說明】
[0013]圖1本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]如圖1所示，一種長(zhǎng)脈沖高功率定向耦合器性能的在線測(cè)試裝置，包括大功率速調(diào)管系統(tǒng)、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、微波開關(guān)、微波放大器、隔直器一、環(huán)行器、雙定向耦合器、大功率水負(fù)載，所述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出端經(jīng)微波開關(guān)連接至微波放大器，微波放大器將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出mW信號(hào)放大為瓦級(jí)，微波放大器的輸出端經(jīng)隔直器一后連接至大功率速調(diào)管系統(tǒng)，所述大功率速調(diào)管系統(tǒng)的輸出經(jīng)環(huán)行器連接至雙定向耦合器，雙定向耦合器的耦合輸出信號(hào)經(jīng)衰減器和隔直器后由微波電纜接入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，雙定向耦合器波導(dǎo)輸出接至大功率水負(fù)載。所述的百千瓦級(jí)定向耦合器的耦合度為58dB，隔離度大于25dB。所述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出信號(hào)為mW級(jí)；所述速調(diào)管輸出功率為200kW級(jí)；所述環(huán)行器、水負(fù)載都是200 kW級(jí)大功率微波器件。所述大功率速調(diào)管系統(tǒng)包括高功率速調(diào)管(4.6GHz/250kff/Cff)以及速調(diào)管的輔助設(shè)備燈絲電源、磁場(chǎng)電源、高壓系統(tǒng)、保護(hù)和水冷系統(tǒng)等。
[0015]本裝置是在已有的4.6GHz高功率(250 kff)穩(wěn)態(tài)測(cè)試臺(tái)基礎(chǔ)上改進(jìn)來的:本發(fā)明利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀作為測(cè)試儀器，同時(shí)利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出信號(hào)(約1mW)作為速調(diào)管的振蕩源，經(jīng)過一種保護(hù)開關(guān)后送給微波放大器放大到瓦級(jí)，再經(jīng)隔直器后輸出到速調(diào)管激勵(lì)級(jí)；定向耦合器耦合端輸出信號(hào)經(jīng)隔直器和衰減器后由微波電纜接入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸入端口。
[0016]在測(cè)試時(shí)保證微波源功率穩(wěn)定，因此放大器要工作在穩(wěn)定的飽和狀態(tài)，同時(shí)速調(diào)管陰極高壓也要保持在一種穩(wěn)定電壓值，這兩點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)的。
[0017]具體檢測(cè)方法如下:
(1)利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出信號(hào)作為整個(gè)系統(tǒng)的微波信號(hào)源；
(2)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出信號(hào)(約1mW)經(jīng)過一種微波放大器放大到大功率速調(diào)管系統(tǒng)速調(diào)管的激勵(lì)功率大小(0.5-1W)，再經(jīng)過耐壓3000V以上的隔直器一后輸出給大功率速調(diào)管系統(tǒng)的速調(diào)管；
(3)速調(diào)管的大功率輸出經(jīng)環(huán)行器、雙定向耦合器至大功率水負(fù)載。
[0018](4)雙定向耦合器耦合的入射功率信號(hào)經(jīng)過隔直器、衰減器后送到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸入端口；
(5)開啟大功率速調(diào)管系統(tǒng)，并維持微波信號(hào)源的穩(wěn)定；系統(tǒng)穩(wěn)定后，校準(zhǔn)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的S21參數(shù)；校準(zhǔn)之后，調(diào)節(jié)速調(diào)管陰極高壓，在不同的速調(diào)管輸出功率下進(jìn)行測(cè)試，記錄長(zhǎng)脈沖(1000s以上)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀通過監(jiān)測(cè)S21參數(shù)得到的定向耦合器的耦合功率信號(hào)參數(shù)變化，獲得該定向耦合器的全面性能。
[0019]通過對(duì)定向耦合器的測(cè)試，可檢驗(yàn)各個(gè)定向耦合器在長(zhǎng)脈沖運(yùn)行下性能是否滿足我們實(shí)驗(yàn)中測(cè)量、控制和保護(hù)的需要；同時(shí)根據(jù)結(jié)果可分析引起參數(shù)變化的原因，從而改進(jìn)系統(tǒng)和定向耦合器的性能。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種長(zhǎng)脈沖高功率定向耦合器性能的在線測(cè)試裝置，包括大功率速調(diào)管系統(tǒng)、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、微波開關(guān)、微波放大器、隔直器一、環(huán)行器、雙定向耦合器、大功率水負(fù)載，其特征在于:所述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出端經(jīng)微波開關(guān)連接至微波放大器，微波放大器的輸出端經(jīng)隔直器一后連接至大功率速調(diào)管的輸入端，所述大功率速調(diào)管輸出端經(jīng)環(huán)形器連接至雙定向耦合器，雙定向耦合器的耦合輸出端經(jīng)衰減器和隔直器二后由微波電纜接入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，雙定向耦合器波導(dǎo)輸出接至大功率水負(fù)載。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種長(zhǎng)脈沖高功率定向耦合器性能的在線測(cè)試裝置，其特征在于:所述的百千瓦級(jí)定向親合器的親合度為58dB，隔離度大于25 dB。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種長(zhǎng)脈沖高功率定向耦合器性能的在線測(cè)試裝置，其特征在于:所述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出信號(hào)為mW級(jí)；所述速調(diào)管輸出功率為200kW級(jí)；所述環(huán)行器、水負(fù)載都是200 kW級(jí)大功率微波器件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種長(zhǎng)脈沖高功率定向耦合器性能的在線測(cè)試裝置，其特征在于:所述隔直器一耐壓3000V以上。
5.一種長(zhǎng)脈沖高功率定向耦合器性能的在線測(cè)試方法，包括以下步驟: (1)利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出信號(hào)作為整個(gè)系統(tǒng)的微波信號(hào)源； (2)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出信號(hào)經(jīng)過一種微波放大器放大到大功率速調(diào)管系統(tǒng)速調(diào)管的激勵(lì)功率大小，再經(jīng)過隔直器一后輸出給大功率速調(diào)管系統(tǒng)的速調(diào)管； (3)速調(diào)管的大功率輸出經(jīng)環(huán)行器、雙定向耦合器至大功率水負(fù)載； (4)雙定向耦合器耦合的入射功率信號(hào)經(jīng)過隔直器、衰減器后送到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸入端口 ； (5)開啟大功率速調(diào)管系統(tǒng)，并保持微波信號(hào)源和速調(diào)管輸出功率的穩(wěn)定；系統(tǒng)穩(wěn)定后，校準(zhǔn)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的S21參數(shù)；校準(zhǔn)之后，調(diào)節(jié)速調(diào)管陰極高壓，在不同的速調(diào)管輸出功率下進(jìn)行測(cè)試，在長(zhǎng)脈沖穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀監(jiān)測(cè)S21參數(shù)記錄得到定向耦合器耦合信號(hào)的功率參數(shù)變化，獲得該定向耦合器的全面性能。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種長(zhǎng)脈沖高功率定向耦合器性能的在線測(cè)試裝置，包括大功率速調(diào)管系統(tǒng)、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，所述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出端經(jīng)微波開關(guān)連接至微波放大器，微波放大器的輸出端經(jīng)隔直器一后連接至大功率速調(diào)管系統(tǒng)，所述大功率速調(diào)管系統(tǒng)的輸出端經(jīng)環(huán)形器連接至雙定向耦合器，雙定向耦合器的耦合輸出信號(hào)經(jīng)衰減器和隔直器后由微波電纜接入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，雙定向耦合器波導(dǎo)輸出接至大功率水負(fù)載。本發(fā)明利用網(wǎng)絡(luò)分析儀作為測(cè)試儀器，同時(shí)利用網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出信號(hào)（約10mW）作為速調(diào)管的振蕩源，通過不同的速調(diào)管輸出功率下的測(cè)試，記錄長(zhǎng)脈沖（1000s以上）穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀監(jiān)測(cè)得到的S21參數(shù)，獲得該定向耦合器的全面性能。
【IPC分類】G01R31-00
【公開號(hào)】CN104614605
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510030606
【發(fā)明人】王茂, 胡懷傳, 楊永, 程敏, 賈華, 馬文東, 馮建強(qiáng), 吳則革, 趙連敏, 劉亮, 徐麗, 王健, 周泰安
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所
【公開日】2015年5月13日
【申請(qǐng)日】2015年1月21日