一种定向耦合器测量高功率微波相位的误差分析方法
【专利摘要】本发明公开了一种定向耦合器测量高功率微波相位的误差分析方法，包括以下步骤：（1）根据微波传输线理论，由简化信号流图的分析，得到测量相位与实际相位之间的关系式。（2）根据（1）中得到的关系式，通过编写程序来分析计算，获得量化的相位误差大小。（3）通过误差分析，可以指导我们进行硬件系统的优化，最大限度地减小误差。本发明为TOKMAK装置高功率微波系统的相位测量误差进行了分析，得到影响相位测量误差的因素，在简化信号流图分析的基础上，得到高功率微波相位测量误差的表达式，通过关系式由计算程序来分析测量的误差，最后获得相位测量误差与方向性系数以及电长度和反射系数的关系。
【专利说明】一种定向耦合器测量高功率微波相位的误差分析方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及高功率微波耦合测量与数据处理【技术领域】，尤其涉及一种定向耦合器测量高功率微波相位的误差分析方法。
【背景技术】
[0002]在国家大科学工程全超导托卡马克EAST装置上，低杂波(LHW)是一种非常有效的非感应电流驱动方式之一，即利用高功率微波(MW量级)来加热和驱动等离子体。不同的物理实验对低杂波功率谱有不同的要求，这决定了低杂波系统要灵活控制天线相邻波导的相位差。高功率微波系统中通过定向耦合器来耦合波导内的信号，再送到鉴相系统进行比较，得到相邻波导之间的相位差，根据相位差计算获得目标相位所需要的相移，从而控制各路前级微波源的相移以调节天线功率谱。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一定的误差。通过分析，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的相位测量都是通过定向耦合器和鉴相系统来完成的。这种通过定向耦合器和鉴相系统的方法在匹配或高方向性耦合器的条件下，测量误差是很小的。但是在TOKMAK低杂波系统中， 负载是变化的等离子体，在这种失配条件下，相位测量就会存在一定的误差。
[0003]一旦误差存在，就可能对天线的功率谱控制产生偏差，干扰我们对实验的判断，甚至得出完全相反的结论。
【发明内容】
[0004]本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种定向耦合器测量高功率微波相位的误差分析方法。
[0005]本发明是通过以下技术方案实现的:
[0006]一种定向耦合器测量高功率微波相位的误差分析方法，包括以下步骤:
[0007](I)波导内信号分析，根据微波传输线理论，由简化信号流图的分析，得到入射信号和反射信号的关系式:
[0008]各字符定义如下分别是源电压信号、波导端口的入射波电压信号和反射波电压信号；I g是源电压反射系数；IL是负载电压反射系数；d是测量端口距离负载的距离；β为传播常数；
[0009]在距离d=0时，有:
【权利要求】
1.一种定向耦合器测量高功率微波相位的误差分析方法，其特征在于:包括以下步骤: (1)波导内信号分析，根据微波传输线理论，由简化信号流图的分析，得到入射信号和反射信号的关系式: 各字符的定义如下:\、\、Vr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；gamma g是源电压反射系数；gamma\是负载电压反射系数；d是测量端口距离负载的距离；β为传播常数； 在距离d=0时，有: VVrFg=Vi ⑴ Wl (2) 由式(1)、(2)可解得: wa-r grL)⑶ Wl (4) 在距离d Φ O时，对无耗传输线gamma d= gamma Le-2J0d,则有: Vi=VQ-F grLe-聊)(5)
Vr=VgrLe-2jed/(l-rgrLe-2jed) (6) 对于理想传输线系统，由于环行器对反射波的吸收，gamma g可理想化近似为O，则(5)、(6)简化为: Vi=Vg (7) Vr=VgT ^2j0d (8) (2)定向耦合器耦合端口信号分析 定向耦合器的入射端口耦合度和方向性分别为C、D，其对应的入射功率耦合系数为C1、方向性系数为屯，则反射功率耦合系数为CiCli ;波导内入射信号和反射信号分别由(7)、(8)式给出，则入射耦合端口信号可写成:
V =Ci1/2Vg+(CiCli) 1/2VgrLe-2jed (9) 定向耦合器入射耦合端口内的信号也可借鉴上面的波导传输线内信号分析，由于定向耦合器有较好的一致性，它引起的相差在最后计算时将抵消，这里就理想化为Vgi’直接进入鉴相仪； (3)相位误差分析 实际测量的相位是根据耦合端口信号(9)得到的，波导内真实入射波相位是在定向耦合器耦合端口方向性D= c?(即φ=0)时的Vi_的相位，Cli=O时，(9)简化为Vi^=Cil72Vg (10) 则测量相位差为:Δφ=φ (Vg’i) -φ (Vi真实)(11) (9)、(10)代入(11)可得到:Acp=tan—1 (山1/2 gamma Lsin(-2 β d) /(1+d/2 gamma ,cos (-2 β d)))(12) 从表达式可看出相位测量误差与入射功率大小、耦合度C (耦合系数Ci)没有关系；对于给定的定耦，其方向性D (方向性系数(Ii) 一定，相位测量误差只与耦合端口距离负载的电长度d及负载反射系数有关。 (4)相位测量误差程序计算 由关系式(12)可编写程序 计算出波导内反射造成的相位测量误差。
【文档编号】G01R25/00GK103760416SQ201310719657
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年12月23日 优先权日:2013年12月23日
【发明者】王茂 申请人:中国科学院等离子体物理研究所