一 種 微 波 測(cè) 量 實(shí) 驗(yàn) 系 統(tǒng) 的 優(yōu) 化

張 蘭, 陳小橋, 陳章友

(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院， 湖北 武漢 430072)

0 引 言

“微波技術(shù)”等課程被各高校列入電子信息類學(xué)生的專業(yè)主干課程，承擔(dān)著培養(yǎng)具有微波理論和工程應(yīng)用能力人才的重要任務(wù)[1-3]。微波技術(shù)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚴箤W(xué)生通過實(shí)驗(yàn)過程更直觀地認(rèn)識(shí)電磁場(chǎng)和電磁波的相關(guān)理論，了解各種微波元器件的相關(guān)知識(shí)，深入理解微波的工作狀態(tài)、傳輸特性和相關(guān)應(yīng)用[4-5]。微微實(shí)驗(yàn)課程的開設(shè)可以很好地促進(jìn)學(xué)生對(duì)相關(guān)理論課程的學(xué)習(xí)和理解, 它已成為電子信息類專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)和培養(yǎng)能力的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

然而，由于微波測(cè)量?jī)x器的價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜并且不易維護(hù)，目前高校普遍采用的是基于虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的微波測(cè)量虛擬實(shí)驗(yàn)[6-9]或者基于微波波導(dǎo)測(cè)量線的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。微波波導(dǎo)測(cè)量線具有成本低、原理清晰、易于入門等優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的基于微波測(cè)量線的微波測(cè)量系統(tǒng)包括微波信號(hào)源、頻率計(jì)、駐波測(cè)量線和測(cè)量?jī)x表，用手動(dòng)方式來測(cè)量負(fù)載在傳輸線上形成的駐波分布。常用的測(cè)量?jī)x表為光點(diǎn)檢流計(jì)等，由于駐波測(cè)量線的輸出信號(hào)非常微弱，光電檢流計(jì)非常靈敏，實(shí)驗(yàn)過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)因?yàn)閷W(xué)生走動(dòng)或者實(shí)驗(yàn)平臺(tái)輕微抖動(dòng)而造成測(cè)量?jī)x表的指針反復(fù)波動(dòng)，影響了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確性和實(shí)驗(yàn)進(jìn)度的推進(jìn)。此外，測(cè)量?jī)x表的有效量程也顯得不足，增大了測(cè)量誤差，影響了實(shí)驗(yàn)精度的提高。

針對(duì)這些情況，為了降低實(shí)驗(yàn)過程的繁瑣程度，提高測(cè)量精度和實(shí)驗(yàn)自動(dòng)化程度，微波自動(dòng)測(cè)量線被引入到了微波技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中[10-16]。微波自動(dòng)測(cè)量線通過步進(jìn)電機(jī)的移動(dòng)或者位移傳感器來自動(dòng)獲得測(cè)量線上位置信息，集數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與處理、結(jié)果顯示與輸出等多種功能于一體，操作者只需通過鍵盤和鼠標(biāo)就能操作整個(gè)儀器，直接得到波形分布、波導(dǎo)波長(zhǎng)、負(fù)載特性等多種參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量結(jié)果，極其簡(jiǎn)便、迅速。但是在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)自動(dòng)完成了所有的測(cè)量和計(jì)算過程，學(xué)生只需要更換負(fù)載就完成了實(shí)驗(yàn)，很容易就得到了結(jié)果，由于缺乏直接操作、參數(shù)計(jì)算和誤差分析的過程，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的完成過程僅僅停留在看實(shí)驗(yàn)講義和看自動(dòng)測(cè)量?jī)x的輸出結(jié)果上，而對(duì)實(shí)驗(yàn)中間的實(shí)驗(yàn)原理、測(cè)量方法和數(shù)據(jù)處理過程缺乏感性認(rèn)識(shí)，很難透徹理解，實(shí)驗(yàn)無法達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)，無法起到培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力和分析解決問題的作用。此外，由于自動(dòng)測(cè)量線的探針位置自動(dòng)調(diào)整，部分原有的微波實(shí)驗(yàn)如大駐波比的測(cè)量、諧振腔Q值測(cè)量等無法在自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中完成。因此，微波自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)只能作為手動(dòng)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)有效的補(bǔ)充和校驗(yàn)，成為微波技術(shù)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)內(nèi)容，并不能代替手動(dòng)實(shí)驗(yàn)。這樣，基于測(cè)量線的微波測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原有的問題并沒有完全得到解決。

因此，針對(duì)微波技術(shù)實(shí)驗(yàn)中的種種問題，我們對(duì)微波測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，并不是單純的將手動(dòng)測(cè)量改為自動(dòng)測(cè)量，而是改進(jìn)其測(cè)量?jī)x表，提高測(cè)量?jī)x表的穩(wěn)定度和測(cè)量精度，增加其數(shù)據(jù)傳輸功能，使其能更好的滿足實(shí)驗(yàn)的要求。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

在基于波導(dǎo)測(cè)量線的微波測(cè)量系統(tǒng)中，測(cè)量線的終端接不同的負(fù)載，在其腔體內(nèi)形成的駐波也不同，通過檢測(cè)信號(hào)確定場(chǎng)強(qiáng)的位置和大小等參量，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)波導(dǎo)波長(zhǎng)、工作波長(zhǎng)、駐波比、反射系數(shù)等微波基本參量的測(cè)量，進(jìn)而通過計(jì)算得到阻抗參數(shù)、微波網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、衰減量和電介質(zhì)介電常數(shù)等參數(shù)。因此，電場(chǎng)強(qiáng)度和探針位置是測(cè)量的兩個(gè)關(guān)鍵量?，F(xiàn)有的微波測(cè)量系統(tǒng)中，探針位置可通過測(cè)量線上自帶的標(biāo)尺進(jìn)行精確測(cè)量，在實(shí)驗(yàn)中波節(jié)和波腹的位置往往通過交叉讀數(shù)法得到，而電場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量準(zhǔn)確度顯得非常重要。對(duì)微波測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，用數(shù)字式弱電流測(cè)量?jī)x代替原有的光點(diǎn)檢流計(jì)，目的是為了在提高測(cè)量精度、直觀性和穩(wěn)定性的同時(shí)，也避免由全自動(dòng)化測(cè)量造成的學(xué)生缺乏實(shí)際動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的問題，達(dá)到實(shí)驗(yàn)與教學(xué)功能的有機(jī)統(tǒng)一。

優(yōu)化后的微波測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括微波信號(hào)源、隔離器、可變衰減器、波長(zhǎng)計(jì)、波導(dǎo)測(cè)量線和數(shù)字式弱電流測(cè)量?jī)x等幾個(gè)部分，其連接方式如圖1所示。微波信號(hào)源可為系統(tǒng)提供7.5～12.4 GHz連續(xù)可調(diào)的等幅信號(hào)，信號(hào)經(jīng)檢波二極管檢波輸出為微弱的直流信號(hào)送入到測(cè)量?jī)x表，數(shù)字式弱電流測(cè)量?jī)x代替了原有的檢流計(jì)，對(duì)檢波器輸出的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，并通過顯示單元顯示出來。

2 數(shù)字式弱電流測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)

數(shù)字式弱電流測(cè)量?jī)x包括信號(hào)調(diào)理模塊、顯示模塊、采集與控制模塊、電源模塊和擴(kuò)展模塊等,其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。所有的模塊封裝在一個(gè)小機(jī)箱中，機(jī)箱的前面板為顯示部分和信號(hào)輸入接口，并預(yù)留檔位調(diào)節(jié)旋鈕；后面板為電源接口。

(1) 信號(hào)調(diào)理模塊。由于測(cè)量線輸出的反映開槽線內(nèi)駐波場(chǎng)分布的檢波電流值很小，通常在微安量級(jí)左右，很難直接檢測(cè)。因此，需要對(duì)檢波二極管輸出的弱電流信號(hào)進(jìn)行電流電壓轉(zhuǎn)換(I/V轉(zhuǎn)換)，得到電壓信號(hào)后，再經(jīng)過放大和濾波處理，才能接入到信號(hào)采集部分進(jìn)行量化。信號(hào)調(diào)理模塊包括I/V轉(zhuǎn)換、直流放大電路和濾波電路3部分組成。直流放大電路分兩級(jí)，第一級(jí)預(yù)放大，放大倍數(shù)固定；第二級(jí)主放大，放大倍數(shù)可調(diào)，通過可調(diào)變阻器來實(shí)現(xiàn)，可調(diào)變阻器接到前面板，便于操作者根據(jù)信號(hào)源的輸出信號(hào)大小進(jìn)行調(diào)整。直流放大電路中加入調(diào)零電路，也是通過可調(diào)變阻器來實(shí)現(xiàn)，可調(diào)變阻器同樣接到前面板，便于操作者根據(jù)信號(hào)進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整。直流放大電路中的放大器，選擇低失調(diào)電壓、低失調(diào)電流、低噪聲、低溫漂的運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)。濾波電路的作用是濾除掉信號(hào)中的高頻成分，僅保留直流分量。檢波電路輸出的弱電流信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路后變?yōu)?～3 V的電壓信號(hào)，送入采樣與控制電路進(jìn)行數(shù)字化處理。

(2) 采樣與控制模塊。采樣與控制部分，系統(tǒng)采用MSP430F14X系列的單片機(jī)作為控制中心，由于MSP430單片機(jī)開發(fā)簡(jiǎn)單，具有豐富的片上資源，自帶有多路ADC模塊，因此就不需要單獨(dú)外接ADC芯片，降低了電路的復(fù)雜度。430單片機(jī)的主要功能包括控制采樣、存儲(chǔ)、控制顯示以及擴(kuò)展模塊等。信號(hào)采樣采用單片機(jī)自帶的12位的ADC，其測(cè)量分辨率和轉(zhuǎn)換精度均可滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，其分辨率可達(dá)滿電壓刻度的1/4 096，這樣測(cè)量?jī)x的測(cè)量范圍就從原來的1～60變?yōu)?～4096。由于微波測(cè)量實(shí)驗(yàn)中主要是對(duì)場(chǎng)強(qiáng)變化相對(duì)值的測(cè)量，這樣測(cè)量范圍的增大，可以大大地提高原有的測(cè)量精度，有利于系統(tǒng)測(cè)量誤差的有效降低。

(3) 顯示模塊。ADC采樣得到的數(shù)據(jù)由單片機(jī)送入到顯示模塊顯示。顯示模塊由4個(gè)7段數(shù)碼管組成及相應(yīng)的電路。單片機(jī)通過控制片選和控制線來控制數(shù)碼管的實(shí)時(shí)顯示，顯示結(jié)果直觀。

(4) 電源模塊。由于整個(gè)系統(tǒng)電路是模數(shù)混合電路，待采樣信號(hào)的幅度又很小，因此要求系統(tǒng)電源的紋波系數(shù)低、性能可靠，設(shè)計(jì)時(shí)采用線性電源的設(shè)計(jì)。將220 V的交流電接入變壓器，經(jīng)過整流、穩(wěn)壓、濾波后得到所需的8、5和3.3 V，供各個(gè)模塊使用。

(5) 擴(kuò)展模塊。系統(tǒng)預(yù)留串口和USB接口模塊，在需要的時(shí)候可以通過這些接口模塊把數(shù)據(jù)讀出來，在PC機(jī)上進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。

(6) 軟件設(shè)計(jì)。由于數(shù)字式弱電流測(cè)量?jī)x主要完成電流測(cè)量功能，不需要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的處理和運(yùn)算，它的軟件設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，主要包括初始化、采樣控制、顯示控制和傳輸控制等部分。上電后在完成參數(shù)初始化后，就啟動(dòng)ADC采樣，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)的同時(shí)，通過控制七段數(shù)碼管的片選和控制線來控制數(shù)碼管的實(shí)時(shí)顯示。在需要進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳的時(shí)候，就將最近存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)通過擴(kuò)展接口傳輸出去。

3 結(jié) 語(yǔ)

數(shù)字式弱電流測(cè)量?jī)x研制成本不高，小巧易用，其良好的測(cè)量精度和穩(wěn)定度能更好地滿足微波技術(shù)實(shí)驗(yàn)的要求。對(duì)現(xiàn)有的微波測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，加入數(shù)字式弱電流測(cè)量?jī)x，使其成為手動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要儀器，這樣有利于解決原有的微波手動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)由于測(cè)量?jī)x表造成的測(cè)量誤差大、耗時(shí)較長(zhǎng)的問題，同時(shí)也不會(huì)影響學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生在得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，自行編寫數(shù)據(jù)處理、參數(shù)計(jì)算和誤差分析的程序，，從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)的預(yù)期目的。

當(dāng)然，在實(shí)驗(yàn)過程中，原有的微波自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)和配置了數(shù)字式弱電流測(cè)量?jī)x的微波測(cè)量系統(tǒng)作為不同的實(shí)驗(yàn)手段，可以有機(jī)結(jié)合。學(xué)生在熟練掌握配置了數(shù)字式弱電流測(cè)量?jī)x的微波測(cè)量系統(tǒng)的手動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)的方法，掌握了微波測(cè)量原理和方法后，可以通過微波自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)完成快速測(cè)量，通過分析測(cè)量結(jié)果去進(jìn)行更深入的科學(xué)問題的研究，從而達(dá)到兩種測(cè)量方法的有效補(bǔ)充。

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