消除失配负载条件下高功率微波测量误差的方法

摘要

本发明公开了一种消除失配负载条件下高功率微波测量误差的方法，根据微波传输线理论，由简化信号流图的分析，得到测量功率与实际功率之间的关系式，根据前述关系式，通过编写程序来分析计算，获得量化的误差大小；为系统安全的需要，在低杂波控制程序中引入误差分析算法，得到真实的功率大小，控制程序根据真实的功率来进行控制和保护。保证庞大的TOKAMAK系统的安全运行。本发明为高功率失配负载下的功率测量和保护提供了可靠的安全保障。

说明书

技术领域

本发明属于高功率微波耦合测量与数据处理技术，具体是一种消除失配负载条件下高功率微波测量误差的方法。

背景技术

在国家大科学工程全超导托卡马克EAST上，将利用高功率微波(MW量级)来驱动等离子体。微波传输线大气侧与装置的真空侧通过陶瓷窗隔离。为保证装置的真空环境，这要求微波系统在高反射和打火的时候要能准确、及时的关断微波，以保护陶瓷窗的安全。在实践中发现通过定向耦合器来进行高功率微波测量存在很大的误差。通过初步分析，认为主要是由于定向耦合器的方向性不够造成的。由于负载是变化的不易控制的等离子体，这给消除误差带来一定的难度。

在目前的国内外TOKMAK装置上，对大功率的微波系统测量和保护还是简单的通过定向耦合器和检波器来获取入射和反射功率信号，送入计算机采集直接比较判断功率反射系数的大小，根据设定的系数来确定是否给出保护关断信号。这种通过定向耦合器和检波器的方法在小功率和高方向性耦合器的条件下，测量误差是很小的。但是在高功率和失配条件下，如果方向性不高，测量的误差很大。根据经典理论，如果方向性是D分贝(方向性系数为d)，负载终端反射系数为Г_L.则入射功率测量的最大百分误差为：

ΔP_i＝|Г_L|d^1/2(2+|Г_L|d^1/2)×100                (4.1)

在实验中，也验证了这一点。在EAST装置LHCD系统的前期实验中，发现在探测到打火信号时，测量到的反射功率反而会减小；在波导终端人为短路的条件下，反射功率随短路点位置的不同而变化，在某些位置，甚至会使反射功率超过入射功率。准确的功率测量和精确的保护是整个系统的生命线，一旦不能及时保护，导致陶瓷窗的破裂，整个装置将无法运行。真空、低温超导等将白白浪费等待微波系统修复的时间，给国家带来很大的损失。

发明内容

本发明的目的是提供一种消除失配负载条件下高功率微波测量误差的方法，从简单的信号流程图来分析得到微波功率测量值和微波功率实际真实值的关系式，通过程序分析获得测量值和真实值之间的误差，通过数据处理从软件上来修正获得准确的微波功率信号，保正TOKAMAK系统的正常运行。

本发明主要内容：

(1)根据微波传输线理论，由简化信号流图的分析，得到测量功率与实际功率之间的关系式。

(2)根据(1)中得到的关系式，通过编写程序来分析计算，获得量化的误差大小。

(3)为系统安全的需要，在低杂波控制程序中引入误差分析算法，得到真实的功率大小，控制程序根据真实的功率来进行控制和保护。

本发明的技术方案是：

消除失配负载条件下高功率微波测量误差的方法，在TOKAMAK系统中，通过在波导壁上开槽以安装双定向耦合器，其两端和波导匹配对接，以同轴的方式输出，后接同轴检波器，即可将微波信号转化成电压信号，进行波导功率和相位探测，其特征在于包括以下步骤：

(1)根据微波传输线理论，由简化的信号流图获得测量功率与实际功率之间的关系式；

首先，进行微波传输线内信号分析：

各字符的定义如下：V_g、V_i、V_r分别是源电压信号、波导端口的入射波电压信号和反射波电压信号；Г_g是源电压反射系数；Г_L是负载电压反射系数；d是测量端口距离负载的电长度；β为传播常数；在电长度d＝0时，有：

V_g+V_r Г_g＝V_i                         (7.1)

V_r＝V_i Г_L                             (7.2)

由式(7.1)、(7.2)可解得：

V_i＝V_g/(1-Г_g Г_L)                     (7.3)

V_r＝V_i Г_L                             (7.4)

在电长度d≠0时，对无耗传输线Г_d＝Г_Le^-2jβd，则有：

V_i＝V_g/(1-Г_gГ_Le^-2jβd)                         (7.5)

V_r＝V_gГ_Le^-2jβd/(1-Г _gГ_Le^-2jβd)              (7.6)

其次，定向耦合器耦合端口信号分析：

V_i’＝V_g’/(1-Г_g’Г_L’e^-2jβd’)                (7.7)

V_r’＝V_g’Г_L’e^-2jβd’/(1-Г_g’Г_L’e^-2jβd’)      (7.8)

其中，V_i’和V_r’是耦合端口内的入射和反射电压信号；Г_g’和Г_L’分别对应耦合端口的“源”端反射系数和检波器负载反射系数；V_g’是耦合端口的耦合输入信号；

检波功率为：

P＝P_i-Pr＝|V_i’|²-|V_r’|²                       (7.9)

(7.7)、(7.8)代入(7.9)可得：

P＝|V_g’|2(1-|Г_L’e^-2jβd’|²)/|1-Г_g’Г_L’e^-2jβd’|²    (7.10)

对同一定向耦合器和一致性很好的检波器，可写成：

P＝K|V_g’|²，K＝(1-|Г_L’e^-2jβd’|²)/|1-Г_g’Г_L’e-^2jβd’|²    (7.11)

再次，进行微波功率误差分析

已知双定向耦合器的入射端口耦合度系数和方向性系数分别为c_i、d_i；反射端口耦合度系数和方向性系数分别为c_r、d_r，

波导内入射信号和反射信号分别由(7.5)、(7.6)式给出，则入射耦合端口信号可写成：

V_g’_i＝c_i^1/2V_g/(1-Г_gГ_Le^-2jβd)+(c_id_i)^1/2V_gГ_Le^-2jβd/(1-Γ_gГ_Le^-2jβd)  (7.12)

则入射检波器测量的功率为：

P_i测量值＝K|V_g’_i|²＝c_iK|V_g|²|1+d_i^1/2Г_Le^-2jβd|²/|1-Г_gГ_Le^-2jβd|²   (7.13)

K是检波器系数；

波导内真实入射功率是在定向耦合器入射端口方向性D_i＝∞(即d_i＝0)时的P_i真实；

P_i真实值＝K|V_g|²/|1-Г_gГ_Le^-2jβd|²                    (7.14)

把测量值对真实值取归一化功率P_i，得到：

P_i＝P_i测量值/P_i真实值＝|1+d_i^1/2Г_Le^-2jβd|²    (7.15)

这样就可以得到通过定向耦合器和检波器测量入射功率的相对误差值P_i-1；

由(7.15)式得到入射百分误差为：

ΔP_i＝(2|Г_L|d_i^1/2cos(-2βd_i)+|Г_L|²d_i)×100    (7.16)

在2βd_i＝2nπ时，得到最大百分误差为：

ΔP_i＝|Г_L|d_i^1/2(2+|Г_L|)×100    (7.17)

同样，可获得反射功率测量值及其与真实值的归一化功率表达式：

(7.18)

归一化反射功率：(7.19)

(2)根据(1)中得到的关系式，通过程序计算，获得量化的误差大小：

对一个微波系统来说，如果是固定负载，并且大小是已知的，电长度以及方向性系数都是已知的，反射系数也是可得到的固定值，这样直接根据方程(7.14)、(7.19)就可以计算出功率误差；

如果负载是变化的，通过入射和反射点同时测量，建立方程组来解：

在高功率波导传输线上通过a、b两点分别测量入射和反射功率；a是入射耦合测量点，b是反射耦合测量点；a、b点之间距离为nλ_g，这样负载距离a、b点电长度d_a＝d_b＝l，l是已知的；

定向耦合器的入射端口a耦合度系数和方向性系数分别为c_i、d_i；反射端口b耦合度系数和方向性系数分别为c_r、d_r；对于纯电阻负载，通过对a、b两点的功率测量，可以求出反射系数；

由(7.13)、(7.18)可以得到：

(7.20)

(7.21)

其中l_a＝l_b＝l；

则(7.20)、(7.21)两式相除得：

$>>>>>p>a>>>c>r>>>>>p>b>>>c>i>>>>=>>>1>+>2>>>d>i>\; >>\Gamma >L>>cos>>(>->4>\pi l>/>>\lambda >g>>)>>+>>d>i>>>>\Gamma >L>>2>>>>>d>r>>+>2>>>d>r>\; >>\Gamma >L>>cos>>(>->4>\pi l>/>>\lambda >g>>)>>+>>>\Gamma >L>>2>>)>>>$