消除失配负载条件下高功率微波测量误差的方法

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。

主权项

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：V_g、V_i、V_r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；Г_g是源电压反射系数；Г_L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：V_g+V_rГ_g＝V_i    (7.1)V_r＝V_iГ_L       (7.2)由式(7.1)、(7.2)可解得：V_i＝V_g/(1-Г_gГ_L)    (7.3)V_r＝V_iГ_L            (7.4)在电长度d≠0时，对无耗传输线Г_d＝Г_Le^-2jβd，则有：V_i＝V_g/(1-Г_gГLe^-2jβd)              (7.5)V_r＝V_gГ_Le^-2jβd/(1-Г_gГ_Le^-2jβd)    (7.6) 其次，定向耦合器耦合端口信号分析：V_i’＝V_g’/(1-Г_g’Г_L’e^-2jβd’)                  (7.7)V_r’＝V_g’Г_L’e^-2jβd’/(1-Г_g’Г_L’e^-2jβd’)    (7.8)其中，V_i’和V_r’是耦合端口内的入射和反射电压信号；Г_g’和Г_L’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；V_g’是耦合端口的耦合输入信号；检波功率为：P＝P_i-P_r＝|V_i’|²-|V_r’|²    (7.9)(7.7)、(7.8)代入(7.9)可得：P＝|V_g’|²(1-|Г_L’e^-2jβd’|²)/|1-Г_g’Г_L’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|V_g’|²，K＝(1-|Г_L’e^-2jβd’|²)/|1-Г_g’Г_L’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c_i、d_i；反射端口耦合度系数和方向性系数分别为c_r、d_r，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：V_g’_i＝c_i^1/2V_g/(1-Г_gГ_Le^-2jβd)+(c_id_i)^1/2V_gГ_Le^-2jβd/(1-Г_gГ_Le^-2jβd)  (7.12)则入射检波器测量的功率为：P_i测量值＝K|V_g’_i|²＝c_iK|V_g|²|1+d_i^1/2Г_Le^-2jβd|²/|1-Г_gГ_L e^-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D_i＝∞(即d_i＝0)时的P_i真实；P_i真实值＝K|V_g|²/|1-Г_gГ_Le^-2jβd|²    (7.14)把测量值对真实值取归一化功率P_i，得到：P_i＝P_i测量值/P_i真实值＝|1+d_i^1/2Г_Le^-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P_i-1；由(7.15)式得到入射百分误差为：ΔP_i＝(2|Г_L|d_i^1/2cos(-2βd_i)+|Г_L|²d_i)×100    (7.16)在2βd_i＝2nπ时，得到最大百分误差为：ΔP_i＝|Г_L|d_i^1/2(2+|Г_L|)×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nλ_g，这样负载距离a、b点电长度d_a＝d_b＝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c_i、d_i；反射端口b耦合度系数和方向性系数分别为c_r、d_r；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l_a＝l_b＝l；则(7.20)、(7.21)两式相除得： $\frac{p_a{c}_r}{p_b{c}_i}=\frac{1+2\sqrt{d_i}{\Gamma }_L\cos (-4\mathrm{\pi l}/{\lambda }_g)+d_i{{\Gamma }_L}^2}{d_r+2\sqrt{d_r}{\Gamma }_L\cos (-4\mathrm{\pi l}/{\lambda }_g)+{{\Gamma }_L}^2)}$(7.22)化简得到： $(1-n{d}_i){{\Gamma }_L}^2+2\cos \theta (\sqrt{d_r}-n\sqrt{d_i}){\Gamma }_L+d_r-n=0$(7.23)其中 $n=\frac{p_b{c}_i}{p_a{c}_r},$θ＝4πl/λ_g；上面方程除了反射系数Г_L，其余参数都是已知的，求解即可求出Г_L(-1≤Г_L≤0)；求出了Г_L，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。