[發(fā)明專利]一種長脈沖高功率定向耦合器性能的在線測試裝置和方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510030606.4
• 申請日: 2015-01-21
• 公開（公告）號: CN104614605A
• 公開（公告）日: 2015-05-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）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（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院等離子體物理研究所
• 主分類號: G01R31/00
• 分類號: G01R31/00
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 34112
• 代理人: 余成俊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于百千瓦量級高功率微波器件性能檢測設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種長脈沖高功率定向耦合器性能的在線測試裝置和方法。

背景技術(shù)

目前國內(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。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，其功率測量、控制及駐波保護(hù)是通過對定向耦合器耦合的信號監(jiān)測來實(shí)現(xiàn)的，因此性能優(yōu)良的定向耦合器對系統(tǒng)測量和保護(hù)至關(guān)重要。

目前系統(tǒng)中高功率定向耦合器一般在低功率（mW量級）水平進(jìn)行定標(biāo)獲得其耦合度和隔離度，之后檢波放大信號按照測量得到的耦合度來進(jìn)行信號數(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不穩(wěn)定的問題。

高功率長脈沖運(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時(shí)間高功率運(yùn)行后局部發(fā)熱畸變造成耦合度變化、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脈沖條件下的性能。

目前沒有帶高功率微波源的測量儀器來直接測量和分析本系統(tǒng)上的高功率定向耦合器的長脈沖高功率下的性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對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、高功率長脈沖運(yùn)行時(shí)，獲得的功率信號不穩(wěn)定的問題，提出一種長脈沖高功率定向耦合器性能的在線測試裝置，利用該裝置對高功率微波系統(tǒng)中定向耦合器進(jìn)行在線監(jiān)測進(jìn)而獲得長脈沖高功率下定向耦合器的性能，以便分析高功率長脈沖運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的測量誤差，并為系統(tǒng)的改進(jìn)和優(yōu)化提供參考。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種長脈沖高功率定向耦合器性能的在線測試裝置，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信號放大為瓦級，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。

所述的百千瓦級定向耦合器的耦合度為58dB，隔離度大于25?dB。

所述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出信號為mW級；所述速調(diào)管輸出功率為200kW級；所述環(huán)行器、水負(fù)載都是200?kW級大功率微波器件。

一種長脈沖高功率定向耦合器性能的在線測試方法，包括以下步驟：

（1）利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出信號作為整個(gè)系統(tǒng)的微波信號源；

（2）矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出信號（?約10mW）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。

（4）雙定向耦合器耦合的入射功率信號經(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)行測試，記錄長脈沖（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S₂₁參數(shù)得到的定向耦合器的耦合功率信號參數(shù)變化，獲得該定向耦合器的全面性能。

本發(fā)明為高功率定向耦合器的長脈沖性能監(jiān)測提供了可靠方法，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

圖1?本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式