一种长脉冲高功率定向耦合器性能的在线测试装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明属于百千瓦量级高功率微波器件性能检测设备领域，具体涉及一种长脉冲高功率定向耦合器性能的在线测试装置和方法。
【背景技术】
[0002]目前国内外的托卡马克装置上普遍采用大功率微波来进行等离子体加热和电流驱动。EAST超导托卡马克装置上有两套高功率微波系统，4MW/2.45GHz和6MW/4.6GHz系统，单管分别可达200kW、连续波(CW)和250kW、连续波(CW)运行。高功率微波注入等离子体中，其功率测量、控制及驻波保护是通过对定向耦合器耦合的信号监测来实现的，因此性能优良的定向耦合器对系统测量和保护至关重要。
[0003]目前系统中高功率定向耦合器一般在低功率UW量级)水平进行定标获得其耦合度和隔离度，之后检波放大信号按照测量得到的耦合度来进行信号数值拟合获得微波源的输出功率和传输线上的反射功率大小，从而进行功率控制和保护。这种在低功率下定标获得的数据，在长脉冲高功率的情况下是否仍然保持恒定是进行功率控制和系统保护关心的问题。在系统运行中确实遇到了高功率长脉冲运行时，在微波源稳定的情况下，这种通过常规方法获得的功率信号不稳定的问题。
[0004]高功率长脉冲运行时，在微波源稳定的情况下，这种通过常规方法获得的功率信号不稳定。引起这种不稳定的原因有很多，可能是定向耦合器在长时间高功率运行后局部发热畸变造成耦合度变化、传输线本身由于弯头变换原因引起高次模或耦合端口附近激发高次模等，也可能是检波器温度响应造成的，等等。为验证系统的可靠性，我们需要获得高功率定向耦合器在高功率长脉冲条件下的性能。
[0005]目前没有带高功率微波源的测量仪器来直接测量和分析本系统上的高功率定向耦合器的长脉冲高功率下的性能。
【发明内容】
[0006]本发明针对EAST超导托卡马克装置上的两套高功率微波系统在微波源稳定的情况下、高功率长脉冲运行时，获得的功率信号不稳定的问题，提出一种长脉冲高功率定向耦合器性能的在线测试装置，利用该装置对高功率微波系统中定向耦合器进行在线监测进而获得长脉冲高功率下定向耦合器的性能，以便分析高功率长脉冲运行时系统的测量误差，并为系统的改进和优化提供参考。
[0007]本发明采用的技术方案如下:
一种长脉冲高功率定向耦合器性能的在线测试装置，包括大功率速调管系统、矢量网络分析仪、微波开关、微波放大器、隔直器一、环形器、双定向耦合器、大功率水负载，其特征在于:所述矢量网络分析仪的输出端经微波开关连接至微波放大器，微波放大器将矢量网络分析仪输出的mW信号放大为瓦级，微波放大器的输出端经隔直器一后连接至大功率速调管输入端口，所述大功率速调管系统的速调管输出端经环行器连接至双定向耦合器，双定向耦合器的耦合输出端经衰减器和隔直器后由微波电缆接入矢量网络分析仪，双定向耦合器波导输出接至大功率水负载。
[0008]所述的百千瓦级定向親合器的親合度为58dB，隔离度大于25 dB。
[0009]所述矢量网络分析仪的输出信号为mW级；所述速调管输出功率为200kW级；所述环行器、水负载都是200 kW级大功率微波器件。
[0010]一种长脉冲高功率定向耦合器性能的在线测试方法，包括以下步骤:
(1)利用矢量网络分析仪的输出信号作为整个系统的微波信号源；
(2)矢量网络分析仪输出信号(约1mW)经过一种微波放大器放大到大功率速调管系统的速调管的激励功率大小(0.5-1W)，再经过耐压3000V以上的隔直器一后输出到大功率速调管系统的速调管输入端口；
(3)速调管的大功率输出经环行器、双定向耦合器至大功率水负载。
[0011](4)双定向耦合器耦合的入射功率信号经过隔直器、衰减器后送到矢量网络分析仪输入端口；
(5)开启大功率速调管系统，并维持微波信号源的稳定；系统稳定后，校准矢量网络分析仪的S21参数；校准之后，调节速调管阴极高压，在不同的速调管输出功率下进行测试，记录长脉冲(1000s以上)稳态运行条件下矢量网络分析仪通过监测S21参数得到的定向耦合器的耦合功率信号参数变化，获得该定向耦合器的全面性能。
[0012]本发明为高功率定向耦合器的长脉冲性能监测提供了可靠方法，并为托卡马克装置低杂波系统的优化提供了实验支撑。
【附图说明】
[0013]图1本发明结构示意图。
【具体实施方式】
[0014]如图1所示，一种长脉冲高功率定向耦合器性能的在线测试装置，包括大功率速调管系统、矢量网络分析仪、微波开关、微波放大器、隔直器一、环行器、双定向耦合器、大功率水负载，所述矢量网络分析仪的输出端经微波开关连接至微波放大器，微波放大器将矢量网络分析仪输出mW信号放大为瓦级，微波放大器的输出端经隔直器一后连接至大功率速调管系统，所述大功率速调管系统的输出经环行器连接至双定向耦合器，双定向耦合器的耦合输出信号经衰减器和隔直器后由微波电缆接入矢量网络分析仪，双定向耦合器波导输出接至大功率水负载。所述的百千瓦级定向耦合器的耦合度为58dB，隔离度大于25dB。所述矢量网络分析仪的输出信号为mW级；所述速调管输出功率为200kW级；所述环行器、水负载都是200 kW级大功率微波器件。所述大功率速调管系统包括高功率速调管(4.6GHz/250kff/Cff)以及速调管的辅助设备灯丝电源、磁场电源、高压系统、保护和水冷系统等。
[0015]本装置是在已有的4.6GHz高功率(250 kff)稳态测试台基础上改进来的:本发明利用矢量网络分析仪作为测试仪器，同时利用矢量网络分析仪的输出信号(约1mW)作为速调管的振荡源，经过一种保护开关后送给微波放大器放大到瓦级，再经隔直器后输出到速调管激励级；定向耦合器耦合端输出信号经隔直器和衰减器后由微波电缆接入矢量网络分析仪输入端口。
[0016]在测试时保证微波源功率稳定，因此放大器要工作在稳定的饱和状态，同时速调管阴极高压也要保持在一种稳定电压值，这两点是容易实现的。
[0017]具体检测方法如下:
(1)利用矢量网络分析仪的输出信号作为整个系统的微波信号源；
(2)矢量网络分析仪输出信号(约1mW)经过一种微波放大器放大到大功率速调管系统速调管的激励功率大小(0.5-1W)，再经过耐压3000V以上的隔直器一后输出给大功率速调管系统的速调管；
(3)速调管的大功率输出经环行器、双定向耦合器至大功率水负载。
[0018](4)双定向耦合器耦合的入射功率信号经过隔直器、衰减器后送到矢量网络分析仪输入端口；
(5)开启大功率速调管系统，并维持微波信号源的稳定；系统稳定后，校准矢量网络分析仪的S21参数；校准之后，调节速调管阴极高压，在不同的速调管输出功率下进行测试，记录长脉冲(1000s以上)稳态运行条件下矢量网络分析仪通过监测S21参数得到的定向耦合器的耦合功率信号参数变化，获得该定向耦合器的全面性能。
[0019]通过对定向耦合器的测试，可检验各个定向耦合器在长脉冲运行下性能是否满足我们实验中测量、控制和保护的需要；同时根据结果可分析引起参数变化的原因，从而改进系统和定向耦合器的性能。
【主权项】
1.一种长脉冲高功率定向耦合器性能的在线测试装置，包括大功率速调管系统、矢量网络分析仪、微波开关、微波放大器、隔直器一、环行器、双定向耦合器、大功率水负载，其特征在于:所述矢量网络分析仪的输出端经微波开关连接至微波放大器，微波放大器的输出端经隔直器一后连接至大功率速调管的输入端，所述大功率速调管输出端经环形器连接至双定向耦合器，双定向耦合器的耦合输出端经衰减器和隔直器二后由微波电缆接入矢量网络分析仪，双定向耦合器波导输出接至大功率水负载。
2.根据权利要求1所述的一种长脉冲高功率定向耦合器性能的在线测试装置，其特征在于:所述的百千瓦级定向親合器的親合度为58dB，隔离度大于25 dB。
3.根据权利要求1所述的一种长脉冲高功率定向耦合器性能的在线测试装置，其特征在于:所述矢量网络分析仪的输出信号为mW级；所述速调管输出功率为200kW级；所述环行器、水负载都是200 kW级大功率微波器件。
4.根据权利要求1所述的一种长脉冲高功率定向耦合器性能的在线测试装置，其特征在于:所述隔直器一耐压3000V以上。
5.一种长脉冲高功率定向耦合器性能的在线测试方法，包括以下步骤: (1)利用矢量网络分析仪的输出信号作为整个系统的微波信号源； (2)矢量网络分析仪输出信号经过一种微波放大器放大到大功率速调管系统速调管的激励功率大小，再经过隔直器一后输出给大功率速调管系统的速调管； (3)速调管的大功率输出经环行器、双定向耦合器至大功率水负载； (4)双定向耦合器耦合的入射功率信号经过隔直器、衰减器后送到矢量网络分析仪输入端口 ； (5)开启大功率速调管系统，并保持微波信号源和速调管输出功率的稳定；系统稳定后，校准矢量网络分析仪的S21参数；校准之后，调节速调管阴极高压，在不同的速调管输出功率下进行测试，在长脉冲稳态运行条件下通过矢量网络分析仪监测S21参数记录得到定向耦合器耦合信号的功率参数变化，获得该定向耦合器的全面性能。
【专利摘要】本发明公开一种长脉冲高功率定向耦合器性能的在线测试装置，包括大功率速调管系统、矢量网络分析仪，所述矢量网络分析仪的输出端经微波开关连接至微波放大器，微波放大器的输出端经隔直器一后连接至大功率速调管系统，所述大功率速调管系统的输出端经环形器连接至双定向耦合器，双定向耦合器的耦合输出信号经衰减器和隔直器后由微波电缆接入矢量网络分析仪，双定向耦合器波导输出接至大功率水负载。本发明利用网络分析仪作为测试仪器，同时利用网络分析仪的输出信号（约10mW）作为速调管的振荡源，通过不同的速调管输出功率下的测试，记录长脉冲（1000s以上）稳态运行条件下矢量网络分析仪监测得到的S21参数，获得该定向耦合器的全面性能。
【IPC分类】G01R31-00
【公开号】CN104614605
【申请号】CN201510030606
【发明人】王茂, 胡怀传, 杨永, 程敏, 贾华, 马文东, 冯建强, 吴则革, 赵连敏, 刘亮, 徐丽, 王健, 周泰安
【申请人】中国科学院等离子体物理研究所
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年1月21日