本發(fā)明屬于微波測(cè)量的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是一種螺旋線慢波結(jié)構(gòu)色散特性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

螺旋線行波管作為一種重要的微波電子器件，具有寬頻帶、高增益、大動(dòng)態(tài)范圍和低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代電子對(duì)抗，雷達(dá)，通信，微弱信號(hào)接收等領(lǐng)域被廣泛使用。色散特性是螺旋線行波管慢波結(jié)構(gòu)非常關(guān)鍵的一個(gè)冷參數(shù)，在很大程度上影響著整個(gè)行波管的性能。色散特性決定了行波管的工作電壓、頻帶寬帶。對(duì)行波管慢波結(jié)構(gòu)色散特性的測(cè)量無(wú)論是在慢波結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研制階段還是在生產(chǎn)線質(zhì)量檢測(cè)階段都占有重要地位。

慢波結(jié)構(gòu)作為行波管的重要結(jié)構(gòu)，其作用是讓電子束與電磁信號(hào)相互作用，進(jìn)行能量互換，從而使電磁信號(hào)得到放大。近年來(lái)，各種不同結(jié)構(gòu)形式的慢波結(jié)構(gòu)被研究者提出。隨之，很多關(guān)于色散求解的方法也被研究者提出用于分析相應(yīng)的慢波結(jié)構(gòu)。

目前，關(guān)于慢波結(jié)構(gòu)的色散特性研究的方法有很多種，主要包括理論分析法，計(jì)算機(jī)軟件仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試三種方法。理論分析法如等效介電常數(shù)法，模式匹配法等，這些方法大多采用了大量的等效，因此不適合實(shí)際工程。仿真模擬依賴于物理模型的正確建立，其結(jié)果有時(shí)并不能反映實(shí)際管子的特性?；趯?shí)驗(yàn)的方法，如行波法和諧振法是經(jīng)典的方法，常用來(lái)對(duì)各種慢波結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試和對(duì)理論分析進(jìn)行驗(yàn)證。行波法通常是沿著慢波結(jié)構(gòu)中心軸線移動(dòng)耦合探針，獲得不同位置的信號(hào)的相位與參考位置的相位差來(lái)計(jì)算色散參數(shù)。這種方法對(duì)于快波系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是困難的，而且需要保持測(cè)試點(diǎn)與參考點(diǎn)都是在中心軸線上。諧振法的原理是讓慢波結(jié)構(gòu)處于諧振狀態(tài)，然后根據(jù)諧振條件，建立方程求解相位常數(shù)和頻率的關(guān)系得到色散參數(shù)。諧振法的關(guān)鍵是要找到慢波結(jié)構(gòu)的鏡像短路面，這常常是很困難的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種螺旋線慢波結(jié)構(gòu)色散特性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)及方法。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明技術(shù)方案如下：

一種螺旋線慢波結(jié)構(gòu)色散特性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，包括支撐底座、支撐底座上方的垂直移動(dòng)平臺(tái)和液體容器，所述液體容器內(nèi)部為低損耗大介電常數(shù)液體，低損耗大介電常數(shù)液體的上表面為液體大反射面，低損耗大介電常數(shù)液體上方為豎直的螺旋線慢波結(jié)構(gòu)，螺旋線慢波結(jié)構(gòu)通過(guò)慢波結(jié)構(gòu)固定夾具固定在垂直移動(dòng)平臺(tái)上，所述垂直移動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)所述螺旋線慢波結(jié)構(gòu)在低損耗大介電常數(shù)液體中上下移動(dòng)，所述垂直移動(dòng)平臺(tái)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)由步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)控制，電機(jī)伺服系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)連接，螺旋線慢波結(jié)構(gòu)通過(guò)慢波結(jié)構(gòu)到同軸的匹配連接連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接計(jì)算機(jī)。

作為優(yōu)選方式，所述低損耗大介電常數(shù)液體是指損耗角正切值小于10^-4、相對(duì)介電常數(shù)大于400的液體。

作為優(yōu)選方式，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀通過(guò)wlan端口連接到計(jì)算機(jī)，步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)通過(guò)usb接口連接到計(jì)算機(jī)。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明還提供一種使用上述的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的慢波結(jié)構(gòu)色散特性測(cè)試方法：通過(guò)計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)垂直移動(dòng)平臺(tái)，垂直移動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)螺旋線慢波結(jié)構(gòu)上下運(yùn)動(dòng)從而改變螺旋線慢波結(jié)構(gòu)在低損耗大介電常數(shù)液體中的位置，建立慢波結(jié)構(gòu)到同軸匹配連接和大反射面之間螺旋線慢波結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度l與色散參數(shù)βh的關(guān)系方程，獲得慢波結(jié)構(gòu)的色散特性參數(shù)βh。

作為優(yōu)選方式，所述方法進(jìn)一步為：通過(guò)計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)垂直移動(dòng)平臺(tái)使得螺旋線慢波結(jié)構(gòu)在低損耗大介電常數(shù)液體中上下移動(dòng)，從而螺旋線慢波結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度l發(fā)生改變，所述l是液體大反射面距離慢波結(jié)構(gòu)到同軸的匹配連接的長(zhǎng)度；利用多態(tài)法，四次改變長(zhǎng)度l，利用公式(7)即獲取慢波結(jié)構(gòu)的色散參數(shù)βh；

其中，γin是雙端口網(wǎng)絡(luò)a的端口d處的輸入反射系數(shù)，通過(guò)(7)，求解得到s11，s12·s21·γp，γl·γp，υh的值，其中γh＝αh+jβh。

系統(tǒng)采用低損耗大介電常數(shù)液體構(gòu)建大反射面，方便反射參數(shù)提取。同時(shí)采用慢波結(jié)構(gòu)到同軸的匹配連接的方式，方便了對(duì)系統(tǒng)等效電路的簡(jiǎn)化，本發(fā)明測(cè)試方法實(shí)現(xiàn)了色散參數(shù)提取的理論支撐。

本測(cè)試方法的工作原理如下：

螺旋線慢波結(jié)構(gòu)色散特性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的原理如附圖2所示。其中γl是從慢波結(jié)構(gòu)向同軸轉(zhuǎn)換處看去的反射系數(shù)，γp是液體大反射面的反射系數(shù)，l是液體大反射面到慢波結(jié)構(gòu)到同軸的匹配連接的長(zhǎng)度。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀11通過(guò)同軸電纜連接到慢波結(jié)構(gòu)到同軸的匹配連接。

附圖2的等效網(wǎng)絡(luò)如附圖3所示。慢波結(jié)構(gòu)到同軸的匹配連接等效為雙端口網(wǎng)絡(luò)a，其散射參數(shù)定義為：

當(dāng)雙端口網(wǎng)絡(luò)a的端口d接匹配負(fù)載時(shí)，s22即是從慢波結(jié)構(gòu)向同軸轉(zhuǎn)換處看去的反射系數(shù)γl。附圖2中線oo到hh之間為慢波結(jié)構(gòu)，其可以等效為一個(gè)雙端口網(wǎng)絡(luò)b，其散射參數(shù)為sh。設(shè)慢波結(jié)構(gòu)的傳播系數(shù)為γh＝αh+jβh，該參數(shù)中βh即為色散參數(shù)，而αh為冷衰減參數(shù)。

當(dāng)oo和hh之間慢波結(jié)構(gòu)端口匹配很好的時(shí)候，雙端口網(wǎng)絡(luò)b的散射參數(shù)為：

線hh左邊的大反射面等效為一個(gè)單端口網(wǎng)絡(luò)c，其反射系數(shù)為γp，γp和雙端口網(wǎng)絡(luò)b級(jí)聯(lián)后的反射系數(shù)為：

此時(shí)，附圖3可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化等效為附圖4的串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。即雙端口網(wǎng)絡(luò)a連接到一個(gè)反射系數(shù)為γp′的負(fù)載。根據(jù)微波網(wǎng)絡(luò)理論，在端口d處的反射系數(shù)為：

利用程序控制步進(jìn)電機(jī)使慢波結(jié)構(gòu)在低損耗大介電常數(shù)液體中移動(dòng)，則液體大反射面到慢波結(jié)構(gòu)到同軸匹配連接的長(zhǎng)度l將隨之改變，即反射系數(shù)γp′的相角將發(fā)生改變。4次移動(dòng)慢波結(jié)構(gòu)，獲得不同的l長(zhǎng)度值，分別計(jì)為l1，l2，l3，l4，則γp′也變?yōu)棣胮1′，γp2′，γp3′，γp4′。其中：

根據(jù)(4)可以得到(6)：

將(5)帶入(6)可以得到(7)：

其中，γin是雙端口網(wǎng)絡(luò)a的端口d處的輸入反射系數(shù)。通過(guò)(7)，可以求解得到s11，s12·s21·γp，γl·γp，υh的值，其中γh＝αh+jβh。

本發(fā)明的有益效果為：一、系統(tǒng)采用低損耗大介電常數(shù)液體構(gòu)建大反射面，方便反射參數(shù)提取。二、同時(shí)采用慢波結(jié)構(gòu)到同軸的匹配連接的方式，方便了對(duì)系統(tǒng)等效電路的簡(jiǎn)化，進(jìn)而提出來(lái)本發(fā)明測(cè)試方法，實(shí)現(xiàn)了色散參數(shù)提取的理論支撐。三、本系統(tǒng)測(cè)試方法同時(shí)提取了慢波結(jié)構(gòu)的冷衰減參數(shù)，另外，當(dāng)利用其他手段獲得液體大反射面的反射參數(shù)γp后，可以擴(kuò)充得到從慢波結(jié)構(gòu)向同軸轉(zhuǎn)換處看去的反射系數(shù)γl。

附圖說(shuō)明

附圖1是本發(fā)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖2是本發(fā)明系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)構(gòu)原理圖。

附圖3是本發(fā)明系統(tǒng)的等效網(wǎng)絡(luò)。

附圖4是本發(fā)明系統(tǒng)的進(jìn)一步等效串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

其中，1是計(jì)算機(jī)、2是支撐底座、3是步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)、4是步進(jìn)電機(jī)、5是垂直移動(dòng)平臺(tái)、6是慢波結(jié)構(gòu)固定夾具、7是螺旋線慢波結(jié)構(gòu)、8是慢波結(jié)構(gòu)到同軸匹配連接、9是液體大反射面、10是低損耗大介電常數(shù)液體、11是適量網(wǎng)絡(luò)分析儀、12是液體容器。

圖2中，線oo和hh之間的長(zhǎng)度l是慢波結(jié)構(gòu)到同軸匹配連接8和大反射面9之間螺旋線慢波結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度，γl是螺旋線慢波結(jié)構(gòu)向慢波結(jié)構(gòu)到同軸匹配連接處看去的反射系數(shù)，γp為線hh左邊的大反射面的反射系數(shù)。

圖3中，a是慢波結(jié)構(gòu)到同軸匹配連接8的等效為雙端口網(wǎng)絡(luò)，b是線oo到hh之間的慢波結(jié)構(gòu)的等效雙端口網(wǎng)絡(luò)，c是線hh左邊的大反射面的等效單端口網(wǎng)絡(luò)，d和e是雙端口網(wǎng)絡(luò)a的兩個(gè)端口，γl是慢波結(jié)構(gòu)向同軸轉(zhuǎn)換處看去的反射系數(shù)，γp為線hh左邊的大反射面的反射系數(shù)，γin是雙端口網(wǎng)絡(luò)a的端口d處的輸入反射系數(shù)。

圖4中，a是慢波結(jié)構(gòu)到同軸匹配連接8的等效為雙端口網(wǎng)絡(luò)，g是雙端口網(wǎng)絡(luò)b和c的串聯(lián)后等效單端口網(wǎng)絡(luò)，11是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，d是雙端口網(wǎng)絡(luò)a的端口，γp′是等效單端口網(wǎng)絡(luò)g的反射系數(shù)，γin是雙端口網(wǎng)絡(luò)a的端口d處的輸入反射系數(shù)。

具體實(shí)施方式

以下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過(guò)另外不同的具體實(shí)施方式加以實(shí)施或應(yīng)用，本說(shuō)明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒(méi)有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。

一種螺旋線慢波結(jié)構(gòu)色散特性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，包括支撐底座2、支撐底座2上方的垂直移動(dòng)平臺(tái)5和液體容器12，所述液體容器12內(nèi)部為低損耗大介電常數(shù)液體10，低損耗大介電常數(shù)液體10的上表面為液體大反射面9，低損耗大介電常數(shù)液體10上方為豎直的螺旋線慢波結(jié)構(gòu)7，螺旋線慢波結(jié)構(gòu)7通過(guò)慢波結(jié)構(gòu)固定夾具6固定在垂直移動(dòng)平臺(tái)5上，所述垂直移動(dòng)平臺(tái)5帶動(dòng)所述螺旋線慢波結(jié)構(gòu)7在低損耗大介電常數(shù)液體10中上下移動(dòng)，所述垂直移動(dòng)平臺(tái)5由步進(jìn)電機(jī)4驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)4由步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)3控制，電機(jī)伺服系統(tǒng)3與計(jì)算機(jī)1連接，螺旋線慢波結(jié)構(gòu)7通過(guò)慢波結(jié)構(gòu)到同軸的匹配連接8連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀11，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀11連接計(jì)算機(jī)1。

所述低損耗大介電常數(shù)液體是指損耗角正切值小于10^-4、相對(duì)介電常數(shù)大于400的液體。

具體的，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀11通過(guò)wlan端口連接到計(jì)算機(jī)1，步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)3通過(guò)usb接口連接到計(jì)算機(jī)1。

使用上述的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的慢波結(jié)構(gòu)色散特性測(cè)試方法：通過(guò)計(jì)算機(jī)1控制步進(jìn)電機(jī)4，步進(jìn)電機(jī)4帶動(dòng)垂直移動(dòng)平臺(tái)5使得螺旋線慢波結(jié)構(gòu)7在低損耗大介電常數(shù)液體10中上下移動(dòng)，從而螺旋線慢波結(jié)構(gòu)7的長(zhǎng)度l發(fā)生改變，所述l是液體大反射面9距離慢波結(jié)構(gòu)到同軸的匹配連接8之間螺旋線慢波結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度；利用多態(tài)法，四次改變長(zhǎng)度l，利用公式(7)即獲取慢波結(jié)構(gòu)的色散參數(shù)；

其中，γin是雙端口網(wǎng)絡(luò)a的端口d處的輸入反射系數(shù)，通過(guò)(7)，求解得到s11，s12·s21·γp，γl·γp，υh的值，其中γh＝αh+jβh。

系統(tǒng)采用低損耗大介電常數(shù)液體構(gòu)建大反射面，方便反射參數(shù)提取。同時(shí)采用慢波結(jié)構(gòu)到同軸的匹配連接的方式，方便了對(duì)系統(tǒng)等效電路的簡(jiǎn)化，本發(fā)明測(cè)試方法實(shí)現(xiàn)了色散參數(shù)提取的理論支撐。

本測(cè)試方法的工作原理如下：

螺旋線慢波結(jié)構(gòu)色散特性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的原理如附圖2所示。其中γl是從慢波結(jié)構(gòu)向同軸轉(zhuǎn)換處看去的反射系數(shù)，γp是液體大反射面的反射系數(shù)，l是液體大反射面到慢波結(jié)構(gòu)到同軸的匹配連接8的長(zhǎng)度。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀11通過(guò)同軸電纜連接到慢波結(jié)構(gòu)到同軸的匹配連接8。

附圖2的等效網(wǎng)絡(luò)如附圖3所示。慢波結(jié)構(gòu)到同軸的匹配連接8等效為雙端口網(wǎng)絡(luò)a，其散射參數(shù)定義為：

當(dāng)雙端口網(wǎng)絡(luò)a的端口d接匹配負(fù)載時(shí)，s22即是從慢波結(jié)構(gòu)向同軸轉(zhuǎn)換處看去的反射系數(shù)γl。附圖2中線oo到hh之間為慢波結(jié)構(gòu)，其可以等效為一個(gè)雙端口網(wǎng)絡(luò)b，其散射參數(shù)為sh。設(shè)慢波結(jié)構(gòu)的傳播系數(shù)為γh＝αh+jβh，該參數(shù)中βh即為色散參數(shù)，而αh為冷衰減參數(shù)。

當(dāng)oo和hh之間慢波結(jié)構(gòu)端口匹配很好的時(shí)候，雙端口網(wǎng)絡(luò)b的散射參數(shù)為：

線hh左邊的大反射面等效為一個(gè)單端口網(wǎng)絡(luò)c，其反射系數(shù)為γp，γp和雙端口網(wǎng)絡(luò)b級(jí)聯(lián)后的反射系數(shù)為：

此時(shí)，附圖3可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化等效為附圖4的串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。即雙端口網(wǎng)絡(luò)a連接到一個(gè)反射系數(shù)為γp′的負(fù)載。根據(jù)微波網(wǎng)絡(luò)理論，在端口d處的反射系數(shù)為：

利用程序控制步進(jìn)電機(jī)4使慢波結(jié)構(gòu)7在低損耗大介電常數(shù)液體10中移動(dòng)，則液體大反射面9到慢波結(jié)構(gòu)到同軸匹配連接8的長(zhǎng)度l將隨之改變，即反射系數(shù)γp′的相角將發(fā)生改變。4次移動(dòng)慢波結(jié)構(gòu)7，獲得不同的l長(zhǎng)度值，分別計(jì)為l1，l2，l3，l4，則γp′也變?yōu)棣胮1′，γp2′，γp3′，γp4′。其中：

根據(jù)(4)可以得到(6)：

將(5)帶入(6)可以得到(7)：

其中，γin是雙端口網(wǎng)絡(luò)a的端口d處的輸入反射系數(shù)。通過(guò)(7)，可以求解得到s11，s12·s21·γp，γl·γp，υh的值，其中γh＝αh+jβh。

上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。