專利名稱：微波自動測量裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種微波測量裝置，尤其是應用微機和網(wǎng)絡分析，實現(xiàn)點頻與掃頻條件下多種參數(shù)測量的微波自動測量裝置。
(2)背景技術傳統(tǒng)的微波測量，尤其是應用于微波教學實驗測試系統(tǒng)的微波測量以手動方式進行，不僅過程緩慢，而且精度難以提高。已有的微波測量裝置設有微波源、隔離器、可變衰減器、波導測量線、精密衰減器和晶體檢波器。目前國內幾所高校采用的微機輔助測量是80年代開發(fā)的，其微波源多采用耿氏二極管和速測管，掃頻范圍窄、測量范圍有限、頻率穩(wěn)定度差。同時檢波信號的放大及接口板的設計為點頻、掃頻各自一套，實際應用時必須隨時拔插接口板，改變不同儀器的連線，在軟件設計上采用DOS用戶界面，不夠形象直觀，給試驗帶來不便。
(3)發(fā)明內容本發(fā)明旨在提供一種能實現(xiàn)點頻和掃頻條件下進行多種參數(shù)測量，通過微機的應用對數(shù)據(jù)進行采集、運算、誤差分析與處理，其測量精度與可靠性較高，滿足常規(guī)的測量要求的微波自動測量裝置。
本發(fā)明的另一目的是提供一種性價比高，尤其適合于微波教學實驗的微波自動測量裝置。
本發(fā)明設有微波裝置，微波裝置包括微波源、隔離器、可變衰減器、波導測量線、衰減器和晶體檢波器，所說的波導測量線帶步進電機，用于帶動微波裝置的探針沿開槽波導移動。
設有微波標量網(wǎng)絡分析裝置，微波標量網(wǎng)絡分析裝置包括直流放大器、步進電機驅動電路、點頻與掃頻控制信號電路和電源電路，直流放大器的輸入端分別接微波裝置、帶步電機的波導測量線上的探針檢波信號輸出端和晶體檢波器的輸出端；步進電機驅動電路的輸出端接微波裝置的步進電機，用于控制電機帶動波導測量線的探針沿波導開槽線移動；點頻與掃頻控制信號電路的輸出端接微波源，用于控制微波源提供點頻和不同頻帶的掃頻信號。
設有微機裝置，微機裝置設有PC機和數(shù)據(jù)采集板(接口卡)，接口卡插于PC機擴展槽，接口卡的D/A轉換器輸出端接點頻與掃頻控制信號電路的輸入端，接口卡的A/D轉換器的輸入端接直流放大電路的輸出端，接口卡的DI/DO輸出端口接步進電機驅動電路的輸入端。
可采用壓控振蕩器為微波源，該源可采用場效應管，耿氏管。
微波標量網(wǎng)絡分析裝置的直流放大電路的輸出端可以設顯示記錄裝置，例如設電流表以顯示點頻信號，設顯示屏以顯示掃頻信號，等等。
所說的點頻與掃頻控制信號電路可設有電壓跟隨器與轉換開關、鋸齒波發(fā)生器、分壓器、加法器。電壓跟隨器的輸入端接轉換開關的固定接點，輸出端分別接分壓器和微波裝置的壓控振蕩器的輸入轉換開關的寬帶掃頻輸入接點。電壓跟隨器轉換開關的兩轉換接點分別接微機裝置的接口卡的D/A轉換器輸出端和鋸齒波發(fā)生器輸出端。分壓器的輸出端接加法器的輸入端。加法器的輸出端接壓控振蕩器的輸入轉換開關的點頻窄帶掃頻輸入接點。加法器的另一輸入端接直流偏置電路。
與已有的微波測量裝置相比，本發(fā)明采用微機裝置和微波標量網(wǎng)絡分析的技術方案，并改進了已有的微波裝置，使微波源的微波信號頻率由微機控制，控制電壓由PC機系統(tǒng)通過D/A變換獲取，既可以得到某一固定電壓，又可以得到不同幅度的鋸齒波電壓，因此可以方便地提供點頻和不同頻帶的掃頻信號。另外用步進電機代替手動旋鈕，使微機控制電機以帶動波導測量線的探針沿波導開槽線移動，實現(xiàn)自動測量的目的。
本發(fā)明的微波標量網(wǎng)絡分析裝置一機多用性價比高a、利用相位選擇開關，將點頻所需的反相放大電路和掃頻所需的同相放大電路以及A/D、D/A接口板合二為一，提高性價比，實現(xiàn)點頻和掃頻狀態(tài)下多參數(shù)測量如頻率fo、波導波長λg、駐波比ρ、反射系數(shù)Γ、晶體檢波律n、腔體品質因數(shù)Q、雙口網(wǎng)絡S參數(shù)、介電參數(shù)εr、衰減器校正曲線、阻抗圓圖顯示等檢測，隨著測試程序的不斷完善，測試功能將不斷擴展。
b、該分析裝置提供VCO場效應管工作電源(-9V)和耿氏管工作電壓(8～12)V，特別是采用VCO壓控振蕩微波源，其掃頻范圍寬，頻率穩(wěn)定性好，并可配有數(shù)字電壓表和數(shù)字電流表為調節(jié)最佳的微波輸出功率提供依據(jù)。
c、可用于自動和手動兩種測量方式，在無電腦驅動掃頻信號控制下，儀器自帶掃頻所需的鋸齒波發(fā)生器，完全滿足手動狀態(tài)下的點頻和掃頻測量。
d、配有兩套四相八拍的電機啟動電路，在X、Y兩路步進電機進行下，可實現(xiàn)X、Y平面的檢測。
e、在掃頻測量Q值時，可備有正常掃頻測量和擴展高精度測量兩檔，該功能由儀器中的可調基準電壓、幅度可調的鋸齒波電壓、加法比例電路來實現(xiàn)，使測量分辨率更高，測試數(shù)據(jù)更準確。
f、為了保證測量的精度，減少系統(tǒng)誤差，可在電源部分使用了更大容量的電容，在放大電路中使用低溫漂、高精度的運放OP07，使用多圈可變電阻以方便調節(jié)放大倍數(shù)和零點；采用12位的AD/DA板，使用步距角小，相數(shù)多(四相)的步進電機等，整機安裝增加了引線屏蔽，使信噪比更高，溫漂更小。
在軟件方面，可配合采用VC6.0為軟件開發(fā)工具，編制了Windows系統(tǒng)下的配套應用軟件，實現(xiàn)了良好的人機界面和各種項目的測量。
綜上所述，本發(fā)明可實現(xiàn)多種微波參數(shù)的測量，且界面簡單易于操作，尤其適合于微波教學實驗設備的升級換代。
(4)


圖1為本發(fā)明實施例的結構框圖。
圖2為直流放大器電路原理圖。
圖3為步進電機驅動電路原理圖。
圖4為鋸齒波發(fā)生器的原理圖。
圖5為穩(wěn)壓電源局部原理圖。
圖6為軟件系統(tǒng)方框圖。
(5)具體實施方式
如圖1所示，本發(fā)明由微波裝置I、微波標量網(wǎng)絡分析裝置II、微機裝置III和穩(wěn)壓電源組成。微波裝置I設有場效應管壓控振蕩器1、隔離器2、可變衰減器3、帶步進電機的波導測量線4、精密衰減器5和晶體檢波器6。
采用壓控振蕩器為微波源，該源可采用場效應管及耿氏管，壓控振蕩器產(chǎn)生微波功率，而微波頻率由微機控制，控制電壓由PC機系統(tǒng)的接口卡P1，通過D/A變換獲取，既可以得到某一固定電壓，也可以得到不同幅度任意形狀的電壓，特別是鋸齒狀的連續(xù)波電壓(簡稱鋸齒波)，因此就可以方便地提供點頻和不同頻帶的掃頻信號。PC機可連接顯示設備P2和打印設備P3。
為實現(xiàn)自動測量，將開槽測量線TC26加以改造，用步進電機代替手動旋紐，添裝彈性連接器及限位微動開關，使微機控制電機轉動就能帶動探針沿開槽線移動。
微波標量網(wǎng)絡分析裝置II設有電壓跟隨器7及轉換開關K1、鋸齒波發(fā)生器8、分壓器9、加法器10、壓控振蕩器輸入轉換開關K2、步進電機驅動電路11、直流放大電路12和穩(wěn)壓電源13。參見圖2～5。圖2給出A/D直流放大電路的原理圖，在微波測量系統(tǒng)中，晶體檢波信號通常為100～5mV，故檢波信號必須經(jīng)放大后輸入接口板進行A/D變換，稱此直流放大為A/D直流放大電路該電路由三級運放組成，集成運放采用高精度低漂移的OP07管，電阻選用金屬膜電阻，電位器選用精密多圈線繞電位器。該電路設計上采用了一系列措施第一級設計同相比例放大器，為電壓串聯(lián)負反饋，具有輸入阻抗高的優(yōu)勢，電路增益Au1＝1+R19/R18≈10(倍)第二級為反相比例放大電路。該電路輸入電阻基本上等于R21。根據(jù)設計要求，R21應比Ro1大50～100倍。在此我們取100k。若要求輸入電阻100kΩ，電壓放大倍數(shù)100倍，對一般反相比例放大電路而言，就應取R21＝100KΩ，反饋電阻Rf＝10MΩ，由于工藝上的原因，阻值高達10MΩ的電阻穩(wěn)定性差，因此采用R22，R23，R24和Rw1組成的T型反饋網(wǎng)絡，運用“虛斷”、“虛地”的概念，有I1＝I2Vi2＝I1R21＝I2R22VA＝-I2R22＝-I4(R24+Rw1) I4＝I2R22/(R24+RW1)V02=-(I2R22+I3R23)=-[I2R22+(I2+I4)R23]=-I2(R22+R23+R22R23/R24+Rw1)]]>Au2=V02Vi2=-R22+R23+R22R23/R24+Rw1R21]]>此時，反相端對地等效電阻Rn＝R21//[R22//(R24+Rw1)+R23]≈34K，故取同相端對地等效電阻Rp＝R25+RW2/8c34K，電路中選定R21＝100K，R22＝20K，R23＝50K，R24＝100Ω，Rw1＝33K，則放大倍數(shù)Au2在電位器RW1為0時約為-100，在電位器Rw1為33K時為-1，因此在電阻值選取合適的情況下，第二級電壓放大倍數(shù)Au2為-(1～100)倍。
在實際應用中，由于集成運放管制造工藝的限制，電路內的差分對管等不可能制作得完全對稱。這樣便產(chǎn)生了輸入失調電壓及失調電流，當檢波信號輸入為零時，輸出電壓不為零。因此，在第二級同相端加入了外調零電路，同時考慮到電源±15V的波動，將直接影響補償電壓，使靜態(tài)調零不穩(wěn)定。故采用調零電位器中點接地方式，極大減少了電源電壓波動及干擾的影響。
由于檢波晶體架中檢波管為反相輸出，測量線上探針檢波信號卻是正相檢波信號。因此，增加了第三級單位倒相器，工作時，采用同相放大或反相放大，應根據(jù)檢波信號極性正確地選擇面板上的開關。以上所設計的三級放大電路為消除自激振蕩，在電壓負反饋回路上都并接補償電容C10、C11、C12。同時，為滿足運放輸入級為差動電路的要求，設計上將反相端對地等效電阻Rn與同相端對地等效電阻Rp取值相一致，盡量減少附加的共模信號。經(jīng)以上幾方面的考慮后的設計，在電路安裝調試之后，將增益調至最大，Uo＝5V時，Uimin≈5mv，增益調至最小，Uo＝5V時，Uimax≈500mv，總增益Au＝AulAu2＝10～1000，實際值與理論值相當吻合。在圖2中in1為檢波輸入端，out1為同相輸出端，out2為反相輸出端。
圖3給出步進電機驅動電路原理圖，步進電機由微機控制，微機將驅動信號由接口卡的數(shù)據(jù)鎖存器輸出(利用接口卡的數(shù)字量輸出功能)，通過功率放大后加入電機的各個繞組。為防止誤觸發(fā)，在驅動管前加了一級非門；考慮到所需的驅動電流較大，增加限流電阻，并采用大功率的達林頓管D2220，并增加了反向泄流開關管IN4148。在圖中，Z1為步進電機輸入插座，Z2為兩路步進電機輸出插座。
圖4給出鋸齒波發(fā)生器電路原理圖，其中運放U15A組成鋸齒波發(fā)生電路的積分電路和電壓比較器，電阻R56、二極管D12和三極管U16組成充電電路，R57、D13組成放電電路。當電位UR高于UC電位時，U15A的輸出端1為高電平，電容C28被充電；當UC所充電壓比UR高時，輸出端電壓翻轉，腳1輸出低電平，管U16截止，C28通過D13、R57放電，直至UC低于UR，充電又開始，由此輸出鋸齒波電壓。U15B和U15D為同相跟隨，U15C為同相放大，R49調零，R50調整增益。
圖5給出穩(wěn)壓電源的局部電路原理圖，由于各部分電路所需要的直流電壓各不相同，此外，為了防止相互干擾，設計了±15V、+12V、-9V、+5V、8～12V等7路電源電路，對各部分提供相應電壓。在圖5中，首先將220V的交流市電經(jīng)過濾波器(EMI FILTER)之后加入變壓器B，經(jīng)過不同的變比將交流市電轉換為各種不同的較低電壓，然后分別整流器B3、B4、B5和濾波、穩(wěn)壓，得到各自需要的直流電壓。為了有一個明確的電壓電流指示，在電路中增加了數(shù)字式的電壓表頭和電流表頭(圖中未給出)。電流表可以顯示輸入固體微波源的電流大小，以方便尋找固體源的最佳諧振點；電壓表可以用按鍵控制顯示各路直流電壓值，這樣方便觀察儀器的穩(wěn)定性。
圖6為軟件系統(tǒng)各模塊的結構框圖。該軟件采有Visual C++編程，實現(xiàn)Windows界面下的人機會話，主界面通過菜單或工具欄進入三個不同的功能測試單元。
設置功能單元主要完成一些基本參數(shù)的設置，如基地址，A/D、D/A通道號，掃描起止頻率，以及VCO輸入電壓輸出微波頻率的擬合等功能。
點頻功能單元測量系統(tǒng)為單一頻率的微波信號，可實現(xiàn)開槽波導測量線接不同終端負載情況下，線上的駐波比，負載等效阻抗，晶體檢波律校正曲線等。
掃頻功能單元微波壓控振蕩器上鋸齒波電壓，測量線上為掃頻信號，通過精密可變衰減器的定標，可實現(xiàn)對待測件傳輸系數(shù)的測量，并能對諧振腔的諧振頻率，有載品質因數(shù)進行測量，也可根據(jù)需要，對諧振曲線進行擴展測量。根據(jù)微擾法，檢測諧振腔微擾前后的諧振頻率變化，可測得介質介電常數(shù)。
本發(fā)明的標量網(wǎng)絡分析裝置具有微波源掃頻控制電路、電機驅動電路、場效應管及耿氏管的工作電源和直流放大器等四部分及測量系統(tǒng)軟件，可實現(xiàn)微波波長λ、波導波長λg、頻率f、駐波比ρ、反射系數(shù)Γ、二極管檢波律n的測量及衰減器校準曲線微波腔諧振曲線、阻抗圓圖顯示的功能，軟件界面分為主頁面、點頻、掃頻和設置四部分。
權利要求
1.微波自動測量裝置，其特征在于設有微波裝置，微波裝置包括微波源、隔離器、可變衰減器、波導測量線、衰減器和晶體檢波器，所說的波導測量線帶步進電機，用于帶動微波裝置的探針沿開槽波導移動；設有微波標量網(wǎng)絡分析裝置，微波標量網(wǎng)絡分析裝置包括直流放大器、步進電機驅動電路、點頻與掃頻控制信號電路和電源電路，直流放大器的輸入端分別接微波裝置、帶步電機的波導測量線上的探針檢波信號輸出端和晶體檢波器的輸出端，步進電機驅動電路的輸出端接微波裝置的步進電機，用于控制電機帶動波導測量線的探針沿波導開槽線移動，點頻與掃頻控制信號電路的輸出端接微波源，用于控制微波源提供點頻和不同頻帶的掃頻信號；設有微機裝置，微機裝置設有PC機和接口卡，接口卡插于PC機擴展槽，接口卡的D/A轉換器輸出端接點頻與掃頻控制信號電路的輸入端，接口卡的A/D轉換器的輸入端接直流放大電路的輸出端，接口卡的DI/DO輸出端口接步進電機驅動電路的輸入端。
2.如權利要求1所述的微波自動測量裝置，其特征在于采用壓控振蕩器為微波源。
3.如權利要求2所述的微波自動測量裝置，其特征在于壓控振蕩器采用場效應管，耿氏管。
4.如權利要求1所述的微波自動測量裝置，其特征在于所說的微波標量網(wǎng)絡分析裝置的直流放大電路的輸出端設顯示記錄裝置。
5.如權利要求4所述的微波自動測量裝置，其特征在于所說的顯示記錄裝置為電流表以顯示點頻信號；顯示屏以顯示掃頻信號。
6.如權利要求1所述的微波自動測量裝置，其特征在于所說的點頻與掃頻控制信號電路設有電壓跟隨器與轉換開關、鋸齒波發(fā)生器、分壓器、加法器；電壓跟隨器的輸入端接轉換開關的固定接點，輸出端分別接分壓器和微波裝置的壓控振蕩器的輸入轉換開關的寬帶掃頻輸入接點；電壓跟隨器轉換開關的兩轉換接點分別接微機裝置的接口卡的D/A轉換器輸出端和鋸齒波發(fā)生器輸出端；分壓器的輸出端接加法器的輸入端；加法器的輸出端接壓控振蕩器的輸入轉換開關的點頻窄帶掃頻輸入接點；加法器的另一輸入端接直流偏置電路。
全文摘要
涉及一種微波測量裝置，尤其是應用微機和網(wǎng)絡分析，實現(xiàn)點頻與掃頻條件下多種參數(shù)測量的微波自動測量裝置。設有微波裝置、微波標量網(wǎng)絡分析裝置和微機裝置。采用微機裝置和微波標量網(wǎng)絡分析，并改進了已有的微波裝置，可方便地提供點頻和不同頻帶的掃頻信號。另外用步進電機代替手動旋鈕，使微機控制電機以帶動波導測量線的探針沿波導開槽線移動，實現(xiàn)自動測量的目的。網(wǎng)絡分析裝置一機多用，性價比高實現(xiàn)點頻和掃頻狀態(tài)下多參數(shù)測量，測量分辨率更高，測試數(shù)據(jù)更準確，且界面簡單易于操作，尤其適合于微波教學實驗設備的升級換代。
文檔編號G01R19/28GK1405568SQ02147659
公開日2003年3月26日 申請日期2002年10月19日 優(yōu)先權日2002年10月19日
發(fā)明者肖芬, 倪祖榮, 林國春, 花健敏, 王東 申請人:廈門大學