微波均衡器調(diào)試技術(shù)研究

唐　凌

( 1.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖南 長沙 410000；2.江蘇金陵機(jī)械制造總廠，江蘇 南京 211100)

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微波均衡器調(diào)試技術(shù)研究

唐凌1,2

( 1.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖南 長沙 410000；2.江蘇金陵機(jī)械制造總廠，江蘇 南京 211100)

在電子對(duì)抗裝備維修過程中，當(dāng)需要更換行波管時(shí)，應(yīng)針對(duì)不同參數(shù)行波管增益指標(biāo)，通過調(diào)試微波均衡器使發(fā)射系統(tǒng)符合整機(jī)參數(shù)要求。通過介紹寬帶行波管前端微波均衡器調(diào)試的工作原理、調(diào)試原則，闡釋了各種調(diào)節(jié)參數(shù)間的相互影響關(guān)系。

均衡器；行波管；微波調(diào)諧

寬帶發(fā)射機(jī)是目前電子對(duì)抗裝備的核心部件，其戰(zhàn)技水平直接決定了電子戰(zhàn)裝備的戰(zhàn)術(shù)性能。受電真空器件的現(xiàn)有技術(shù)性能限制，大功率寬帶連續(xù)波行波管在全頻帶中難以做到良好的增益一致性，如果不進(jìn)行補(bǔ)償，電子對(duì)抗系統(tǒng)在全頻帶范圍內(nèi)將出現(xiàn)增益的大幅度波動(dòng)，在靈敏度無法大幅度提高的情況下，干擾機(jī)的全頻帶干擾性能將受到很大影響。目前有效解決方案是在行波管的輸入端前級(jí)增加一個(gè)均衡組件，在波段中的各頻點(diǎn)設(shè)置不同的衰減，形成一條插損曲線，用以補(bǔ)償行波管的增益平坦度。在電子對(duì)抗裝備維修過程中，當(dāng)更換寬帶行波管時(shí)，需要調(diào)節(jié)行波管前端的微波均衡器插損曲線，調(diào)配出符合整機(jī)參數(shù)要求的發(fā)射系統(tǒng)。

1　工作原理

電子對(duì)抗裝備的發(fā)射系統(tǒng)干擾信號(hào)走向路徑組成見圖1。

圖1 干擾信號(hào)傳輸路徑圖

以某型寬帶行波管為例，工作頻段為X、C波段，為三倍頻程行波管。受現(xiàn)有技術(shù)限制，每只行波管飽和輸出狀態(tài)下的輸入功率和頻率特性(增益曲線)差異性較大，在其前端設(shè)置了相應(yīng)頻段的微波均衡器，為滿足每500MHz擁有一個(gè)調(diào)諧點(diǎn)，全頻帶共設(shè)置了16個(gè)調(diào)諧吸收結(jié)構(gòu)，其工作頻率范圍涵蓋行波管全部工作頻率。在該電子對(duì)抗裝備發(fā)射系統(tǒng)的初始生產(chǎn)過程中，均衡器組件為原始指標(biāo)(即全通，全帶衰減量理論上均為零)，通過測繪出單只寬帶連續(xù)波行波管的增益曲線，將曲線進(jìn)行反向計(jì)算作為微波均衡器組件的目標(biāo)插損曲線，調(diào)節(jié)16個(gè)微波調(diào)諧點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)配合行波管使用。

2　微波均衡器功能作用

在微波傳輸系統(tǒng)中，需要對(duì)信號(hào)幅度、相位的畸變進(jìn)行調(diào)整，盡量改善信號(hào)質(zhì)量。微波均衡器就是這樣一個(gè)均衡網(wǎng)絡(luò)，功率均衡特性曲線與其所在的微波傳輸系統(tǒng)的衰減頻率特性曲線對(duì)稱相反、相互補(bǔ)償，平滑整個(gè)傳輸通道的信號(hào)畸變，見圖2。

圖2 微波均衡器工作原理示意圖

在圖2中，A1為微波均衡器衰減頻率特性曲線，A2為寬帶行波管飽和狀態(tài)增益曲線，A0是平滑后的系統(tǒng)總衰減曲線，三者之間存在如下關(guān)系，A0= A1 + A2，主要目的是要得到在整個(gè)發(fā)射系統(tǒng)全頻帶內(nèi)盡可能優(yōu)的增益一致性。

3　均衡器工作機(jī)理

微波均衡器在結(jié)構(gòu)上一般分為同軸式、波導(dǎo)式以及傳輸線式，本文所述的X、C波段微波均衡器為同軸式均衡器，內(nèi)部由傳輸線主線和與主線相連的一系列可調(diào)節(jié)的諧振調(diào)節(jié)點(diǎn)組成，當(dāng)干擾信號(hào)通過諧振調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)時(shí)，該諧振腔將與其匹配的頻率點(diǎn)以及周邊一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行耦合，按照功率衰減需求，通過內(nèi)部的吸波機(jī)構(gòu)和材料吸收部分微波功率[1]。

諧振調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的響應(yīng)實(shí)際上是一個(gè)由R、C、L組成的接地串聯(lián)回路，其S21如下：

ω0附近的頻域響應(yīng)波形為開口朝上的拋物線，具有最小值，通過調(diào)節(jié)電路中的R可以調(diào)整諧振電路的Q值，可以實(shí)現(xiàn)該頻點(diǎn)的最小衰減值[1]。

4　調(diào)試方法

4.1繪制目標(biāo)調(diào)整曲線

更換寬帶行波管前，首先應(yīng)對(duì)目標(biāo)行波管的進(jìn)行增益曲線測量，在行波管預(yù)熱后加高壓測量，用微波信號(hào)源從行波管的輸入端口饋入射頻信號(hào)，逐步增大輸入信號(hào)功率直到行波管的輸出功率出現(xiàn)飽和輸出，記錄此時(shí)微波信號(hào)源的輸出功率。按此方法，在行波管全頻帶內(nèi)每隔500MHz進(jìn)行測量，測試出頻帶內(nèi)16個(gè)頻點(diǎn)的增益值，在幅頻坐標(biāo)上描繪出行波管的增益曲線。由于行波管增益曲線與均衡器的增益曲線相反，行波管的增益曲線反向后即可作為均衡器的調(diào)試目標(biāo)曲線。

4.2匹配輸入輸出端口

由于均衡器與行波管互為輸入輸出關(guān)系，輸入輸出間的匹配非常重要，即輸入端、輸出端的駐波系數(shù)要足夠小。否則不但系統(tǒng)損耗會(huì)增大，還會(huì)影響行波管的可靠工作。將電路連接好后，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測試，確定輸入輸出匹配可靠后即可開展微波均衡器的調(diào)整工作。

4.3確定最小插損

理論上說，只要均衡器的實(shí)際衰減曲線與目標(biāo)衰減曲線相吻合，就說明微波均衡器已到達(dá)調(diào)試目的，兩條曲線相對(duì)平行可以有不同的實(shí)際衰減曲線與之?dāng)M合，但實(shí)際調(diào)整過程中，需要考慮輸入端的功率輸入能力。由于曲線越低，對(duì)輸入功率的要求越高，雖然可以通過增加固態(tài)放大器實(shí)現(xiàn)，但是每增加一個(gè)放大器，系統(tǒng)的噪聲系數(shù)就會(huì)增加，因此選用高模插損比較符合調(diào)試要求。高模插損是指實(shí)際衰減曲線(帶內(nèi))最高點(diǎn)的衰減值。該值最小時(shí)即是最優(yōu)曲線。

4.4調(diào)試誤差

均衡器調(diào)試的理想狀態(tài)是使實(shí)際衰減曲線在對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)上與目標(biāo)衰減曲線完全重合；但在實(shí)際調(diào)試過程中，受各種因素的影響，實(shí)際的衰減曲線與目標(biāo)曲線之間很難完全擬合。選定目標(biāo)曲線的最高點(diǎn)后，某一頻點(diǎn)上的實(shí)際衰減量與目標(biāo)衰減量之差，即為該點(diǎn)的調(diào)試誤差。由于行波管的飽和輸入功率有一定的容許范圍，一般為(3～5)dB，因此實(shí)際調(diào)試過程中只要使目標(biāo)曲線與實(shí)際衰減曲線的最大差值小于要求的值即可。為了使行波管在機(jī)載高低溫環(huán)境中也能正常工作，需要在常溫調(diào)試時(shí)加上預(yù)偏置，即在允許的范圍內(nèi)，增大某個(gè)頻點(diǎn)在調(diào)試誤差。

5　均衡器調(diào)試

均衡器衰減曲線調(diào)試的基本方法是在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的監(jiān)控下，通過調(diào)整每個(gè)吸收同軸腔的腔長及耦合探針、微調(diào)螺釘、衰減棒的插入深度來改變每個(gè)諧振腔的諧振頻率、衰減量以及衰減曲線的陡峭程度，并使各吸收諧振腔綜合作用后的實(shí)際衰減曲線與目標(biāo)衰減曲線相擬合[2]，如圖3所示。

圖3 目標(biāo)曲線與實(shí)調(diào)曲線

調(diào)試前，首先須對(duì)目標(biāo)擬合曲線的大致參數(shù)進(jìn)行綜合判斷，掌握整條目標(biāo)擬合曲線的基本要求，調(diào)試過程如下：

1) 假設(shè)目標(biāo)曲線中插損最小的點(diǎn)衰減量為零，其他各目標(biāo)頻點(diǎn)的衰減量即是與最小點(diǎn)的差。調(diào)試時(shí)與目標(biāo)曲線的衰減量有關(guān)的兩個(gè)指標(biāo)：一是曲線衰減最深起伏的插損量以及該處的頻率值。二是目標(biāo)曲線所要求的總體衰減值，無論單個(gè)偏離的衰減量，還是全頻帶總體衰減值，衰減值越大，其所對(duì)應(yīng)諧振腔所需的吸收值越大；而在全頻帶內(nèi)需要控制的衰減值越精確時(shí)，所需要調(diào)試的諧振腔的數(shù)量越多，調(diào)節(jié)越困難。

2) 目標(biāo)擬合曲線在某一頻率處的變化值越大，說明該頻率處的曲線斜率越大。但是每個(gè)諧振腔的固有品質(zhì)因數(shù)是確定的，不管如何插入衰減棒或改變諧振腔長，其Q值變化范圍受限，因此在調(diào)試前一定要做好發(fā)射系統(tǒng)的安裝匹配工作，防止因失配引起的曲線劇烈變化。

6　各調(diào)節(jié)因素的作用和相互關(guān)系

在均衡器的調(diào)試過程中，各種調(diào)節(jié)因素的作用相互關(guān)聯(lián)，其對(duì)整體技術(shù)指標(biāo)的貢獻(xiàn)都會(huì)因其他調(diào)節(jié)因素的變化而產(chǎn)生影響。其中最關(guān)鍵的是耦合探針，調(diào)試時(shí)均衡器傳輸通道內(nèi)的功率能量可以通過耦合探針耦合入諧振腔，這時(shí)通過微調(diào)螺釘、調(diào)節(jié)腔長、衰減棒等手段才能是實(shí)現(xiàn)均衡曲線的改變[2]。

6.1調(diào)整腔長

1)改變腔長可以調(diào)整諧振頻率，繼而調(diào)整通帶內(nèi)的最大衰減頻率。如腔長縮短后，最大的衰減頻率將升高。

2)腔長縮短后，衰減將增大。

3)腔長縮短后，品質(zhì)因數(shù)將降低。

6.2調(diào)整耦合探針

1)加大耦合探針的插入深度，最大的衰減頻率將降低，衰減值將增大。

2)探針深度增加，可以降低諧振腔品質(zhì)因數(shù)。

6.3調(diào)整衰減棒位置

衰減棒的調(diào)節(jié)作用與諧振腔的位置相關(guān)，需要在調(diào)節(jié)過程掌握變化趨勢，在變化明顯的位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。

7　結(jié)論

本文所述的調(diào)試方法可以將均衡器的實(shí)際衰減曲線調(diào)整到與目標(biāo)衰減曲線基本吻合，但為了得到較好的調(diào)試效果，調(diào)整的過程比較繁瑣和漫長，許多關(guān)聯(lián)參數(shù)相互影響，容易出錯(cuò)，極端情況下還需要推倒重來，這就要求調(diào)試人員事先做好調(diào)試方案，耐心仔細(xì)地進(jìn)行調(diào)試。在調(diào)試結(jié)束后，應(yīng)考慮到機(jī)載振動(dòng)環(huán)境，對(duì)所有的調(diào)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行漆封，并在環(huán)境試驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證。

[1] 米斯拉 著，張肇儀 譯.射頻與微波通信電路[M].電子工業(yè)出版社,2005.

[2] 巴爾 著，顧墨琳 譯.微波固態(tài)電路設(shè)計(jì)[M]. 電子工業(yè)出版社,2002.

[編校：楊琴]

Technical Research on Debugging Microwave Equalizer

TANG Ling1,2

(1.College of Mechatronic Engineering and Automation,National University of Defense Technology，Changsha Hunan 410000；2.Jiangsu Jingling Machinery Manufacturing Factory，Nanjing Jiangsu 211100)

When travelling wave tube need to be replaced in the process of electronic countermeasure equipment maintenance，one should debug a microwave equalizer according to different gain parameters of travelling wave tubes，so as to make transmitting system to meet parameter requirements of the whole equipment .In this paper，the authors introduce how to debug the microwave equalizer ahead of travelling wave tubes，and their debugging principles. They also analyze the interaction between different debugging parameters.

equalizer; travelling wave tube; debugging microwave

2016-07-28

唐凌(1985- )，女，吉林吉林人，工程師，研究方向?yàn)檐娛掠?jì)量技術(shù)。

TN715

A

1671-9654(2016)03-046-03