专利名称:消除失配负载条件下高功率微波测量误差的方法
技术领域：
本发明属于高功率微波耦合测量与数据处理技术，具体是一种消除失配负载条件下高功率微波测量误差的方法。
背景技术：
在国家大科学工程全超导托卡马克EAST上，将利用高功率微波(MW量级)来驱动等离子体。微波传输线大气侧与装置的真空侧通过陶瓷窗隔离。为保证装置的真空环境，这要求微波系统在高反射和打火的时候要能准确、及时的关断微波，以保护陶瓷窗的安全。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很大的误差。通过初步分析，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测量和保护还是简单的通过定向耦合器和检波器来获取入射和反射功率信号，送入计算机采集直接比较判断功率反射系数的大小，根据设定的系数来确定是否给出保护关断信号。这种通过定向耦合器和检波器的方法在小功率和高方向性耦合器的条件下，测量误差是很小的。但是在高功率和失配条件下，如果方向性不高，测量的误差很大。根据经典理论，如果方向性是D分贝(方向性系数为d)，负载终端反射系数为ГL.则入射功率测量的最大百分误差为ΔPi＝|ГL|d1/2(2+|ГL|d1/2)×100 (4.1)在实验中，也验证了这一点。在EAST装置LHCD系统的前期实验中，发现在探测到打火信号时，测量到的反射功率反而会减小；在波导终端人为短路的条件下，反射功率随短路点位置的不同而变化，在某些位置，甚至会使反射功率超过入射功率。准确的功率测量和精确的保护是整个系统的生命线，一旦不能及时保护，导致陶瓷窗的破裂，整个装置将无法运行。真空、低温超导等将白白浪费等待微波系统修复的时间，给国家带来很大的损失。
发明内容
本发明的目的是提供一种消除失配负载条件下高功率微波测量误差的方法，从简单的信号流程图来分析得到微波功率测量值和微波功率实际真实值的关系式，通过程序分析获得测量值和真实值之间的误差，通过数据处理从软件上来修正获得准确的微波功率信号，保正TOKAMAK系统的正常运行。
本发明主要内容(1)根据微波传输线理论，由简化信号流图的分析，得到测量功率与实际功率之间的关系式。
(2)根据(1)中得到的关系式，通过编写程序来分析计算，获得量化的误差大小。
(3)为系统安全的需要，在低杂波控制程序中引入误差分析算法，得到真实的功率大小，控制程序根据真实的功率来进行控制和保护。
本发明的技术方案是消除失配负载条件下高功率微波测量误差的方法，在TOKAMAK系统中，通过在波导壁上开槽以安装双定向耦合器，其两端和波导匹配对接，以同轴的方式输出，后接同轴检波器，即可将微波信号转化成电压信号，进行波导功率和相位探测，其特征在于包括以下步骤(1)根据微波传输线理论，由简化的信号流图获得测量功率与实际功率之间的关系式；首先，进行微波传输线内信号分析各字符的定义如下Vg、Vi、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；Гg是源电压反射系数；ГL是负载电压反射系数；d是测量端口距离负载的电长度；β为传播常数；在电长度d＝0时，有Vg+VrГg＝Vi(7.1)Vr＝ViГL(7.2)由式(7.1)、(7.2)可解得Vi＝Vg/(1-ГgГL) (7.3)Vr＝ViГL(7.4)
在电长度d≠0时，对无耗传输线Гd＝ГLe-2jβd，则有Vi＝Vg/(1-ГgГLe-2jβd) (7.5)Vr＝VgГLe-2jβd/(1-ГgГLe-2jβd) (7.6)其次，定向耦合器耦合端口信号分析Vi’＝Vg’/(1-Гg’ГL’e-2jβd’) (7.7)Vr’＝Vg’ГL’e-2jβd’/(1-Гg’ГL’e-2jβd’) (7.8)其中，Vi’和Vr’是耦合端口内的入射和反射电压信号；Гg’和ГL’分别对应耦合端口的“源”端反射系数和检波器负载反射系数；Vg’是耦合端口的耦合输入信号；检波功率为P＝Pi-Pr＝|Vi’|2-|Vr’|2(7.9)(7.7)、(7.8)代入(7.9)可得P＝|Vg’|2(1-|ГL’e-2jβd’|2)/|1-Гg’ГL’e-2jβd’|2(7.10)对同一定向耦合器和一致性很好的检波器，可写成P＝K|Vg’|2，K＝(1-|ГL’e-2jβd’|2)/|1-Гg’ГL’e-2jβd’|2(7.11)再次，进行微波功率误差分析已知双定向耦合器的入射端口耦合度系数和方向性系数分别为ci、di；反射端口耦合度系数和方向性系数分别为cr、dr，波导内入射信号和反射信号分别由(7.5)、(7.6)式给出，则入射耦合端口信号可写成Vg’i＝ci1/2Vg/(1-ГgГLe-2jβd)+(cidi)1/2VgГLe-2jβd/(1-ΓgГLe-2jβd) (7.12)则入射检波器测量的功率为Pi测量值＝K|Vg’i|2＝ciK|Vg|2|1+di1/2ГLe-2jβd|2/|1-ГgГLe-2jβd|2(7.13)K是检波器系数；波导内真实入射功率是在定向耦合器入射端口方向性Di＝∞(即di＝0)时的Pi真实；Pi真实值＝K|Vg|2/|1-ГgГLe-2jβd|2(7.14)把测量值对真实值取归一化功率Pi，得到Pi＝Pi测量值/Pi真实值＝|1+di1/2ГLe-2jβd|2(7.15)
这样就可以得到通过定向耦合器和检波器测量入射功率的相对误差值Pi-1；由(7.15)式得到入射百分误差为ΔPi＝(2|ГL|di1/2cos(-2βdi)+|ГL|2di)×100 (7.16)在2βdi＝2nπ时，得到最大百分误差为ΔPi＝|ГL|di1/2(2+|ГL|)×100 (7.17)同样，可获得反射功率测量值及其与真实值的归一化功率表达式 (7.18)归一化反射功率
(7.19)(2)根据(1)中得到的关系式，通过程序计算，获得量化的误差大小对一个微波系统来说，如果是固定负载，并且大小是已知的，电长度以及方向性系数都是已知的，反射系数也是可得到的固定值，这样直接根据方程(7.14)、(7.19)就可以计算出功率误差；如果负载是变化的，通过入射和反射点同时测量，建立方程组来解在高功率波导传输线上通过a、b两点分别测量入射和反射功率；a是入射耦合测量点，b是反射耦合测量点；a、b点之间距离为nλg，这样负载距离a、b点电长度da＝db＝l，l是已知的；定向耦合器的入射端口a耦合度系数和方向性系数分别为ci、di；反射端口b耦合度系数和方向性系数分别为cr、dr；对于纯电阻负载，通过对a、b两点的功率测量，可以求出反射系数；由(7.13)、(7.18)可以得到 (7.20) (7.21)其中la＝lb＝l；则(7.20)、(7.21)两式相除得
pacrpbci=1+2diΓLcos(-4πl/λg)+diΓL2dr+2drΓLcos(-4πl/λg)+ΓL2)]]>(7.22)化简得到(1-ndi)ΓL2+2cosθ(dr-ndi)ΓL+dr-n=0]]>(7.23)其中n=pbcipacr,]]>θ＝4πl/λg；上面方程除了反射系数ГL，其余参数都是已知的，求解即可求出ГL(-1≤ГL≤0)；求出了ГL，由方程(7.14)、(7.19)就可以计算出波导功率误差；(3)为系统安全的需要，在低杂波控制程序中引入步聚(2)中误差分析算法，得到真实的功率大小，低杂波控制程序根据真实的功率来进行控制和保护。
发明效果本发明在简化信号流图分析的基础上，得到大功率微波入射和反射信号测量值与真实值之间的关系式，通过关系式由计算程序来分析测量的误差，最后获得测量功率误差与方向性系数以及电长度和反射系数的关系。通过本发明的程序分析和计算，找到消除误差的最佳方法，最终通过计算机程序来反演正确的功率值，以实现准确的保护，保证庞大的TOKAMAK系统的安全运行。本发明为高功率失配负载下的功率测量和保护提供了可靠的安全保障。
图1为波导传输线内等效信号流图。
图2为功率相对值对ГL的变化曲线P(ГL)。
其中(a)电长度d＝0.68λg(b)电长度d＝0.08λg图3为功率相对值对电长度d的变化曲线P(d)。
其中(a)ГL＝-1 (b)ГL＝-0.具体实施方式
(1)首先根据微波传输线理论，由简化信号流图的分析，得到测量功率与实际功率之间的关系式。
a传输线内信号分析(参见图1)波导传输线内信号流图如图1所示。虚线1左边等效从定向耦合器的耦合端口向源看过去的信号；虚线2右边等效从传输线终端向负载看过去的信号。在电长度d＝0时，有Vg+VrГg＝Vi(7.1)Vr＝ViГL(7.2)由式(7.1)、(7.2)可解得Vi＝Vg/(1-ГgГL) (7.3)Vr＝ViГL(7.4)在电长度d≠0时，对无耗传输线Гd＝ГLe-2jβd，则有Vi＝Vg/(1-ГgГLe-2jβd) (7.5)Vr＝VgГLe-2jβd/(1-ГgГLe-2jβd) (7.6)b定向耦合器耦合端口信号分析对定向耦合器耦合端口的信号同样可以类似a中的分析得到Vi’＝Vg’/(1-Гg’ГL’e-2jβd’) (7.7)Vr’＝Vg’ГL’e-2jβd’/(1-Гg’ГL’e-2jβd’) (7.8)其中，Vi’和Vr’是耦合端口内的入射和反射电压信号；Гg’和ГL’分别对应耦合端口的“源”端反射系数和检波器负载反射系数；Vg’是耦合端口的耦合输入信号。
检波功率为P＝Pi-Pr＝|Vi’|2-|Vr’|2(7.9)(7.7)、(7.8)代入(7.9)可得P＝|Vg’|2(1-|ГL’e-2jβd’|2)/|1-Гg’ГL’e-2jβd’|2(7.10)对同一定向耦合器和一致性很好的检波器，可写成P＝K|Vg’|2，K＝(1-|ГL’e-2jβd’|2)/|1-Гg’ГL’e-2jβd’|2(7.11)c功率误差分析已知双定向耦合器的入射端口耦合度系数和方向性系数分别为ci、di；反射端口耦合度系数和方向性系数分别为cr、dr。
波导内入射信号和反射信号分别由(7.5)、(7.6)式给出。则入射耦合端口信号可写成Vg’i＝ci1/2Vg/(1-ГgГLe-2jβd)+(cidi)1/2VgГLe-2jβd/(1-ΓgГLe-2jβd) (7.12)
则入射检波器测量的功率为Pi测量值＝K|Vg’i|2＝ciK|Vg|2|1+di1/2ГLe-2jβd|2/|1-ГgГLe-2jβd|2(7.13)K是检波器系数。
波导内真实入射功率是在定向耦合器入射端口方向性Di＝∞(即di＝0)时的Pi真实。
Pi真实值＝K|Vg|2/|1-ГgГLe-2jβd|2(7.14)把测量值对真实值取归一化功率Pi，得到Pi＝Pi测量值/Pi真实值＝|1+di1/2ГLe-2jβd|2(7.15)这样就可以得到通过定向耦合器和检波器测量入射功率的相对误差值Pi-1。
由(7.15)式得到入射百分误差为ΔPi＝(2|ГL|di1/2cos(-2βdi)+|ГL|2di)×100 (7.16)在2βdi＝2nπ时，得到最大百分误差为ΔPi＝|ГL|di1/2(2+|ГL|)×100 (7.17)通过简化信号流图分析得到的结果与经典表达式(4.1)式是一致的。同样，可获得反射功率测量值及其与真实值的归一化功率表达式 (7.18)归一化反射功率
(7.19)(2)根据(1)中得到的关系式，通过编写程序来分析计算，获得量化的误差大小。
在知道定向耦合器的方向性系数以及负载反射系数、电长度，可以得到准确的测量相对误差。并给出了在给定反射系数或者电长度的条件下，相对误差随电长度或者反射系数变化的关系曲线。下面给出初步结果。
在任意的固定电长度d的情况下，根据程序计算，可得到测量功率相对值P与负载反射系数ГL的关系曲线。下面给出其中两个代表性的曲线图如图2所示，上部分3条曲线对应不同方向性时反射的归一化功率；下面3条曲线对应不同方向性时入射的归一化功率。可见，如果定向耦合器方向性不好，对反射测量的相对误差更大(绝对值并不大)。从图中可以看出，如果给定电长度，只有提高耦合器的方向性才能降低相对误差值；在全反射(ГL＝-1)时，如果端口方向性一致，入射和反射的相对误差是相同的；在负载完全匹配时(ГL＝0)，对入射来说，测量值就是真实值，对反射来说，由于真实反射功率为零，相对误差就是无穷大。
在电长度d＝0.68λg时，测量功率都是大于真实值的；在电长度d＝0.08λg时，入射测量功率都是小于真实值的，而反射功率在大反射的时候都是小于真实值的，但是在小反射的时候大于真实值；对不同的电长度d，相对功率也是变化的。
在任意的固定负载反射系数ГL的情况下，根据程序计算，可得到测量功率相对值P与电长度d的关系曲线。下面给出其中两个代表性的曲线图如图3所示。
图3中给出固定负载反射系数ГL，归一化功率P与电长度d的关系。(a)中对应的负载反射系数都是-1；(b)中对应的负载反射系数都是-0.5。图中6条曲线分别对应不同方向性时反射和入射的归一化功率。可见，在负载反射系数固定时，归一化功率随电长度的变化作周期性的变化，变化周期为λg/2。从图中可以看出，对不同反射系数ГL和方向性D，在一个λg内有4个点(λg/8、3λg/8、5λg/8、7λg/8)的归一化功率为1，即测量值和真实值相等，误差为零；在全反射(ГL＝-1)时，如果入射和反射端口方向性一致，入射和反射的相对误差是相同的(入射和反射曲线重合)。
(3)控制程序根据真实的功率来进行控制和保护。实际上得到准确的反射系数就可以实现安全保护了。
对一个微波系统来说，如果是固定负载(这里以纯电阻负载为例)，并且大小是已知的，反射系数也是可得到的固定值，这样直接根据方程(7.14)、(7.19)就可以计算出功率误差(电长度以及方向性系数都是已知的)。如果负载是变化的，想通过一个方程是无法解出测量误差的，这里分析通过入射和反射点同时测量，建立方程组来解。
如图1所示，在高功率波导传输线上通过a、b两点分别测量入射和反射功率。a是入射耦合测量点，b是反射耦合测量点。a、b点之间距离为nλg，这样负载距离a、b点电长度da＝db＝l，l是已知的。
定向耦合器的入射端口a耦合度系数和方向性系数分别为ci、di；反射端口b耦合度系数和方向性系数分别为cr、dr。对于纯电阻负载，通过对a、b两点的功率测量，可以求出反射系数。
由(7.13)、(7.18)可以得到 (7.20) (7.21)其中la＝lb＝l。
则(7.20)、(7.21)两式相除得pacrpbci=1+2diΓLcos(-4πl/λg)+diΓL2dr+2drΓLcos(-4πl/λg)+ΓL2)]]>(7.22)化简得到(1-ndi)ΓL2+2cosθ(dr-ndi)ΓL+dr-n=0]]>(7.23)其中n=pbcipacr,]]>θ＝4πl/λg。
上面方程除了反射系数ГL，其余参数都是已知的，求解即可求出ГL(-1≤ГL≤0)。
求出了ГL，由方程(7.14)、(7.19)就可以计算出功率误差。在保护的时候根据ГL就可以准确的实现高反射安全保护。
(4)实验验证计算结果为了验证计算程序的正确性，本项目希望在实验室通过小微波功率信号来验证计算的测量误差结果，当然这里应用的定向耦合器也是高耦合度方向性不高的大功率耦合器(EAST微波系统中的定向耦合器的耦合度67dB左右，方向性在15～20dB)。
实验室的微波测量系统要有隔离器(保证源的反射系数近似为0)完全匹配负载以及短路器，这样可以模拟一些极端的条件来测量，获得一系列数据，来和计算的结果相比较。
在完全匹配的条件下，通过入射定向耦合器测量的信号应该是和真实值是相等的；在终端短路的条件下，得到的功率值就是实际的测量值，实际测量值和真实值的比值就是测量的相对误差；短路点距离耦合点的点长度d是可以测量的，反射系数是-1，这样就可以把这些参数代入程序计算，就可以得到程序计算的测量相对误差。这两个相对误差的比较验证了前面的分析和程序计算的正确性。
权利要求
1.消除失配负载条件下高功率微波测量误差的方法，在TOKAMAK系统中，通过在波导壁上开槽以安装双定向耦合器，其两端和波导匹配对接，以同轴的方式输出，后接同轴检波器，即可将微波信号转化成电压信号，进行波导功率和相位探测，其特征在于包括以下步骤(1)根据微波传输线理论，由简化的信号流图获得测量功率与实际功率之间的关系式；首先，进行微波传输线内信号分析各字符的定义如下Vg、Vi、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；Гg是源电压反射系数；ГL是负载电压反射系数；d是测量端口距离负载的电长度；β为传播常数；在电长度d＝0时，有Vg+VrГg＝Vi(7.1)Vr＝ViГL(7.2)由式(7.1)、(7.2)可解得Vi＝Vg/(1-ГgГL) (7.3)Vr＝ViГL(7.4)在电长度d≠0时，对无耗传输线Гd＝ГLe-2jβd，则有Vi＝Vg/(1-ГgГLe-2jβd) (7.5)Vr＝VgГLe-2jβd/(1-ГgГLe-2jβd) (7.6)其次，定向耦合器耦合端口信号分析Vi’＝Vg’/(1-Гg’ГL’e-2jβd’) (7.7)Vr’＝Vg’ГL’e-2jβd’/(1-Гg’ГL’e-2jβd’) (7.8)其中，Vi’和Vr’是耦合端口内的入射和反射电压信号；Гg’和ГL’分别对应耦合端口的“源”端反射系数和检波器负载反射系数；Vg’是耦合端口的耦合输入信号；检波功率为P＝Pi-Pr＝|Vi’|2-|Vr’|2(7.9)(7.7)、(7.8)代入(7.9)可得P＝|Vg’|2(1-|ГL’e-2jβd’|2)/|1-Гg’ГL’e-2jβd’|2(7.10)对同一定向耦合器和一致性很好的检波器，可写成P＝K|Vg’|2，K＝(1-|ГL’e-2jβd’|2)/|1-Гg’ГL’e-2jβd’|2(7.11)再次，进行微波功率误差分析已知双定向耦合器的入射端口耦合度系数和方向性系数分别为ci、di；反射端口耦合度系数和方向性系数分别为cr、dr，波导内入射信号和反射信号分别由(7.5)、(7.6)式给出，则入射耦合端口信号可写成Vg’i＝ci1/2Vg/(1-ГgГLe-2jβd)+(cidi)1/2VgГLe-2jβd/(1-ГgГLe-2jβd) (7.12)则入射检波器测量的功率为Pi测量值＝K|Vg’i|2＝ciK|Vg|2|1+di1/2ГLe-2jβd|2/|1-ГgГLe-2jβd|2(7.13)K是检波器系数；波导内真实入射功率是在定向耦合器入射端口方向性Di＝∞(即di＝0)时的Pi真实；Pi真实值＝K|Vg|2/|1-ГgГLe-2jβd|2(7.14)把测量值对真实值取归一化功率Pi，得到Pi＝Pi测量值/Pi真实值＝|1+di1/2ГLe-2jβd|2(7.15)这样就可以得到通过定向耦合器和检波器测量入射功率的相对误差值Pi-1；由(7.15)式得到入射百分误差为ΔPi＝(2|ГL|di1/2cos(-2βdi)+|ГL|2di)×100 (7.16)在2βdi＝2nπ时，得到最大百分误差为ΔPi＝|ГL|di1/2(2+|ГL|)×100 (7.17)同样，可获得反射功率测量值及其与真实值的归一化功率表达式 (7.18)归一化反射功率
(7.19)(2)根据(1)中得到的关系式，通过程序计算，获得量化的误差大小对一个微波系统来说，如果是固定负载，并且大小是已知的，电长度以及方向性系数都是已知的，反射系数也是可得到的固定值，这样直接根据方程(7.14)、(7.19)就可以计算出功率误差；如果负载是变化的，通过入射和反射点同时测量，建立方程组来解在高功率波导传输线上通过a、b两点分别测量入射和反射功率；a是入射耦合测量点，b是反射耦合测量点；a、b点之间距离为nλg，这样负载距离a、b点电长度da＝db＝l，l是已知的；定向耦合器的入射端口a耦合度系数和方向性系数分别为ci、di；反射端口b耦合度系数和方向性系数分别为cr、dr；对于纯电阻负载，通过对a、b两点的功率测量，可以求出反射系数；由(7.13)、(7.1 8)可以得到 (7.20) (7.21)其中la＝lb＝l；则(7.20)、(7.21)两式相除得pacrpbci=1+2diΓLcos(-4πl/λg)+diΓL2dr+2drΓLcos(-4πl/λg)+ΓL2)]]>(7.22)化简得到(1-ndi)ΓL2+2cosθ(dr-ndi)ΓL+dr-n=0]]>(7.23)其中n=pbcipacr,]]>θ＝4πl/λg；上面方程除了反射系数ГL，其余参数都是已知的，求解即可求出ГL(-1≤ГL≤0)；求出了ГL，由方程(7.14)、(7.19)就可以计算出波导功率误差；(3)为系统安全的需要，在低杂波控制程序中引入步聚(2)中误差分析算法，得到真实的功率大小，低杂波控制程序根据真实的功率来进行控制和保护。
专利摘要
本发明公开了一种消除失配负载条件下高功率微波测量误差的方法，根据微波传输线理论，由简化信号流图的分析，得到测量功率与实际功率之间的关系式，根据前述关系式，通过编写程序来分析计算，获得量化的误差大小；为系统安全的需要，在低杂波控制程序中引入误差分析算法，得到真实的功率大小，控制程序根据真实的功率来进行控制和保护。保证庞大的TOKAMAK系统的安全运行。本发明为高功率失配负载下的功率测量和保护提供了可靠的安全保障。
文档编号G21B1/00GKCN101082673SQ200710019671
公开日2007年12月5日 申请日期2007年1月29日
发明者王茂 申请人:中国科学院等离子体物理研究所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan