基于vco調制的寬帶多波束微波源相關反射測量系統的制作方法
【專利摘要】本發明屬于核聚變等離子體微波診斷領域，具體公開一種基于VCO調制的寬帶多波束微波源相關反射測量系統，調制信號源的輸出端與直流偏置器的輸入端連接，直流偏置器的供電端與直流電源的輸出端連接，直流偏置器的輸出端依次與寬帶VCO源、功率分配器、功率放大器、帶通濾波器、倍頻器組、功率合成器、發射天線連接，發射天線的輸出端向等離子體發射微波信號，超外差接收系統的輸入端與接收天線的輸出端連接，接收天線輸入端接收從等離子體反射的微波信號。該系統具有成本低、諧波次數高、頻率等間隔、頻率可調等優點。
【專利說明】基于VCO調制的寬帶多波束微波源相關反射測量系統
【技術領域】
[0001]本發明屬于核聚變等離子體微波診斷領域，具體涉及一種基于壓控振蕩器VCO(Voltage Controlled Oscillator)調制的寬帶多波束微波源相關反射測量系統。
【背景技術】
[0002]在受控核聚變實驗研究中，等離子體內部不同尺度的湍流擾動和分布決定著等離子體的約束與輸運，獲得這些不同尺度擾動之間的關系對于研究等離子體粒子輸運，磁流體不穩定性，湍流分布及相關，高約束模式運行以及等離子體剖面控制與運行有重要的幫助作用。微波診斷可以深入等離子體內部，測量高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先發展的先進診斷技術之一。為實現等離子體內部電子密度擾動和分布等參數測量，需要同時發射多束、頻率不同的微波到等離子體內部，這些不同頻率的微波在不同的電子密度截止層反射，可以攜帶出等離子體內部反射截止層的擾動和分布信息，因此多波束微波功率發射源是本測量的核心。
[0003]對于托卡馬克等離子體，湍流的徑向相關長度大約從毫米到厘米量級。在通常的電子密度分布條件下，兩個相關密度反射層所對應的微波截止頻率差大約為幾百MHz。HL-2A托卡馬克等離子體電子密度所對應的微波頻率通常在厘米波到毫米波段，如果采用獨立的多個微波源，其成本較高，且微波頻率一旦確定，不容易改動；而采用一般的頻率調制技術，隨著調制頻率的增加，調制度越來越小。
【發明內容】
[0004]本發明針對獨立微波源成本較高，毫米波源調制頻率較低、帶寬較窄等限制，提供一種基于VCO微波源和寬帶倍頻技術的高頻、寬帶多諧調制技術的微波相關反射測量系統，該系統具有成本低、諧波次數高、頻率等間隔、頻率可調等優點。
[0005]實現本發明目的的技術方案:一種基于VCO調制的寬帶多波束微波源相關反射測量系統，該系統包括調制信號源、直流偏置器、直流電源、寬帶VCO源、功率分配器、功率放大器、帶通濾波器、倍頻器組、功率合成器、發射天線、接收天線、超外差接收系統，調制信號源的輸出端與直流偏置器的輸入端連接，直流偏置器的供電端與直流電源的輸出端連接，直流偏置器的輸出端依次與寬帶VCO源、功率分配器、功率放大器、帶通濾波器、倍頻器組、功率合成器、發射天線連接，發射天線的輸出端向等離子體發射微波信號，超外差接收系統的輸入端與接收天線的輸出端連接，接收天線輸入端接收從等離子體反射的微波信號。
[0006]所述的直流偏置器由電容和電感組成，調制信號源的輸出端與電容的一端連接，電容的另一端與電感的一端并聯，電感的另一端與直流電源的輸出端連接，電容和電感的并聯端與VCO源的調諧輸入端連接。
[0007]所述的功率放大器包括第一組功率放大器和第二組功率放大器，所述的帶通濾波器包括第一組帶通濾波器、第二組帶通濾波器，功率分配器的輸出端與第一組功率放大器輸入端連接。第一組功率放大器的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與倍頻器組的輸入端連接；倍頻器組的輸出端與第二組功率放大器的輸入端連接；第二組功率放大器的輸出端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與功率合成器的輸入端連接。
[0008]所述的調制信號源和穩壓電源輸入到直流偏置器，直流偏置器的輸出信號直接加載到VCO源的調諧輸入端，寬帶VCO源輸出被調制的微波信號到功率分配器進行功率分配，然后通過第一組功率放大器功率放大、第一組帶通濾波器濾波、倍頻器進行頻率放大、第二組功率放大器功率放大、第二組帶通濾波器濾波，并經過功率合成器進行微波信號功率合成；功率合成器輸出的微波信號經過發射天線發射到等離子體，等離子體將該微波信號反射，反射微波信號經過接收天線接收，最后反射微波信號輸入到超外差接收系統中。
[0009]本發明的有益技術效果在于:本發明采用將帶直流偏置的中頻調制信號加載到VCO源的調諧信號上直接調制振蕩源輸出，調制波諧波雙邊帶可達到20個以上，諧波頻率為等間隔，輸出功率大且平坦，調制頻率可以達到IGHz以上。為了實現各頻點功率的控制，采用選頻、倍頻和功放，倍頻次數由VCO源頻率和測量所需工作頻率決定，用帶通濾波器選擇輸出頻率，通過調節功率放大的增益，使輸出符合需要的功率。將產生的多束微波向等離子體發射，在不同截止面反射的微波采用采用超外差測量技術接收，在一級混頻后提取調制時的中頻信號，用正交鑒相技術測量中頻信號和參考中頻信號的相位差，進而獲得反射波中的擾動變化。本發明的系統除了能夠用于等離子體電子密度分布的微波反射測量，還能夠用于其它需要寬帶、高頻多波束的微波測量系統，如超外差電子回旋輻射測量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1是本發明所提供的一種基于VCO調制的寬帶多波束微波源相關反射測量系統的示意圖。
[0011]圖2為采用本發明所提供的VCO偏置調制和現有技術中的混頻器得到的調制頻譜比較的示意圖。
[0012]圖中:1-調制信號源，2-穩壓電源，3-寬帶V⑶源，4-功率分配器，5-第一組功率放大器，6-第一組帶通濾波器，7-倍頻器組，8-發射天線，9-接收天線，10-超外差接收系統，11-截止層，12-等離子體，13-第二組功率放大器，14-第二組帶通濾波器，15-功率合成器，16-直流偏置器，L-電感，C-電容。
【具體實施方式】
[0013]下面將結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明。
[0014]如圖1所示，本發明所提供的一種基于VCO調制的寬帶多波束微波源相關反射測量系統，該系統包括調制信號源1、直流偏置器16、直流電源2、寬帶VCO源3、功率分配器4、第一組功率放大器5、第一組帶通濾波器6、倍頻器組7、第二組功率放大器13、第二組帶通濾波器14、功率合成器15、發射天線8、接收天線9、超外差接收系統10、
[0015]直流偏置器16由電容C和電感L組成，調制信號源I的輸出端與電容C的一端連接，電容C的另一端與電感L的一端并聯，電感L的另一端與直流電源2的輸出端連接。電容C和電感L的并聯端與VCO源3的調諧輸入端連接，VCO源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16路功率分配器，功率合成器15是16路功率合成器，功率分配器4的輸出端的數量與功率合成器15的輸入端相的數量同。功率分配器4的輸出端依次與第一組功率放大器5、第一組帶通濾波器6、倍頻器組7、第二組功率放大器13、第二組帶通濾波器14、功率合成器15連接，第一組功率放大器5中功率放大器的數量、第一組帶通濾波器6中帶通濾波器的數量、倍頻器組7中倍頻器的數量、第二組功率放大器13中功率放大器的數量、第二組帶通濾波器14中帶通濾波器的數量、均與功率分配器4的輸出端數量相同。
[0016]功率分配器4的每一個輸出端分別與第一組功率放大器5中的一個功率放大器的輸入端連接。第一組功率放大器5中的每一個功率放大器的輸出端分別與第一組帶通濾波器6中的一個帶通濾波器的輸入端連接。第一組帶通濾波器6中的每一個帶通濾波器的輸出端分別與倍頻器組7中的一個倍頻器的輸入端連接。倍頻器組7中的每一個倍頻器輸出端分別與第二組功率放大器13中的一個功率放大器的輸入端連接。第二組功率放大器13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14中的一個帶通濾波器的輸入端連接。第二組帶通濾波器14中的每一個帶通濾波器的輸出端分別與功率合成器15的一個輸入端連接。
[0017]功率合成器15的輸出端與發射天線8的輸入端連接，發射天線8的輸出端向等離子體12的截止面11發射微波信號，超外差接收系統10的輸入端與接收天線9的輸出端連接，接收天線9輸入端接收從等離子體12的截止面11反射的微波信號。
[0018]所述調制信號源I的工作頻率為IOM-1GHz之間，其具體頻率值由直流偏置器16、第一組帶通濾波器6和第二組帶通濾波器14決定。
[0019]所述直流偏置器16的工作頻率為10M-3GHZ，穩壓電源2輸出到直流偏置器16的L端的工作電壓在3-18V之間。
[0020]所述寬帶VCO源3的輸出頻率由VCO源3的類型、穩壓電源2的輸出電壓和倍頻器7的工作頻率等決定，例如寬帶VCO源3的輸出頻率可以工作在8-12.5GHz或12_18GHz。
[0021]所述第一組帶通濾波器6的工作頻率由寬帶VCO源3、調制信號源I和所需要選擇的諧波次數決定。
[0022]所述第二組帶通濾波器14的工作頻率由第一組帶通濾波器6輸出的頻率和倍頻器7決定。
[0023]所述功率分配器4的工作頻率為8-18GHZ，輸出道數由所需要的微波束數量決定，可選擇8個或16個輸出通道。
[0024]所述倍頻器7的輸出頻率決定了系統的最終工作頻率，倍頻次數可以選擇4次倍頻、6次倍頻或9次倍頻，最終輸出頻率范圍可以達到33-140GHZ。
[0025]所述功率合成器15用于將幾組倍頻器7輸出的微波信號合路成一路，經發射天線8同時向等離子體12發射，其工作頻率由倍頻器7的輸出頻率決定。
[0026]下面結合附圖1詳細描述本發明所提供的一種基于VCO調制的寬帶多波束微波源相關反射測量系統的工作原理:
[0027]調制信號源I用于對寬帶VCO源3輸出的頻率進行調制，產生調制波。穩壓電源2用于對VCO源3的調諧端提供偏置電壓，直流偏置器16主要用于隔離穩壓電源2和調制信號源I，防止互相影響。
[0028]調制信號源I和穩壓電源2輸入到直流偏置器16，直流偏置器16的輸出信號直接加載到VCO源3的調諧輸入端，寬帶VCO源3輸出被調制的微波信號到功率分配器4進行功率分配，然后通過第一組功率放大器5功率放大、第一組帶通濾波器6濾波、倍頻器7進行頻率放大、第二組功率放大器13功率放大、第二組帶通濾波器14濾波，并經過功率合成器15進行微波信號功率合成，然后經發射天線8向等離子體12發射功率合成后的微波信號。
[0029]第一組功率放大器5的工作頻率為VCO源3的輸出頻率，第一組帶通濾波器6用于對VCO源3輸出的微波信號進行選頻；第二組功率放大器13的工作頻率為倍頻器7的輸出頻率，該頻率為VCO源3的輸出頻率的倍數，第二組帶通濾波器14用于對倍頻器7和第二組功率放大器13的輸出信號進行選頻。通過調節第二組功率放大器13的增益，控制輸出功率。
[0030]功率合成器15輸出的微波信號經過發射天線8發射到等離子體12，等離子體12的截止面11將該微波信號反射，反射微波信號經過接收天線9接收，超外差接收系統10接收從接收天線9傳輸來的反射微波信號，在超外差接收系統10中進行反射微波信號外差鑒相，進而獲得反射微波信號中的擾動變化。由于測量的擾動相位為自標定信號，其可以直接代表等離子體12內部的湍流擾動分布。
[0031]如圖2所示，采用本發明所提供的VCO偏置調制方法的效率較高，即插入損耗小，諧波次數多，輸出功率大且平坦。采用現有技術中的混頻方法:插入損耗大，諧波次數少，且諧波功率隨諧波次數增加而迅速減小。
[0032]上面結合附圖和實施例對本發明作了詳細說明，但是本發明并不限于上述實施例，在本領域普通技術人員所具備的知識范圍內，還可以在不脫離本發明宗旨的前提下作出各種變化。本發明中未作詳細描述的內容均可以采用現有技術。
【權利要求】
1.一種基于VCO調制的寬帶多波束微波源相關反射測量系統，其特征在于:該系統包括調制信號源(I)、直流偏置器(16)、直流電源(2)、寬帶VCO源(3)、功率分配器(4)、功率放大器、帶通濾波器、倍頻器組(7)、功率合成器(15)、發射天線(8)、接收天線(9)、超外差接收系統(10)，調制信號源(I)的輸出端與直流偏置器(16)的輸入端連接，直流偏置器(16)的供電端與直流電源(2)的輸出端連接，直流偏置器(16)的輸出端依次與寬帶VCO源(3)、功率分配器(4)、功率放大器、帶通濾波器、倍頻器組(7)、功率合成器(15)、發射天線(8)連接，發射天線(8)的輸出端向等離子體(12)發射微波信號，超外差接收系統(10)的輸入端與接收天線(9)的輸出端連接，接收天線(9)輸入端接收從等離子體(12)反射的微波信號。
2.根據權利要求1所述的一種基于VCO調制的寬帶多波束微波源相關反射測量系統，其特征在于:所述的直流偏置器(16)由電容(C)和電感(L)組成，調制信號源(I)的輸出端與電容(C)的一端連接，電容(C)的另一端與電感(L)的一端并聯，電感(L)的另一端與直流電源(2)的輸出端連接，電容(C)和電感(L)的并聯端與VCO源(3)的調諧輸入端連接。
3.根據權利要求1所述的一種基于VCO調制的寬帶多波束微波源相關反射測量系統，其特征在于:所述的功率放大器包括第一組功率放大器(5)和第二組功率放大器(13)，所述的帶通濾波器包括第一組帶通濾波器(6)、第二組帶通濾波器(14)，功率分配器(4)的輸出端與第一組功率放大器(5)輸入端連接。第一組功率放大器(5)的輸出端分別與第一組帶通濾波器(6)的輸入端連接；第一組帶通濾波器(6)的輸出端與倍頻器組(7)的輸入端連接；倍頻器組(7)的輸出端與第二組功率放大器(13)的輸入端連接；第二組功率放大器(13)的輸出端與第二組帶通濾波器(14)的輸入端連接；第二組帶通濾波器(14)的輸出端與功率合成器(15)的輸入端連接。
4.根據權利要求3所述的一種基于VCO調制的寬帶多波束微波源相關反射測量系統，其特征在于:所述的調制信號源(I)和穩壓電源(2)輸入到直流偏置器(16)，直流偏置器(16)的輸出信號直接加載到VCO源(3)的調諧輸入端，寬帶VCO源(3)輸出被調制的微波信號到功率分配器(4)進行功率分配，然后通過第一組功率放大器(5)功率放大、第一組帶通濾波器(6)濾波、倍頻器(7)進行頻率放大、第二組功率放大器(13)功率放大、第二組帶通濾波器(14)濾波，并經過功率合成器(15)進行微波信號功率合成；功率合成器(15)輸出的微波信號經過發射天線(8)發射到等離子體(12)，等離子體(12)將該微波信號反射，反射微波信號經過接收天線(9)接收，最后反射微波信號輸入到超外差接收系統(10)中。
【文檔編號】G01R31/00GK103543349SQ201210244631
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2012年7月16日 優先權日:2012年7月16日
【發明者】石中兵, 劉澤田 申請人:核工業西南物理研究院