本發(fā)明屬于機械自動化領(lǐng)域和高功率微波(HPM)領(lǐng)域，發(fā)明了一套基于相心旋轉(zhuǎn)的微波測量方法及測量系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在高功率微波(HPM)技術(shù)研究中，HPM源的功率是評價HPM源性能的主要指標之一，由于HPM具有峰值功率高、脈沖短、單脈沖或脈沖串等特點，許多常規(guī)微波功率測量方法在高功率微波功率測量中不能直接使用。目前HPM源的功率測量一般采用在線耦合測量法、輻射場功率密度積分法和量熱計法，輻射場功率密度積分法是通過對輻射場功率密度分布進行測量，然后積分得到高功率微波源功率的方法，被國內(nèi)外許多研究機構(gòu)廣泛認可和采用。

采用輻射場功率密度積分法測量時，需要在輻射場中測量各點的功率密度，積分即可得到微波源的輻射功率，系統(tǒng)構(gòu)成示意圖圖1所示。輻射場測量系統(tǒng)放置在測量支架上，接收天線垂直高度與輻射喇叭高度保持一致，通過多次測量獲得微波源輻射功率。如果HPM源不穩(wěn)定，則還需要有一個測量喇叭固定不動，以確定各次測量的相對值。對如圖所示的測量系統(tǒng)，輻射總功率由下式計算：

其中，A_i是第i、i+1個測點之間的球臺側(cè)面積；A_i＝2πR²(cosθ_i-cosθ_i+1)。S_i為第i個測點處的功率密度，θ_i為第i個測點與輻射喇叭中軸之間的夾角。

實際測量過程為：(1)確定輻射喇叭相心位置；(2)由天線遠場計算公式2D²/λ以及測試場地情況，確定接收天線相心與饋源相心距離R；(3)架設(shè)接收天線，使接收天線高度與輻射喇叭高度保持一致；(4)連接電纜、定向耦合器、衰減器、檢波器等HPM測量器件，完成測量系統(tǒng)的連接；(5)調(diào)整接收喇叭口面使其指向輻射喇叭相心，使接收喇叭相心與輻射喇叭相心距離為R。開始測量，HPM源每工作一次，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集信號波形，手動讀取并記錄信號幅值以及接收喇叭的角度信息θ_i，記錄完該組數(shù)據(jù)后，人工移動接收喇叭致下一位置；(6)重復步驟(5)直至完成所有位置的測試。將記錄的數(shù)據(jù)按照標定數(shù)據(jù)進行處理，并依據(jù)上式計算HPM源輻射總功率。

由以上測量過程可知，目前該方法存在的主要問題是：

(1)輻射場測量是基于對輻射球面波的積分來完成的，球面波的中心為輻射喇叭的相心，然而現(xiàn)有的輻射場測量方法中，測量系統(tǒng)與輻射系統(tǒng)是分開的，沒有物理連接，因此，無法保證測量系統(tǒng)是對準輻射相心；

(2)由于無法準確確定相心，因此現(xiàn)有輻射場測量中，測試點相對相心的位置，測試系統(tǒng)的指向都存在較大的偏差，導致測量結(jié)果有較大的誤差；

(3)為了獲得輻射的方向圖分布和積分獲得功率，需要測試不同點的功率密度，然而，現(xiàn)有的測試方法通常采用人力的方式來移動，無法保證重復精度，同時效率很低；

(4)現(xiàn)有的輻射場測量系統(tǒng)位于強電磁輻射環(huán)境中，微波信號經(jīng)接收喇叭、定向耦合器后，需要經(jīng)過一段微波電纜，進入衰減器和檢波器，將微波信號轉(zhuǎn)化為視頻信號，再進行數(shù)據(jù)采集；微波電纜的存在，導致了測量系統(tǒng)具有較大的測量不確定度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對目前高功率微波輻射場測量出現(xiàn)的不足，本發(fā)明提供了一種基于相心旋轉(zhuǎn)的搖臂式微波測量方法及測量系統(tǒng)。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是提供一種基于相心旋轉(zhuǎn)的微波測量方法：包括以下步驟：

1)在被測輻射喇叭上方放置轉(zhuǎn)動裝置，設(shè)置在轉(zhuǎn)動裝置的懸臂的遠端設(shè)置有微波接收天線；

2)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動裝置的旋轉(zhuǎn)中心線位置，使被測輻射喇叭的相心位于轉(zhuǎn)動裝置的旋轉(zhuǎn)中心線上；調(diào)節(jié)微波接收天線，使之對準被測輻射喇叭的相心；

3)轉(zhuǎn)動裝置轉(zhuǎn)動的同時，微波接受天線接收被測輻射喇叭的微波信號，進行連續(xù)或步進測量。

本發(fā)明還提供一種基于相心旋轉(zhuǎn)的微波測量系統(tǒng)，其特殊之處在于：包括基于相心旋轉(zhuǎn)的搖臂式機械自動化測量裝置和微波測量采集裝置；

上述基于相心旋轉(zhuǎn)的搖臂式機械自動化測量裝置包括平臺支撐模塊、轉(zhuǎn)動對心模塊和搖臂模塊；

上述轉(zhuǎn)動對心模塊包括電控旋轉(zhuǎn)臺、XY軸電控滑臺、激光對心系統(tǒng)、控制單元；

上述電控旋轉(zhuǎn)臺固定在XY軸電控滑臺的上滑臺面上；

上述XY軸電控滑臺的底座固定在平臺支撐模塊上；

上述激光對心系統(tǒng)包括激光發(fā)射裝置和激光接收裝置；

上述控制單元控制控制XY軸電控滑臺進行位置掃描，直至激光接受收置接收到激光發(fā)射裝置的信號；

上述激光發(fā)射裝置固定在電控旋轉(zhuǎn)臺下方且激光方向與電控旋轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)中心重合；

上述被測輻射喇叭位于平臺支撐模塊下方，激光接收裝置固定在被測輻射喇叭相心正上方，保證接收裝置中心線與相心的連線垂直于水平面；

上述碳纖維搖臂模塊包括碳纖維空心臂體、天線支撐平臺、搖臂支撐座，上述碳纖維空心臂體的一端通過搖臂支撐座固定在電控旋轉(zhuǎn)臺上；上述天線支撐平臺設(shè)置于所述碳纖維空心臂體的另一端；

上述微波測量采集裝置包括微波接收天線，上述微波接收天線固定于所述天線支撐平臺上。

為了平衡前臂的重量及拉緊整個臂體，上述碳纖維搖臂模塊還包括配重組和斜拉繩組；上述碳纖維臂體、天線支撐平臺、配重組、斜拉繩組構(gòu)成塔吊系統(tǒng)，架在搖臂支撐座上；

優(yōu)選的，上述微波測量采集裝置包括微波接收天線、定向耦合器、衰減器、檢波器、電磁屏蔽筒、視頻電纜、本地測量示波器、監(jiān)控計算機；上述微波接收天線固定在天線支撐平臺上；

上述定向耦合器固定在微波接收天線后端，其輸出端依次與上述衰減器、檢波器連接；上述衰減器、檢波器固定在電磁屏蔽筒內(nèi)；上述檢波器輸出的視頻信號經(jīng)視頻電纜穿過碳纖維臂體內(nèi)部后從搖臂支撐座處出來與放置在平臺支撐模塊的本地測量示波器連接。

為了校驗接收天線的指向，上述微波測量采集裝置還包括激光瞄準微調(diào)檢驗裝置，上述激光瞄準微調(diào)檢驗裝置包括可調(diào)激光發(fā)射器、可供激光通過的準直器，上述準直器的中心通孔與微波接收天線軸線平行；上述可調(diào)激光發(fā)射器和準直器設(shè)置在微波接收天線上并指向被測輻射喇叭相心。

為了實現(xiàn)不同距離的測量，上述碳纖維臂體包括多個可任意插接拆裝的短節(jié)。

為了臂體對HPM的反射，上述碳纖維臂體外粘貼吸波材料。

優(yōu)選的，上述平臺支撐模塊為龍門結(jié)構(gòu)，由工業(yè)鋁型材組裝而成，放置于地面，并架設(shè)在被測輻射喇叭相心上方。

優(yōu)選的，上述搖臂模塊為碳纖維材料。

本發(fā)明的優(yōu)點：

1、本發(fā)明通過搖臂從結(jié)構(gòu)上建立了測量系統(tǒng)與輻射相心的關(guān)聯(lián)，通過激光對心裝置保證了搖臂旋轉(zhuǎn)的中心對準相心，實現(xiàn)了測量裝置對輻射系統(tǒng)相心的精確瞄準，并保證了搖臂旋轉(zhuǎn)中測量裝置始終指向輻射相心，解決了傳統(tǒng)測量方法無法精確找準相心的問題；

2、基于電控轉(zhuǎn)臺，實現(xiàn)了搖臂的自動化旋轉(zhuǎn)，保證了測角精度以及不同位置點的重復精度，提高了測量精度，并大大的提高了實驗效率；

3、通過位于搖臂上的帶屏蔽結(jié)構(gòu)的測量裝置，可將衰減器和檢波器不經(jīng)過微波電纜直接連接到定向耦合器的后端，避免了微波電纜對HPM測量帶來的不確定度，同時解決了HPM對衰減器和檢波器的電磁干擾問題。

4、采用的碳纖維搖臂模塊是中空的碳纖維臂體，質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)強度高，可任意插接拆裝，實現(xiàn)了不同距離的快速測量；

附圖說明

圖1為輻射場功率密度積分法測量系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

圖2基于相心旋轉(zhuǎn)的搖臂式微波測量系統(tǒng)示意圖；

圖3現(xiàn)有的微波測量采集裝置；

圖4本發(fā)明微波測量采集裝置；

圖5搖臂模塊示意圖；

圖6轉(zhuǎn)動對心模塊示意圖；

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的描述。

針對目前高功率微波輻射場測量出現(xiàn)的不足，本發(fā)明提出了一種基于相心旋轉(zhuǎn)的搖臂式高功率微波自動化測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含兩大部分：(a)、微波測量采集裝置25，由接收天線喇叭、定向耦合器、微波電纜、衰減器、檢波器、電磁屏蔽筒、SMA-KJ型射頻轉(zhuǎn)接頭、本地測量示波器、監(jiān)控計算機等組成。(b)、基于相心旋轉(zhuǎn)的搖臂式機械自動化測量裝置，由搖臂模塊24、轉(zhuǎn)動對心模塊23、控制模塊和平臺支撐模塊22等組成，如圖2所示。碳纖維搖臂模塊用來承載接收天線及其射頻電纜，該結(jié)構(gòu)保證了方向圖的測量精度和重復精度的要求；控制模塊實現(xiàn)了測量過程的自動化，提高了實驗效率，轉(zhuǎn)動對心模塊用于對準輻射喇叭相心，確保每個測試點接收天線口面均指向饋源相心；平臺支撐模塊為整個系統(tǒng)提供結(jié)構(gòu)性支撐，其高度可調(diào)，且具有可快速拆裝的優(yōu)點，適用于不同的實驗場地。

通?，F(xiàn)有的微波接收裝置采用如圖3所示結(jié)構(gòu)，接收天線后端由定向耦合器接出微波電纜，在專用屏蔽盒中接衰減器和檢波器，輸出低頻信號，再利用示波器讀取每一路檢波電壓，包括接收天線31、定向耦合器32、微波電纜33、衰減器34、檢波器35、屏蔽盒36、本地測量示波器37、監(jiān)控計算機38等。實驗中通過采用在各個連接頭處包覆銅網(wǎng)和制作屏蔽箱體等措施降低電磁干擾，但存在屏蔽箱體大、銅網(wǎng)屏蔽性差和測量儀器間連接性差等問題。本發(fā)明對現(xiàn)有的微波測量采集裝置進行了電磁屏蔽適應(yīng)性優(yōu)化、系統(tǒng)小型化改進和輔助瞄準檢驗設(shè)計，其系統(tǒng)如圖4所示，包括：接收天線41、定向耦合器42、天線支撐平臺43、波導同軸轉(zhuǎn)換器44、衰減器45、檢波器46、SMA-KJ型射頻轉(zhuǎn)接頭47、電磁屏蔽筒48、激光瞄準微調(diào)檢驗裝置49、小型化本地測量示波器410、監(jiān)控計算機411等。衰減器45和檢波器46不經(jīng)過微波電纜直接連接到定向耦合器42的后端，并設(shè)計了一種小型化的電磁屏蔽筒48，將屏蔽筒直接套在衰減器和檢波器外，一端與定向耦合器法蘭連接固定，另一端經(jīng)轉(zhuǎn)接和電纜連接到小型化本地測量示波器上。此發(fā)明減去了微波電纜的過渡連接，避免了微波電纜給HPM測量帶來的不確定度，通過采用結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕的電磁屏蔽外筒，解決了HPM對測量儀器的電磁干擾問題，采用小型化、高散熱的本地測量示波器，解決了本地示波器連續(xù)長時間工作的發(fā)熱問題，提高了系統(tǒng)的安全性。引入激光瞄準微調(diào)檢驗裝置，在接收天線上方發(fā)射與接收天線軸線平行的激光，照射在饋源介質(zhì)板表面，通過激光束所產(chǎn)生的校驗基準412和理論基準413的偏差進行比較，從而對搖臂模塊中的天線支撐平臺進行微調(diào)，來校驗接收天線的指向，排除搖臂彎曲和其他結(jié)構(gòu)累積誤差所導致天線的指向精度和水平度的降低。

通?，F(xiàn)有的接收天線主要是搭載在三腳架上，利用三腳架實現(xiàn)接收天線水平調(diào)節(jié)和接收天線與饋源喇叭相心的高度和指向調(diào)節(jié)，利用米尺圓弧劃線的方法確定測量點的距離，所有的調(diào)節(jié)都是依靠人為經(jīng)驗去辨別，測量點位置精度低，尤其是接收喇叭對饋源相心的指向精度更低。本發(fā)明的搖臂模塊是整個設(shè)備實現(xiàn)自動化測量功能的基礎(chǔ)，其包括天線支撐平臺55、臂體54、搖臂支撐座52、斜拉繩組53、配重組51等，如圖5所示。將接收天線搭載在天線支撐平臺上，其結(jié)構(gòu)保證了接收天線波導中軸線與搖臂軸線在同一豎直平面內(nèi)成平行關(guān)系，再調(diào)節(jié)天線平臺，使得接收天線可高精度的指向饋源相心。臂體采用低密度的碳纖維增強熱固性樹脂復合材料，具有較高的比強高和比模量，每節(jié)臂體約一米，可任意插接拆裝，可實現(xiàn)不同距離測量。微波電纜、衰減器、檢波器、低頻電纜可在具有中空結(jié)構(gòu)的臂體內(nèi)安裝及走線，在臂體表面粘貼吸波材料，可以有效減小臂體對HPM的反射，降低臂體對HPM測量的影響。搖臂支承座是整個搖臂的回轉(zhuǎn)軸心，對搖臂起到水平支撐的作用；配重是可以平衡前臂的重量，斜拉繩組可起到對整個臂體的拉緊作用和對臂體彎曲的校正。

本發(fā)明的轉(zhuǎn)動對心模塊和控制模塊是整個設(shè)備實現(xiàn)自動化測量的核心，其轉(zhuǎn)動對心模塊包括電控旋轉(zhuǎn)臺61、XY軸電控滑臺62、激光對心系統(tǒng)63、控制單元64組成，如圖6所示?？刂颇K主要是由一臺三軸運動控制器、控制計算機及其軟件組成。首先，搖臂模塊中的搖臂支撐座架設(shè)在高精度的電控轉(zhuǎn)臺上，使電控轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)軸心與搖臂的回轉(zhuǎn)軸心重合。其次，電控轉(zhuǎn)臺下面安裝XY軸電控滑臺，通過激光對心系統(tǒng)的反饋控制，實現(xiàn)電控轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)軸線與被測輻射喇叭65相心點的豎直重合。在此基礎(chǔ)上，控制電控轉(zhuǎn)臺帶動搖臂天線在輻射場中轉(zhuǎn)動，可實現(xiàn)HPM輻射場高位置精度、高重復精度的點位測量，提高了實驗效率。

平臺支撐模塊是整個設(shè)備實現(xiàn)自動化測量功能的保障，該支撐平臺可在不同高功率微波源和不同環(huán)境下應(yīng)用，具有可快速拆裝的優(yōu)點。