应用于微放电效应检测的相位差值计算调零装置及方法与流程

本发明涉及一种应用于微放电效应检测的相位差值计算调零装置及方法。

背景技术：

微放电效应又称二次电子倍增效应，是指在真空条件下自由电子在外加射频场的加速下，在两个金属表面间或单个介质表面上激发的二次电子发射与倍增效应，是一种真空谐振放电现象，是影响空间电子设备可靠性的一个十分重要的因素。

微放电效应主要发生在航天器的射频、微波、毫米波系统内。处于空间轨道中正常工作的航天器会受外部高能等离子体、高真空环境、自身结构尺寸、传输信号频率及功率等因素的影响，产生二次电子倍增效应，出现使微波系统增益下降、传输性能恶化、信号噪声增大等现象，使微波系统不能正常工作，甚至发生彻底失效的灾难性故障。

某种情况下，微放电现象会造成微波器部件的介质材料、粘接剂等出气，形成局部低真空条件，这时微波电场可能使低真空环境的气体分子电离，产生功率击穿、电弧放电等低气压放电现象，产生的高温强电离效应会烧坏微波系统，工作寿命提前结束，使航天器出现彻底失效的灾难性故障。因此开展微放电效应检测试验对保障航天器在轨正常运行十分重要。

微放电效应的检测需要根据被测件自身的特性选择合适的测试方案，其中，前向/后向功率检测及前向/后向功率调零检测是通过监测被测件输入端口反射信号幅度和相位的变化情况实现微放电效应检测的。前向/后向功率检测及前向/后向功率调零检测技术原理如图1所示，传输信号及反射信号经大功率双向定耦按比例耦合出一部分用于信号监测，正反向耦合信号在调零单元中分为两路：一路输出至功率计，分别监测正向平均功率、正向峰值功率、反向平均功率；另一路进入调零通道进行调零，用频谱仪监测调零信号频谱。

现有调零单元原理如图2所示，其大致过程为：正向耦合信号在调零单元中通过3db电桥分为两路：一路经功分器再分为两路，然后输出至外部均值功率计和峰值功率计；另一路进入调零通道。反向耦合信号经3db电桥分为两路：一路输出至外部均值功率计；另一路进入调零通道。将进入调零通道的两路信号通过调节衰减器、移相器调成等幅反相，合路输出后形成调零信号，用频谱仪监测调零频谱是否有异常跳动。

由此可见，现有技术中微放电效应的检测存在如下缺点：

1.现阶段系统软件采用二分法实现自动调零，首先根据输入功率监测值，调节衰减器将两路信号幅度调成一致，幅度差值控制在0.5db以内，之后在0°～360°范围内调节移相器，在外部频谱仪的辅助下，采用二分法逐渐将同相合路输出信号幅度调至最小(-70dbm以下)，使两路信号相位差值保持在180°左右，采用二分法自动调零速度较慢，一般实现一次调零约需40s左右，而且调零效果不佳，很难将调零信号幅度调至-80dbm以下；

2.将两路微波信号调成等幅反相在实际测试中根本无法实现，为了提高微放电效应检测的灵敏度，只能寄希望于将调零电平尽可能的调至最小，但现阶段自动调零效果不太理想，无法将调零信号幅度调至-80dbm以下，降低了微放电效应的检测灵敏度。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种应用于微放电效应检测的相位差值计算调零装置，以解决目前航天器大功率微波器部件载荷在高温真空环境中的微放电效应检测问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种应用于微放电效应检测的相位差值计算调零装置，包括两路调幅、调相通道，在每路调幅、调相通道上分别设有衰减器和移相器；

所述调零装置还包括同向合路器和信号幅度监测自动切换装置；其中：

信号幅度监测自动切换装置采用一选三开关；

在每路调幅、调相通道的输出端分别通过信号线连接一个耦合器；

两个耦合器分别通过一条信号线连接到同向合路器的输入端；

两个耦合器还分别通过一条信号线连接到信号幅度监测自动切换装置的一路开关上，同向合路器的输出端通过一条信号线连接到信号幅度监测自动切换装置的一路开关上；

信号幅度监测自动切换装置用于连接外部频谱分析仪。

此外，本发明还公开了一种应用于微放电效应检测的相位差值计算调零方法，采用上述一种应用于微放电效应检测的相位差值计算调零装置，其技术方案如下：

一种应用于微放电效应检测的相位差值计算调零方法，包括如下步骤：

a信号进入两路调幅、调相通道后，先通过信号幅度监测自动切换装置进行开关切换，使用外部频谱分析仪对两路调幅、调相通道的信号幅度进行检测，计算两路信号幅度差值；

b调节两路调幅、调相通道上的衰减器，将两路信号幅度调成一致；

c两路信号幅度一致后，通信号幅度监测自动切换装置切换开关，使用外部频谱分析仪读取合路输出信号的幅度值，采用合路信号相位差值计算算法，计算出合路前两路信号的相位差值，通过调节两路调幅、调相通道上的移相器将两路信号相位差调成180°。

优选地，所述步骤b中，两路信号幅度调成一致，即幅度差控制在0.05db以内。

优选地，所述步骤c中合路信号相位差值计算算法如下：

设定u1、u2为两路输入射频信号的电压，对应输入功率分别为p1、p2，根据合路器技术原理分析，得知两路信号进入同向合路器的最终合成功率表达式如下所列：

p＝p1+p2cosθ，其中，θ为两路输入信号相位差值；

同时根据调零原理描述，自动调零首先将两路幅度调成一致，则根据上式得出：

p1＝p2；

合成功率表达式则转换为：p＝p1(1+cosθ)；

其中，p及p1为通过信号幅度监测自动切换装置进行开关切换，用外部频谱分析仪检测已知的合路输出信号幅度值及同相合路器输入信号幅度值，则以此计算出θ值；

两路调幅、调相通道的移相范围为0°～360°；

经计算得出相位差θ∈[0,π)区间内或θ∈(π,2π]区间内；

θ值具体所处的区间可根据调节移相量，查看合路输出信号幅度的变化趋势即可判断出：

如果相位差θ∈[0,π)区间内，那么此时调零信号幅度最小时理论上相位调节量为θ'＝π-θ，通过移相，合路输出信号幅度会跳变至-80dbm以下；若相反合路输出信号幅度变大，就说明θ∈(π,2π]区间内，则此时的移相量应当为θ'＝π+θ。

本发明具有如下优点：

本装置依据微放电效应检测技术要求，结合被测件自身技术特性，采用衰减器、移相器和同相合路器以高效、高精密、高可靠及低成本的方式实现双路微波信号的全自动调零。本方法提高了微放电效应检测效率，缩短了试验测试时间，缩短了微放电效应试验测试系统全设备开机时间，节省了人力、物力和财力，在同等时间内可完成更多的试验测试任务；提高了微放电效应检测灵敏度，可将调零信号幅度调节至-80dbm以下，可有效实现弱放电时的检测能力，不至于等到发生强放电时烧毁被测件时才发现微放电现象；可根据用户的不同需求应用其它测试领域，比如实现频谱分析仪中的零频抑制及多路信号间相位差值计算等。

附图说明

图1为现有技术中微放电效应检测系统构建示意图；

图2为现阶段调零单元原理示意图；

图3为本发明中一种应用于微放电效应检测的相位差值计算调零装置的结构示意图；

图4为本发明中同相合路器的原理示意图；

其中，1、2-调幅、调相通道，3-衰减器，4-移相器，5-衰减器，6-移相器，7-同向合路器，8-信号幅度监测自动切换装置，9、10-耦合器。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

如图3所示，一种应用于微放电效应检测的相位差值计算调零装置，包括两路调幅、调相通道，在每路调幅、调相通道上分别设有衰减器和移相器。

本实施方式中将两路调幅、调相通道分别标记为调幅、调相通道1、2。

在调幅、调相通道1上设有衰减器3和移相器4，在调幅、调相通道2上设有衰减器5和移相器6。优选地，衰减器3和衰减器5可以采用数控衰减器。

本发明中调零装置还包括同向合路器7和信号幅度监测自动切换装置8。其中：

信号幅度监测自动切换装置8采用一选三开关，例如单刀三掷开关等。

在每路调幅、调相通道的输出端分别通过信号线连接一个耦合器，例如耦合器9、10。

耦合器9通过一条信号线连接到同向合路器7的输入端；耦合器10通过一条信号线连接到同向合路器7的输入端。

两个耦合器还分别通过一条信号线连接到信号幅度监测自动切换装置8的一路开关上，同向合路器7的输出端通过一条信号线连接到信号幅度监测自动切换装置8的一路开关上。

信号幅度监测自动切换装置8用于连接外部频谱分析仪。

两路信号进入到调零装置后，通过调节衰减器及移相器进行调零，具体过程如下：

一种应用于微放电效应检测的相位差值计算调零方法，采用上述一种应用于微放电效应检测的相位差值计算调零装置，其包括如下步骤：

a信号进入两路调幅、调相通道后，先通过信号幅度监测自动切换装置8进行开关切换，使用外部频谱分析仪对两路调幅、调相通道的信号幅度进行检测，计算两路信号幅度差值；

b调节两路调幅、调相通道上的衰减器，将两路信号幅度调成一致；

优选地，本实施方式中幅度差控制在0.05db以内，即可认定两路信号幅度调成一致；

在此衰减器衰减量的变化会引起相位大幅变化，因为后面要进行相位调节，因此不刻意追求衰减器的稳相指标；

c两路信号幅度一致后，通信号幅度监测自动切换装置8切换开关，使用外部频谱分析仪读取合路输出信号的幅度值，采用合路信号相位差值计算算法，计算出合路前两路信号的相位差值，通过调节两路调幅、调相通道上的移相器将两路信号相位差调成180°。

如图4所示，步骤c中合路信号相位差值计算算法如下：

设定u1、u2为两路输入射频信号的电压，对应输入功率分别为p1、p2，根据合路器技术原理分析，得知两路信号进入同向合路器的最终合成功率表达式如下所列：

p＝p1+p2cosθ，其中，θ为两路输入信号相位差值；

同时根据调零原理描述，自动调零首先将两路幅度调成一致，则根据上式得出：

p1＝p2；

合成功率表达式则转换为：p＝p1(1+cosθ)；

其中，p及p1为通过信号幅度监测自动切换装置进行开关切换，用外部频谱分析仪检测已知的合路输出信号幅度值及同相合路器输入信号幅度值，则以此计算出θ值；

两路调幅、调相通道的移相范围为0°～360°；

经计算得出相位差θ∈[0,π)区间内或θ∈(π,2π]区间内；

θ值具体所处的区间可根据调节移相量，查看合路输出信号幅度的变化趋势即可判断出：

如果相位差θ∈[0,π)区间内，那么此时调零信号幅度最小时理论上相位调节量为θ'＝π-θ，通过移相，合路输出信号幅度会跳变至-80dbm以下；若相反合路输出信号幅度变大，就说明θ∈(π,2π]区间内，则此时的移相量应当为θ'＝π+θ。

在图4中，各个字母代表的含义如下所示：

u1、u2表示两个输入功率信号源，其内阻分别为rs1与rs2；rl表示负载电阻，pl表示负载电阻上的合成功率，rd表示平衡隔离电阻，λ表示射频信号波长；

当r＝rs1＝rs2＝rd/2＝rl＝50ω，zc＝70.7ω时，两路微带功率合成器满足最佳匹配条件。

本发明方法可实现快速自动调零，自动调零时间＜10s，同时也能将调零信号幅度调至-80dbm以下，具有非常好的调零效果，保证了微放电效应检测灵敏度，提高了试验测试效率。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。