基于滤波反馈锁相的微波源系统及其微波诊断系统

摘要

本发明公开了一种基于滤波反馈锁相的微波源系统，包括用于产生微波信号的滤波反馈回路，所述滤波反馈回路包括带通滤波器、第一微波功率放大器和定向耦合器，所述带通滤波器的输出端与所述第一微波功率放大器的输入端连接，所述第一微波功率放大器的输出端与所述定向耦合器的输入端连接，所述定向耦合器的耦合输出端与所述带通滤波器的输入端连接，所述定向耦合器的输出端用于微波输出。本发明还公开了包括该基于滤波反馈锁相的微波源系统的微波测量系统和等离子体微波诊断系统，本发明的基于滤波反馈锁相的微波源系统采用带通滤波器作正反馈微波回路，使系统谐振在带通滤波器的带宽上，从而使本发明的微波源系统的工作频率只受滤波反馈回路控制，频率稳定性高，且系统结构简单、成本低、易维护。

说明书

技术领域

本发明涉及微波发生领域，尤其涉及一种基于滤波反馈锁相的微波源系统， 本发明还涉及包括该微波源系统的微波诊断系统。

背景技术

等离子体微波诊断能够测量高温等离子体内部的电子温度和电子密度分 布、湍流和旋转速度等重要参数，其工作时不会像探针等诊断系统那样影响到 等离子体的运行，其良好的定域测量性能使之成为磁约束受控核聚变等离子体 实验研究重要的测量手段之一。在一个微波诊断系统中，微波源系统是最重要 的组成部分，目前已经发展有多种类型的微波源系统，包括返波管、回旋管、 速调管、EIO微波管、微波固态源、微波合成源等。其中，返波管、EIO管和速 调管等微波源，需要有复杂的高压系统和控制系统。返波管的寿命短，通常只 有1千多个小时的寿命。返波管、回旋管、速调管和EIO微波管等微波源的频率 稳定度都比较差，不适合直接用于等离子体湍流测量。微波固态管的输出频率 固定，可调范围较小，但通常输出功率小；微波合成源一般采用恒温晶振从低 频锁相，并逐次倍频到微波工作频率，需要复杂的滤波、倍频、隔离和放大电 路，系统比较复杂。上述的这些微波系统大都价格昂贵，维护和保养困难。

发明内容

本发明解决的技术问题是现有的微波源系统因存在如下问题中的一种或几 种从而无法满足需要的问题：结构复杂、寿命短、频率稳定性差、价格昂贵、 维护和保养困难，进而提供一种结构简单、寿命长、频率稳定度高、成本低、 容易维护且相噪低的基于滤波反馈锁相的微波源系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

基于滤波反馈锁相的微波源系统，包括用于产生微波信号的滤波反馈回路， 所述滤波反馈回路包括带通滤波器、第一微波功率放大器和定向耦合器，所述 带通滤波器的输出端与所述第一微波功率放大器的输入端连接，所述第一微波 功率放大器的输出端与所述定向耦合器的输入端连接，所述定向耦合器的耦合 输出端与所述带通滤波器的输入端连接，所述定向耦合器的输出端用于微波输 出。

优选地，所述滤波反馈回路还包括微波谐振腔，所述微波谐振腔连接在所 述定向耦合器的耦合输出端与所述带通滤波器的输入端之间。

优选地，所述滤波反馈回路还包括用于防止寄生反射的隔离器，所述隔离 器设置在所述定向耦合器的耦合输出端和所述微波谐振腔的输入端之间。

优选地，所述滤波反馈回路还包括可调移相器，所述可调移相器连接在所 述带通滤波器的输出端与所述第一微波功率放大器的输入端之间。

优选地，所述基于滤波反馈锁相的微波源系统包括不同频率的带通滤波器 阵列和用于从所述带通滤波器阵列中选择不同工作频率的带通滤波器作为所述 带通滤波器的档位选择开关。

优选地，所述基于滤波反馈锁相的微波源系统还包括功率输出系统，所述 功率输出系统包括天线和第二微波功率放大器，所述天线与所述定向耦合器的 输出端连接，所述第二微波功率放大器设置在所述天线与所述定向耦合器的输 出端之间。

优选地，所述功率输出系统还包括宽带微波隔离器，所述宽带微波隔离器 设置在所述天线与所述第二微波功率放大器之间。

优选地，所述功率输出系统还包括监测耦合器和微波监控系统，所述监测 耦合器设置在所述第二微波功率放大器和所述宽带微波隔离器之间，所述监测 耦合器的耦合端耦合一路给所述微波监控系统。

本发明还提供一种包括所述基于滤波反馈锁相的微波源系统的等离子体微 波诊断系统，所述等离子体微波诊断系统还包括微波接收系统，所述微波接收 系统接收所述基于滤波反馈锁相的微波源系统发射并通过待测介质的微波，实 现微波诊断功能。

优选地，在所述微波谐振腔上开有远小于所述微波谐振腔的尺寸的通孔。

本发明的有益效果如下：

本发明基于滤波反馈锁相的微波源系统采用带通滤波器作正反馈微波回 路，使系统谐振在带通滤波器的带宽上(在设置有微波谐振腔的方案中，系统 谐振在微波谐振腔的固有频率上)，即通过带通滤波器锁相，从而使本发明的微 波源系统的工作频率只受谐振回路控制，频率稳定性高，且不需要像晶振合成 源那样经多次倍频、滤波和功率放大，也不需要设置返波管等微波源中的高压 系统和复杂的控制系统，系统结构简单。由于系统中只有第一微波功率放大器 是有源器件，因此使得本发明的微波源系统的寿命更长、成本更低、维护也更 简单。且本发明的基于滤波反馈锁相的微波源系统的输出功率由第一微波放大 器1dB压缩点功率决定，采用大功率微波放大器时能够满足大功率输出。

附图说明

图1为本发明的基于滤波反馈锁相的微波源系统的结构示意图；

图2是带通滤波器分别为23GHz和37GHz时，本发明的微波测量系统测量 到的相位噪声；

图3是本发明的一个实施例中的微波谐振腔的结构示意图；

图4是本发明的一个实施例中的频率可选的微波源系统的结构示意图；

图中：

1-微波谐振腔、2-带通滤波器、3-可调移相器、4-第一微波功率放大器、5- 定向耦合器、6-隔离器、7-第二微波功率放大器、8-监测耦合器、9-微波监控系 统、10-宽带微波隔离器、11-天线、13-通孔、14-待测介质、15-输入端微波耦合 极、16-输入端口、17-输出端微波耦合极、18-输出端口、19-档位选择开关。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案和有益效果进一步进行说 明。

本发明中，所谓的“第一”、“第二”并不代表任何逻辑上的先后关系，仅 仅是为了区分系统中包括的两个相同的部件。

如图1所示，本发明的基于滤波反馈锁相的微波源系统，包括用于产生微波 信号的滤波反馈回路，滤波反馈回路包括带通滤波器2、第一微波功率放大器4 和定向耦合器5，带通滤波器2的输出端与第一微波功率放大器4的输入端连接， 第一微波功率放大器4的输出端与定向耦合器5的输入端连接，定向耦合器5的耦 合输出端与带通滤波器2的输入端连接，定向耦合器5的输出端用于微波输出。

其中，第一微波功率放大器4用于放大带通滤波器2产生的谐振频率，要求 第一微波功率放大器4的增益要大于整个滤波反馈回路的损耗，通常要求增益大 于20dB。同时，滤波反馈回路的输出功率由第一微波功率放大器4的1dB压缩点 的功率决定，考虑系统的插入损耗，通常比1dB压缩点功率小大约1dB。

定向耦合器5用于将第一微波功率放大器4输出的部分功率耦合反馈给带通 滤波器2，通常要求耦合度10到20dB，隔离度大于20dB。

本发明的基于滤波反馈锁相的微波源系统利用带通滤波器、微波放大器等 构成的滤波反馈回路产生微波信号，从定向耦合器5的输出端输出，本发明的 微波源系统能够输出稳定的微波功率。

本发明中，滤波反馈回路还包括微波谐振腔1，微波谐振腔1连接在定向耦 合器5的耦合输出端与带通滤波器2的输入端之间，当带通滤波器2的带宽远 大于谐振腔1的固有谐振频率时，系统工作在谐振腔1的固有谐振频率上，从 而可通过调整微波谐振腔1的参数，调节微波源系统的输出的频率，具体地， 利用微波谐振腔1的谐振性能，改变腔体的大小，来改变谐振频率，从而实现 系统的输出频率可调，具体实施时，可在微波谐振腔1上设计一个可调节腔体 尺寸的旋钮，从而方便地改变腔体的大小。微波谐振腔1可以采用高品质因数Q (平均储能/平均耗能，其大小可以依据公知常识根据波导的形状和尺寸计算得 到)的矩形波导腔或圆形波导腔，以提高系统效率。带通滤波器2能够过滤掉 微波谐振腔1产生的非主波频率，如高次谐波和寄生振荡等。

本发明中，滤波反馈回路还可以包括用于防止寄生反射的隔离器6，隔离器 6设置在定向耦合器5的耦合输出端和微波谐振腔1的输入端之间。为了尽可能 的防止回路产生寄生反射，进而影响谐振腔的工作频率，使系统的工作频率出 现较大的漂移，隔离器6应尽量选用高隔离度(>20dB)的微波隔离器。

本发明中，滤波反馈回路还可以包括可调移相器3，可调移相器3连接在带 通滤波器2的输出端与微波功率放大器4的输入端之间。可调移相器3的主要 用于工作频率微调：可调移相器3工作在谐振腔固有频率附近，能够产生0-360 度的微波相移，通过调节可调移相器，可以在一定范围内改变微波工作频率。 在某种特定情况下可调移相器3还可以辅助本发明的微波源系统在谐振频率的 起振。

本发明的基于滤波反馈锁相的微波源系统还可以包括功率输出系统，功率 输出系统包括天线11，天线系统11主要用于输出微波，天线11与定向耦合器5 的输出端连接。

功率输出系统还可以包括第二微波功率放大器7，第二微波功率放大器7设 置在天线11与定向耦合器5的输出端之间。微波功率放大器7主要用于驱动滤 波反馈回路的输出功率，滤波反馈回路通过定向耦合器5输出的微波通过第二 微波功率放大器7进行功率放大后输出给天线11。

本发明中，还可以在功率输出系统中设置宽带微波隔离器10，宽带微波隔 离器10设置在天线11与第二微波功率放大器7之间。宽带微波隔离器10主要 用于防止发射回路产生寄生反射，进而影响到滤波反馈回路的固有工作频率。

为了测量本发明的微波源系统输出的频率和功率，在功率输出系统中设置 监测耦合器8和微波监控系统9，监测耦合器8设置在第二微波功率放大器7和 宽带微波隔离器10之间，监测耦合器8的耦合端耦合一路给微波监控系统9。 微波源监测系统可以显示本发明的微波源输出的频率和功率变化，以便于利用 可调移相器3进行频率微调。

本发明中，在滤波反馈回路仅有带通滤波器2、第一微波功率放大器4和定 向耦合器5构成的实施例中，系统更加紧凑和经济，但是，此时，带通滤波器2 需要只工作所需要的输出频率上，第一微波功率放大器4可选用具有较高的增 益和较高的1dB压缩点功率的微波功率放大器，定向耦合器5需要具有较高的 隔离度，以防止寄生反射，具体来说，放大器的增益需要大于闭合谐振回路的 损耗，放大器的1dB压缩点功率决定系统的输出功率，可根据功率输出要求选 择，其它具体的器件的选择，本领域的技术人员可以根据公知常识完成。

在本发明的微波源系统的基础上，通过如图4所示，增加不同频率的带通 滤波器2阵列、档位选择开关19，利用档位选择开关19，选择不同工作频率的 带通滤波器，使微波源系统实现需要的微波频率输出。

本发明的微波源系统可以作为微波诊断系统的本振源，在某些情况下可以 代替价格较高的合成源或者固态振荡器。在本发明的微波源系统的基础上，增 加微波测量系统中需要用到的微波接收系统，如检波或者混频系统，接收从本 系统发射出来并通过待测介质的微波，即可实现微波干涉或微波反射测量，从 而利用本发明的微波源系统发射微波，测量待测介质的反射或干涉信号。

本发明的微波源系统还可以利用谐振腔1的性能测量运动介质的速度和质 量，具体来说，需要对微波谐振腔1的结构适当改造，通过如图3所示，在微 波谐振腔1上开设远小于微波谐振腔1的尺寸的通孔，能够利用微波谐振腔1 的谐振性能，通过测量穿过微波谐振腔1的运动介质的引起的频率变化，可以 测量通过微波谐振腔1的运动介质的速度和质量，从而可以使本发明的微波源 系统应用于微波诊断系统以及测量高速运动介质的速度和质量。测量时，将待 测量质量通过通孔迅速射过该微波谐振腔1，测量微波频率源输出频率的变化， 频率变化的时间为介质通过谐振腔的时间，即可求得介质运动的速度，频率的 变化量与介质的介电常数和体积有关，在已知介质密度的情况下，可以求得该 介质的质量。

下面结合附图1详细描述本发明所提供的一种基于滤波反馈锁相的微波源 系统的工作原理：

微波谐振腔1、带通滤波器2、可调移相器3、第一微波功率放大器4、定 向耦合器5和隔离器6构成滤波反馈回路，其实质上为第一微波放大器4的正 反馈电路，回路内设计的带通滤波和隔离器使该回路工作在微波谐振腔1的谐 振频率上。通过调节可调移相器3，使回路的谐振频率还可以在有限范围内发生 改变，同时还可有利于滤波反馈回路起振。

反馈回路通过定向耦合器输出微波，通过第二微波功率放大器7进行功率 放大后输出给微波天线系统11。通过微波源监测系统10来测量系统输出的频率 和功率，并实时显示微波源输出的频率和功率变化。以便于利用可调移相器3 将系统的工作频率调节到所需要的频点上。

由于系统采用了高品质因数Q的微波谐振腔1作反馈控制，输出频率的相 位噪声可以得到较好的抑制，从而使本发明的微波源系统的相位噪声低，图2 是带通滤波器分别为23GHz(图中下面一条线)和37GHz(图中上面一条线) 时，利用本发明系统测量到的相位噪声。当频偏为100kHz时，用23GHz带通 滤波器构成的回路系统输出的相位噪声为102dBc/Hz100kHz，用37GHz带通 滤波器构成的回路系统输出的相位噪声为91dBc/Hz100kHz，基本上达到了恒 温晶振锁相微波源的噪声水平。

上面结合附图和实施对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实 施例子，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明 宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技 术。