[发明专利]一种具有在线自动校准功能的微波反射仪

说明书

本发明涉及一种具有在线自动校准功能的微波反射仪，包括微波反射仪本体和校准组件。其中，第二数据采集模块被配置为获得扫频微波源的工作电压构成的动态工作曲线，时间数字转换器被配置为测量触发信号与扫频微波信号之间的第一时间延迟、以及触发信号与拍频信号之间的第二时间延迟，第一数据采集模块被配置为测量参考信号与反射信号之间的第三时间延迟，控制器被配置为与任意波形发生器(102)连接，并利用所述动态工作曲线，以及基于所述第一、第二和第三时间延迟修正任意波形发生器(102)输出的扫频控制电压，从而修正拍频信号，提高了校准的准确性。

技术领域

本发明属于等离子体诊断技术领域，具体涉及一种具有在线自动校准功能的微波反射仪，属于微波诊断技术范畴。

背景技术

微波反射仪是一种用于测量等离子体密度分布的工具，常使用在各种聚变装置上。目前最常使用的微波反射仪是连续波频率调制方式，其工作方式是通过一个扫频微波源产生一个频率连续变化的微波信号，将该信号向等离子体进行发射。由于不同频率的微波信号在等离子体中的反射截面与等离子体密度有关，因此通过计算不同微波信号在等离子体中的飞行时间，即可得到不同反射截面的位置，从而对应了不同等离子体密度所处的位置，即等离子体密度分布。由于传输距离有限，微波信号的总飞行时间通常在纳秒量级，要直接测量该飞行时间相对比较困难，通常将发射信号和接收信号进行混频，并滤波获得拍频信号。通过测量拍频信号的频率，结合扫频速度，就可以计算出微波信号的飞行时间。

在连续波频率调制微波反射仪中，其发射测量需具有一定的精度，否则将使等离子体密度分布计算产生很大的误差，这是需要尽力避免的。导致发射测量产生误差主要有以下几个方面：

一、微波源的输出非线性。由于微波源输入电压和输出频率之间存在非线性，导致输出频率存在误差。

二、传输线存在色散特性。在传输线中，特别是波导中，不同模式和频率的微波具有不同的群速度，导致微波传输中存在色散现象，从而使拍频产生漂移。

三、温度和老化导致的频率漂移。由于电子学器件的工作温度变化和工作时间的延长导致其工作特性产生的变化，偏离了原先标定的值，产生了测量误差。

对微波反射仪发射频率进行校准主要通过以下几个步骤来进行：

一、将电压为一恒定值的控制信号输入至微波源，测量其输出频率。然后将控制信号的电压按一定步进值增加，分别测量其输出频率，得到微波源的电压-频率关系曲线。将电压-频率关系曲线进行分段线性拟合，按照等频率间距计算对应的工作电压，最后生成扫频控制电压曲线。此步骤主要对微波源的非线性进行修正。

二、让微波反射仪对准一位置固定的金属平面进行扫频发射。由于扫频速度恒定，在理想情况下，微波反射仪的拍频信号的频率应该是一恒定值，但是由于上述种种原因，拍频会产生漂移。通过测量实际拍频频率与理想值之间的误差，对扫频控制电压曲线进行调整，直到产生误差较小的拍频信号。

在传统做法中，没有考虑控制信号和微波信号在传输线系统中的延迟时间，导致在校准过程中，校准数据实际存在一定的相位误差。在扫频速度较慢的情况下，此相位误差的影响不太明显，但是当扫频速度增加至1MHz时，由于频率变化速度太快，微小的相位误差都会在拍频上带来数MHz甚至数十MHz的影响，会影响校准结果，甚至校准失败。

为保证校准精度，传统的校准通常在实验室进行，采用人工离线操作实现，其弊端在于，实验室测试环境与装置现场环境有偏差，所获得的修正结果可能在新的工作环境下不适配，会产生新的误差。而且上述校准过程涉及微波反射仪设备的拆卸和装配，过程比较繁琐，因此校准周期通常比较久，有时长达数个月，在此期间，设备的工作状态很可能已发生变化，导致测量结果产生误差。

发明内容