螺旋线慢波结构色散特性自动测试系统及方法

摘要

本发明提供一种螺旋线慢波结构色散特性自动测试系统及方法，包括支撑底座、垂直移动平台、液体容器，液体容器内部为低损耗大介电常数液体，低损耗大介电常数液体上方为竖直的螺旋线慢波结构，螺旋线慢波结构通过慢波结构固定夹具固定在垂直移动平台上，通过计算机控制步进电机，步进电机带动垂直移动平台，垂直移动平台带动螺旋线慢波结构上下运动从而改变螺旋线慢波结构在低损耗大介电常数液体中的位置，建立慢波结构到同轴匹配连接和大反射面之间螺旋线慢波结构的长度与色散的关系方程，获得慢波结构的色散特性参数；本系统采用低损耗大介电常数液体构建大反射面，方便反射参数提取；同时采用慢波结构到同轴的匹配连接的方式，方便了对系统等效电路的简化，进而提出来本发明测试方法，实现了色散参数提取的理论支撑。

说明书

技术领域

本发明属于微波测量的应用领域，尤其是一种螺旋线慢波结构色散特性自动测试系统及方法。

背景技术

螺旋线行波管作为一种重要的微波电子器件，具有宽频带、高增益、大动态范围和低噪声等优点，在现代电子对抗，雷达，通信，微弱信号接收等领域被广泛使用。色散特性是螺旋线行波管慢波结构非常关键的一个冷参数，在很大程度上影响着整个行波管的性能。色散特性决定了行波管的工作电压、频带宽带。对行波管慢波结构色散特性的测量无论是在慢波结构的设计研制阶段还是在生产线质量检测阶段都占有重要地位。

慢波结构作为行波管的重要结构，其作用是让电子束与电磁信号相互作用，进行能量互换，从而使电磁信号得到放大。近年来，各种不同结构形式的慢波结构被研究者提出。随之，很多关于色散求解的方法也被研究者提出用于分析相应的慢波结构。

目前，关于慢波结构的色散特性研究的方法有很多种，主要包括理论分析法，计算机软件仿真和实验测试三种方法。理论分析法如等效介电常数法，模式匹配法等，这些方法大多采用了大量的等效，因此不适合实际工程。仿真模拟依赖于物理模型的正确建立，其结果有时并不能反映实际管子的特性。基于实验的方法，如行波法和谐振法是经典的方法，常用来对各种慢波结构进行测试和对理论分析进行验证。行波法通常是沿着慢波结构中心轴线移动耦合探针，获得不同位置的信号的相位与参考位置的相位差来计算色散参数。这种方法对于快波系统来说是困难的，而且需要保持测试点与参考点都是在中心轴线上。谐振法的原理是让慢波结构处于谐振状态，然后根据谐振条件，建立方程求解相位常数和频率的关系得到色散参数。谐振法的关键是要找到慢波结构的镜像短路面，这常常是很困难的。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种螺旋线慢波结构色散特性自动测试系统及方法。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种螺旋线慢波结构色散特性自动测试系统，包括支撑底座、支撑底座上方的垂直移动平台和液体容器，所述液体容器内部为低损耗大介电常数液体，低损耗大介电常数液体的上表面为液体大反射面，低损耗大介电常数液体上方为竖直的螺旋线慢波结构，螺旋线慢波结构通过慢波结构固定夹具固定在垂直移动平台上，所述垂直移动平台带动所述螺旋线慢波结构在低损耗大介电常数液体中上下移动，所述垂直移动平台由步进电机驱动，步进电机由步进电机伺服系统控制，电机伺服系统与计算机连接，螺旋线慢波结构通过慢波结构到同轴的匹配连接连接矢量网络分析仪，矢量网络分析仪连接计算机。

作为优选方式，所述低损耗大介电常数液体是指损耗角正切值小于10^-4、相对介电常数大于400的液体。

作为优选方式，矢量网络分析仪通过WLAN端口连接到计算机，步进电机伺服系统通过USB接口连接到计算机。

为实现上述发明目的，本发明还提供一种使用上述的自动测试系统的慢波结构色散特性测试方法：通过计算机控制步进电机，步进电机带动垂直移动平台，垂直移动平台带动螺旋线慢波结构上下运动从而改变螺旋线慢波结构在低损耗大介电常数液体中的位置，建立慢波结构到同轴匹配连接和大反射面之间螺旋线慢波结构的长度L与色散参数β_H的关系方程，获得慢波结构的色散特性参数β_H。

作为优选方式，所述方法进一步为：通过计算机控制步进电机，步进电机带动垂直移动平台使得螺旋线慢波结构在低损耗大介电常数液体中上下移动，从而螺旋线慢波结构的长度L发生改变，所述L是液体大反射面距离慢波结构到同轴的匹配连接的长度；利用多态法，四次改变长度L，利用公式(7)即获取慢波结构的色散参数β_H；

其中，Γ_in是双端口网络A的端口D处的输入反射系数，通过(7)，求解得到S₁₁，S₁₂·S₂₁·Γ_P，Γ_L·Γ_P，Υ_H的值，其中γ_H＝α_H+jβ_H。

系统采用低损耗大介电常数液体构建大反射面，方便反射参数提取。同时采用慢波结构到同轴的匹配连接的方式，方便了对系统等效电路的简化，本发明测试方法实现了色散参数提取的理论支撑。

本测试方法的工作原理如下：

螺旋线慢波结构色散特性自动测试系统的原理如附图2所示。其中Γ_L是从慢波结构向同轴转换处看去的反射系数，Γ_P是液体大反射面的反射系数，L是液体大反射面到慢波结构到同轴的匹配连接的长度。矢量网络分析仪11通过同轴电缆连接到慢波结构到同轴的匹配连接。

附图2的等效网络如附图3所示。慢波结构到同轴的匹配连接等效为双端口网络A，其散射参数定义为：

当双端口网络A的端口D接匹配负载时，S₂₂即是从慢波结构向同轴转换处看去的反射系数Γ_L。附图2中线OO到HH之间为慢波结构，其可以等效为一个双端口网络B，其散射参数为S_H。设慢波结构的传播系数为γ_H＝α_H+jβ_H，该参数中β_H即为色散参数，而α_H为冷衰减参数。

当OO和HH之间慢波结构端口匹配很好的时候，双端口网络B的散射参数为：

线HH左边的大反射面等效为一个单端口网络C，其反射系数为Γ_P，Γ_P和双端口网络B级联后的反射系数为：

此时，附图3可以进一步简化等效为附图4的串联网络。即双端口网络A连接到一个反射系数为Γ_P′的负载。根据微波网络理论，在端口D处的反射系数为：

利用程序控制步进电机使慢波结构在低损耗大介电常数液体中移动，则液体大反射面到慢波结构到同轴匹配连接的长度L将随之改变，即反射系数Γ_P′的相角将发生改变。4次移动慢波结构，获得不同的L长度值，分别计为L₁，L₂，L₃，L₄，则Γ_P′也变为Γ_P1′，Γ_P2′，Γ_P3′，Γ_P4′。其中：

根据(4)可以得到(6)：

将(5)带入(6)可以得到(7)：

其中，Γ_in是双端口网络A的端口D处的输入反射系数。通过(7)，可以求解得到S₁₁，S₁₂·S₂₁·Γ_P，Γ_L·Γ_P，Υ_H的值，其中γ_H＝α_H+jβ_H。

本发明的有益效果为：一、系统采用低损耗大介电常数液体构建大反射面，方便反射参数提取。二、同时采用慢波结构到同轴的匹配连接的方式，方便了对系统等效电路的简化，进而提出来本发明测试方法，实现了色散参数提取的理论支撑。三、本系统测试方法同时提取了慢波结构的冷衰减参数，另外，当利用其他手段获得液体大反射面的反射参数Γ_P后，可以扩充得到从慢波结构向同轴转换处看去的反射系数Γ_L。

附图说明

附图1是本发明系统的结构示意图。

附图2是本发明系统的测试结构原理图。

附图3是本发明系统的等效网络。

附图4是本发明系统的进一步等效串联网络。

其中，1是计算机、2是支撑底座、3是步进电机伺服系统、4是步进电机、5是垂直移动平台、6是慢波结构固定夹具、7是螺旋线慢波结构、8是慢波结构到同轴匹配连接、9是液体大反射面、10是低损耗大介电常数液体、11是适量网络分析仪、12是液体容器。

图2中，线OO和HH之间的长度L是慢波结构到同轴匹配连接8和大反射面9之间螺旋线慢波结构的长度，Γ_L是螺旋线慢波结构向慢波结构到同轴匹配连接处看去的反射系数，Γ_P为线HH左边的大反射面的反射系数。

图3中，A是慢波结构到同轴匹配连接8的等效为双端口网络，B是线OO到HH之间的慢波结构的等效双端口网络，C是线HH左边的大反射面的等效单端口网络，D和E是双端口网络A的两个端口，Γ_L是慢波结构向同轴转换处看去的反射系数，Γ_P为线HH左边的大反射面的反射系数，Γ_in是双端口网络A的端口D处的输入反射系数。

图4中，A是慢波结构到同轴匹配连接8的等效为双端口网络，G是双端口网络B和C的串联后等效单端口网络，11是矢量网络分析仪，D是双端口网络A的端口，Γ_P′是等效单端口网络G的反射系数，Γ_in是双端口网络A的端口D处的输入反射系数。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

一种螺旋线慢波结构色散特性自动测试系统，包括支撑底座2、支撑底座2上方的垂直移动平台5和液体容器12，所述液体容器12内部为低损耗大介电常数液体10，低损耗大介电常数液体10的上表面为液体大反射面9，低损耗大介电常数液体10上方为竖直的螺旋线慢波结构7，螺旋线慢波结构7通过慢波结构固定夹具6固定在垂直移动平台5上，所述垂直移动平台5带动所述螺旋线慢波结构7在低损耗大介电常数液体10中上下移动，所述垂直移动平台5由步进电机4驱动，步进电机4由步进电机伺服系统3控制，电机伺服系统3与计算机1连接，螺旋线慢波结构7通过慢波结构到同轴的匹配连接8连接矢量网络分析仪11，矢量网络分析仪11连接计算机1。

所述低损耗大介电常数液体是指损耗角正切值小于10^-4、相对介电常数大于400的液体。

具体的，矢量网络分析仪11通过WLAN端口连接到计算机1，步进电机伺服系统3通过USB接口连接到计算机1。

使用上述的自动测试系统的慢波结构色散特性测试方法：通过计算机1控制步进电机4，步进电机4带动垂直移动平台5使得螺旋线慢波结构7在低损耗大介电常数液体10中上下移动，从而螺旋线慢波结构7的长度L发生改变，所述L是液体大反射面9距离慢波结构到同轴的匹配连接8之间螺旋线慢波结构的长度；利用多态法，四次改变长度L，利用公式(7)即获取慢波结构的色散参数；

其中，Γ_in是双端口网络A的端口D处的输入反射系数，通过(7)，求解得到S₁₁，S₁₂·S₂₁·Γ_P，Γ_L·Γ_P，Υ_H的值，其中γ_H＝α_H+jβ_H。

系统采用低损耗大介电常数液体构建大反射面，方便反射参数提取。同时采用慢波结构到同轴的匹配连接的方式，方便了对系统等效电路的简化，本发明测试方法实现了色散参数提取的理论支撑。

本测试方法的工作原理如下：

螺旋线慢波结构色散特性自动测试系统的原理如附图2所示。其中Γ_L是从慢波结构向同轴转换处看去的反射系数，Γ_P是液体大反射面的反射系数，L是液体大反射面到慢波结构到同轴的匹配连接8的长度。矢量网络分析仪11通过同轴电缆连接到慢波结构到同轴的匹配连接8。

附图2的等效网络如附图3所示。慢波结构到同轴的匹配连接8等效为双端口网络A，其散射参数定义为：

当双端口网络A的端口D接匹配负载时，S₂₂即是从慢波结构向同轴转换处看去的反射系数Γ_L。附图2中线OO到HH之间为慢波结构，其可以等效为一个双端口网络B，其散射参数为S_H。设慢波结构的传播系数为γ_H＝α_H+jβ_H，该参数中β_H即为色散参数，而α_H为冷衰减参数。

当OO和HH之间慢波结构端口匹配很好的时候，双端口网络B的散射参数为：

线HH左边的大反射面等效为一个单端口网络C，其反射系数为Γ_P，Γ_P和双端口网络B级联后的反射系数为：

此时，附图3可以进一步简化等效为附图4的串联网络。即双端口网络A连接到一个反射系数为Γ_P′的负载。根据微波网络理论，在端口D处的反射系数为：

利用程序控制步进电机4使慢波结构7在低损耗大介电常数液体10中移动，则液体大反射面9到慢波结构到同轴匹配连接8的长度L将随之改变，即反射系数Γ_P′的相角将发生改变。4次移动慢波结构7，获得不同的L长度值，分别计为L₁，L₂，L₃，L₄，则Γ_P′也变为Γ_P1′，Γ_P2′，Γ_P3′，Γ_P4′。其中：

根据(4)可以得到(6)：

将(5)带入(6)可以得到(7)：

其中，Γ_in是双端口网络A的端口D处的输入反射系数。通过(7)，可以求解得到S₁₁，S₁₂·S₂₁·Γ_P，Γ_L·Γ_P，Υ_H的值，其中γ_H＝α_H+jβ_H。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。