基于軟件無線電的高功率微波輻射場測量裝置及其方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于軟件無線電的高功率微波輻射場測量裝置及其方法，該裝置包括：接收天線、衰減器、變頻器、A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)終端，數(shù)據(jù)終端包括接收模塊、軟件檢波模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和輸出模塊；其中，接收天線、衰減環(huán)節(jié)、變頻器、A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)終端依次串聯(lián)連接；數(shù)據(jù)終端中的接收模塊與A/D轉(zhuǎn)換器電連接，接收模塊、軟件檢波模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和輸出模塊依次串聯(lián)連接。發(fā)明設(shè)計的L波段軟件檢波器，靈敏度動態(tài)范圍約30dB，檢波電壓10mV～700mV，響應(yīng)時間小于1ns，重復(fù)性和穩(wěn)定性高，不受溫度和環(huán)境電磁干擾影響。
【專利說明】基于軟件無線電的高功率微波輻射場測量裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高功率微波測量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于軟件無線電的高功率微波輻射場測量裝置及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高功率微波是指頻率范圍從300MHz到300GHz、峰值功率大于100MW或平均功率大于IMW的強電磁輻射。高功率微波在雷達、通信、核聚變加熱、材料處理及定向能等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用。
[0003]輻射場測量是獲取高功率微波系統(tǒng)技術(shù)指標的主要手段，但由于高功率微波輻射場具有峰值功率高、脈沖時間短、測量環(huán)境復(fù)雜等特點，準確測量輻射場功率一直是一個技術(shù)難題。目前的高功率微波輻射場測量的基本思路是將天線接收的大功率微波衰減至低功率進行檢波，根據(jù)示波器記錄的波形和檢波器靈敏度曲線確定檢波器輸入功率，再結(jié)合測量系統(tǒng)衰減環(huán)節(jié)的衰減量計算得到測量系統(tǒng)接收的微波功率。
[0004]檢波器是高功率微波輻射場測量系統(tǒng)的核心器件，其主體是微波二極管，目前使用較多的是面接觸型肖特基勢皇二極管。常用的寬帶檢波器存在著響應(yīng)時間較大，失配反射引起波形畸變等問題。并且作為一種半導(dǎo)體器件，檢波器性能易受環(huán)境溫度的影響。改善檢波器特性的通常做法包括選擇性能更好的檢波二極管和改進電路設(shè)計等，隨著測量要求的提高、器件性能瓶頸和設(shè)計加工條件限制，檢波器硬件性能改進的難度越來越大。
[0005]輻射場測量系統(tǒng)各器件之間通過微波電纜、轉(zhuǎn)接頭等硬件連接，傳輸?shù)氖悄M信號，在高功率微波環(huán)境下，容易受到干擾，對各環(huán)節(jié)的電磁防護要求較高。電磁防護的常用手段包括屏蔽、濾波、接地及鋪設(shè)吸波材料等，這些措施往往會帶來系統(tǒng)復(fù)雜、可靠性降低等問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種基于軟件無線電的高功率微波輻射場測量裝置及其方法，目的在于解決在復(fù)雜測量環(huán)境下因檢波器性能改變影響高功率微波輻射場測量結(jié)果的問題，方便地實現(xiàn)待測脈沖微波功率、脈沖寬度等參數(shù)的測量。
[0007]為達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)手段:
[0008]一種基于軟件無線電的高功率微波輻射場測量裝置，包括:
[0009]接收天線，用于接收待測脈沖微波信號；
[0010]衰減器，用于將待測微波信號的功率降低；
[0011]變頻器，用于對待測微波信號的載頻進行頻率變換；
[0012]A/D轉(zhuǎn)換器，用于將待測微波信號的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；
[0013]數(shù)據(jù)終端，用于對數(shù)字信號進行軟件檢波和數(shù)據(jù)計算，包括:
[0014]接收模塊，用于接收A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號并進行調(diào)理；
[0015]軟件檢波模塊，用于接收數(shù)字信號數(shù)據(jù)并進行軟件檢波；
[0016]數(shù)據(jù)處理模塊，用于將檢波信號經(jīng)過波形調(diào)理和參數(shù)計算；
[0017]輸出模塊，將數(shù)據(jù)處理模塊得到的波形和參數(shù)以圖表的形式進行顯示；
[0018]其中，接收天線、衰減器、變頻器、A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)終端依次串聯(lián)連接；數(shù)據(jù)終端中的接收模塊與A/D轉(zhuǎn)換器連接，接收模塊、軟件檢波模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和輸出模塊依次串聯(lián)連接。
[0019]所述的軟件檢波模塊包括:
[0020]濾波模塊，用于將調(diào)理后的數(shù)字信號中頻帶外的干擾信號進行抑制；
[0021]整流器模塊，用于模擬檢波二極管的單向?qū)ㄗ饔锰幚斫邮盏降臄?shù)字信號；
[0022]二次濾波模塊，用于對整流器模塊處理后的數(shù)字信號中的干擾信號進行二次抑制;
[0023]其中，濾波模塊與接收模塊連接，濾波模塊、整流器模塊和二次濾波模塊依次串聯(lián)連接，二次濾波模塊與數(shù)據(jù)處理模塊連接。
[0024]所述的軟件檢波模塊還包括:
[0025]信號檢測與分析模塊，用于對接收模塊、濾波模塊、整流器模塊和二次濾波模塊的輸出信號進行對比分析，通過調(diào)整各模塊的參數(shù)來優(yōu)化軟件檢波器的整體指標性能；
[0026]其中，接收模塊、濾波模塊、整流器模塊和二次濾波模塊的輸出端均和信號檢測與分析模塊連接。
[0027]所述的數(shù)據(jù)處理模塊包括:
[0028]波形調(diào)理模塊，用于對檢波信號進行降噪、平滑或縮放處理，將軟件檢波后的信號轉(zhuǎn)換為時域包絡(luò)波形；
[0029]參數(shù)計算模塊，用于將檢波電壓幅值換算為輻射場功率參數(shù)、功率密度參數(shù)；
[0030]其中，波形調(diào)理模塊與參數(shù)計算模塊并聯(lián)設(shè)置。
[0031]所述的變頻器為混頻器、分頻器或倍頻器。
[0032]采用基于軟件無線電的高功率微波輻射場測量裝置的測量方法，包括以下步驟:
[0033]I)待測脈沖微波信號由天線接收后，通過衰減器將該待測脈沖微波信號功率降低到變頻器或A/D轉(zhuǎn)換器的處理功率范圍內(nèi)；
[0034]2)當A/D轉(zhuǎn)換器的模擬帶寬是脈沖微波載頻的3倍?5倍以上時，直接進行步驟3)；
[0035]當不滿足A/D轉(zhuǎn)換器的模擬帶寬是脈沖微波載頻的3倍?5倍以上時，利用變頻器對降低功率后的待測脈沖微波信號的載頻進行頻率變換后進行步驟3);
[0036]3)利用A/D轉(zhuǎn)換器將采集的待測脈沖微波信號或通過變頻器進行頻率變換后的待測脈沖微波信號的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；
[0037]4)利用數(shù)據(jù)終端接收數(shù)字信號數(shù)據(jù)并進行軟件檢波，再進行數(shù)據(jù)處理，將軟件檢波后的信號轉(zhuǎn)換為時域包絡(luò)波形，并得到輻射場功率參數(shù)和功率密度參數(shù)，將時域包絡(luò)波形、輻射場功率參數(shù)和功率密度以圖表的形式進行顯示。
[0038]所述的軟件檢波步驟包括以下步驟:
[0039]接收模塊將A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進行調(diào)理，經(jīng)濾波模塊對頻帶外的干擾信號進行抑制，再通過整流器模塊擬檢波二極管的單向?qū)ㄗ饔脗鬏敂?shù)字信號，再經(jīng)過濾波模塊對干擾信號進行二次抑制，軟件檢波后的信號再進行數(shù)據(jù)處理。
[0040]所述的數(shù)據(jù)處理步驟包括以下步驟:
[0041]波形調(diào)理模塊將軟件檢波后的信號通過降噪、平滑或縮放處理后轉(zhuǎn)換為時域包絡(luò)波形；同時參數(shù)計算模塊將軟件檢波得到的電壓信號與靈敏度函數(shù)的關(guān)系計算得到輸入功率，再通過衰減器衰減數(shù)值及天線有效面積參數(shù)進行綜合運算，得到輻射場功率和功率密度。
[0042]所述的軟件檢波步驟還包括以下步驟:
[0043]利用信號檢測與分析模塊對接收模塊、濾波模塊、整流器模塊和二次濾波模塊輸出信號進行對比分析，對各模塊輸入和輸出波形幅值、邊沿時間和波形畸變進行對比，通過調(diào)整各模塊的參數(shù)來優(yōu)化軟件檢波器的整體指標性能。
[0044]所述的變頻器、A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)終端在用于輻射場測量之前，需要進行靈敏度和響應(yīng)時間參數(shù)的測試，該測試利用信號源模擬待測脈沖微波信號，及功率計對進入變頻器前端的功率進行監(jiān)測，通過對變頻器輸入功率和數(shù)據(jù)終端輸出的檢波電壓數(shù)據(jù)擬合得到靈敏度函數(shù)關(guān)系。
[0045]相對與現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明有以下優(yōu)點:
[0046]本發(fā)明一種基于軟件無線電的高功率微波輻射場測量裝置，利用A/D轉(zhuǎn)換器將待測脈沖微波信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過軟件實現(xiàn)濾波、檢波、數(shù)據(jù)處理等功能，無需硬件的濾波器和檢波器即可獲得待測脈沖微波功率值和波形參數(shù)。該測量裝置可以有效改善因硬件檢波器性能改變對功率測量結(jié)果的影響，適用于信號動態(tài)范圍大、邊沿時間快、環(huán)境溫度變化較大、重復(fù)穩(wěn)定性要求高的外場高功率微波精確測量。
[0047](I)動態(tài)范圍大。目前常用的商用檢波器靈敏度動態(tài)范圍在20dB以內(nèi)，軟件檢波器接收功率范圍-20dBm?lOdBm，動態(tài)范圍約30dB。一般硬件檢波器靈敏度動態(tài)范圍取決于檢波二極管的輸入功率、擊穿功率、輸出效率、電路結(jié)構(gòu)等參數(shù)，而軟件檢波器靈敏度動態(tài)范圍僅取決于其前端硬件的性能，與其自身參數(shù)性能無關(guān)，可以實現(xiàn)寬動態(tài)范圍。
[0048](2)邊沿時間快。硬件檢波器響應(yīng)時間，約3ns，軟件檢波信號波形，基本貼合原始信號包絡(luò)，響應(yīng)時間〈Ins。一般硬件檢波器的響應(yīng)時間取決于檢波二極管及電路設(shè)計性能，目前商用檢波器實測最快響應(yīng)時間約2ns。
[0049](3)性能穩(wěn)定。作為一種半導(dǎo)體器件，硬件檢波器性能易受環(huán)境溫度的影響，并且穩(wěn)定性隨著使用時間增加而逐漸變化。軟件檢波器中的濾波器、整流器及連接端口等的性能參數(shù)只與設(shè)計算法有關(guān)，不涉及硬件性能，不受溫度變化影響，重復(fù)穩(wěn)定性高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0050]圖1為常用的高功率微波輻射場測量裝置組成框圖；
[0051]圖2為基于軟件無線電的高功率微波輻射場測量裝置組成框圖；
[0052]圖3為數(shù)據(jù)終端的內(nèi)部模塊連接圖；
[0053]圖4為軟件檢波器在中低功率的測試框圖；
[0054]圖5為基于軟件無線電的輻射場測量裝置典型波形，圖5a為待測脈沖微波檢波波形圖，圖5b為軟件檢波波形圖；
[0055]圖6a為硬件檢波器的靈敏度函數(shù)曲線，圖6b為軟件檢波器靈敏度函數(shù)曲線；
[0056]圖7a為硬件檢波器的響應(yīng)時間圖形；圖7b為軟件檢波器的響應(yīng)時間圖形；
[0057]圖8為硬件檢波器的溫度特性。
【具體實施方式】
[0058]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】，對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0059]參見圖1為現(xiàn)有技術(shù)中常用的高功率微波輻射場測量裝置，該裝置主要由接收天線、衰減環(huán)節(jié)、檢波器、示波器等組成。
[0060]參見圖2為本發(fā)明基于軟件無線電的高功率微波輻射場測量裝置，該裝置主要由接收天線、衰減環(huán)節(jié)、變頻器、數(shù)據(jù)終端等組成。圖3為數(shù)據(jù)終端(計算機、DSP等)的內(nèi)部模塊，包括軟件檢波器和數(shù)據(jù)處理器，軟件檢波器主要由數(shù)據(jù)接收模塊、輸入濾波模塊、整流模塊、輸出濾波模塊、信號檢測及分析模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊等組成；數(shù)據(jù)處理器包括波形調(diào)理模塊和參數(shù)計算模塊。接收天線，用于接收待測脈沖微波信號；衰減器，用于將待測微波信號的功率降低到變頻器或A/D轉(zhuǎn)換器的處理功率范圍內(nèi)；變頻器，用于對待測微波信號的載頻進行頻率變換；A/D轉(zhuǎn)換器，于將待測微波信號的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；數(shù)據(jù)終端，用于對數(shù)字信號進行軟件檢波和數(shù)據(jù)計算，包括:接收模塊，用于接收A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號并進行調(diào)理；軟件檢波模塊用于接收數(shù)字信號數(shù)據(jù)并進行軟件檢波；數(shù)據(jù)處理模塊用于將檢波信號經(jīng)過波形調(diào)理和參數(shù)計算后，將波形和參數(shù)以圖表的形式進行顯示；輸出模塊，輸出波形調(diào)理模塊處理后的檢波信號圖和參數(shù)計算模塊計算得到的輻射場功率參數(shù)和功率密度參數(shù)；接收天線、衰減環(huán)節(jié)、變頻器、A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)終端依次串聯(lián)連接；數(shù)據(jù)終端中的接收模塊與A/D轉(zhuǎn)換器電連接，接收模塊、軟件檢波模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和輸出模塊依次串聯(lián)連接。
[0061]軟件檢波模塊包括:濾波模塊，用于將調(diào)理后的數(shù)字信號中頻帶外的干擾信號進行抑制；整流器模塊，用于模擬檢波二極管的單向?qū)ㄗ饔锰幚斫邮艿降臄?shù)字信號；二次濾波模塊，用于對整流器模塊處理后的數(shù)字信號中的干擾信號進行二次抑制；濾波模塊與接收模塊連接，濾波模塊、整流器模塊和二次濾波模塊依次串聯(lián)連接，二次濾波模塊與數(shù)據(jù)處理模塊連接。
[0062]軟件檢波模塊還包括:信號檢測與分析模塊，用于對接收模塊、濾波模塊、整流器模塊和二次濾波模塊的輸出信號進行對比分析，通過調(diào)整各模塊的參數(shù)來優(yōu)化軟件檢波器的整體指標性能；接收模塊、濾波模塊、整流器模塊和二次濾波模塊的輸出端均與信號檢測與分析模塊連接。
[0063]數(shù)據(jù)處理模塊包括:波形調(diào)理模塊，用于對檢波信號進行降噪、平滑或縮放等處理，將軟件檢波后的信號轉(zhuǎn)換為時域包絡(luò)波形；參數(shù)計算模塊，用于將檢波電壓幅值換算為輻射場功率參數(shù)、功率密度參數(shù)；軟件檢波模塊的二次濾波模塊輸出分成兩路分別與波形調(diào)理模塊和參數(shù)計算模塊連接，波形調(diào)理模塊和參數(shù)計算模塊的輸出均與輸出模塊連接。
[0064]其中，整流器模塊用于模擬檢波二極管的作用是整流，即正向?qū)?，反向截止，使輸入信號只有正電壓可以通過。檢波二極管后端的電容和電阻，組成了 RC濾波器，將泄漏的高頻信號進行濾除，得到信號包絡(luò)電壓，同時RC電路也有調(diào)整輸出幅值的作用。
[0065]利用MATLAB和Simulink設(shè)計的軟件檢波器結(jié)構(gòu)。示波器采集到的波形數(shù)據(jù)輸入到程序中，程序就先后通過高通濾波，濾除低頻干擾信號，然后對信號進行整流，整流后的信后在饋入低通濾波器濾除高頻噪聲后輸出，得到檢波電壓。高通濾波器采用Butterworth型，截止頻率0.5GHz，阻帶損耗30dB，通帶內(nèi)插損起伏0.0ldB。整流就是使正向?qū)?、反向截止，在軟件檢波器中使用絕對值功能來代替。整流后的信號進入低通濾波器，低通濾波器也采用Butterworth型，截止頻率IGHz，通帶內(nèi)插損起伏0.0ldB，阻帶1.3GHz?25GHz，阻帶損耗30dB。
[0066]本發(fā)明的基本原理:在衰減環(huán)節(jié)后設(shè)置一個變頻器，該變頻器(混頻、分頻、倍頻等)將輸入信號頻率變換到A/D轉(zhuǎn)換器可準確采集的頻率范圍內(nèi)，A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號變換為數(shù)字信號，利用數(shù)據(jù)處理終端(計算機、DSP等)對數(shù)字信號進行軟件檢波。軟件無線電的基本思想是將寬帶的A/D轉(zhuǎn)換器盡可能地靠近射頻天線，在最大程度上通過軟件來實現(xiàn)通信系統(tǒng)的各種功能。本發(fā)明將待測脈沖微波信號利用寬帶的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，利用設(shè)計的軟件來實現(xiàn)信號的濾波、檢波、數(shù)據(jù)處理等功能，這樣可以在避免檢波器硬件性能差異的同時可以方便地實現(xiàn)待測脈沖微波功率、脈沖寬度等參數(shù)的測量。同時由于系統(tǒng)中傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，既提高了抗干擾能力，又降低了系統(tǒng)電磁防護設(shè)計的難度。在待測脈沖微波信號后采用寬帶的A/D轉(zhuǎn)換器(或?qū)拵Ц咚偈静ㄆ?實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，為了降低A/D轉(zhuǎn)換器的性能要求，可以在A/D轉(zhuǎn)換器前接入變頻器。
[0067]本發(fā)明基于軟件無線電的高功率微波輻射場測量方法基本工作步驟如下:
[0068]I)高功率微波信號由天線接收以后，衰減環(huán)節(jié)將信號功率水平降低到中低功率，即降低到變頻器或A/D轉(zhuǎn)換器的處理功率范圍內(nèi)。
[0069]2)變頻器對高功率微波的載頻進行頻率變換，便于開展A/D變換。
[0070]3)A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。
[0071]4)利用數(shù)據(jù)終端接收數(shù)字信號數(shù)據(jù)并進行軟件檢波，再進行數(shù)據(jù)處理，將軟件檢波后的信號轉(zhuǎn)換為時域包絡(luò)波形，并得到輻射場功率參數(shù)和功率密度參數(shù)，將時域包絡(luò)波形、輻射場功率參數(shù)和功率密度以圖表的形式進行顯示。
[0072]其中，軟件檢波步驟具體為:接收模塊將A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進行調(diào)理，經(jīng)濾波模塊對頻帶外的干擾信號進行抑制，再通過整流器模擬檢波二極管的單向?qū)ㄗ饔脗鬏敂?shù)字信號，再經(jīng)過濾波模塊對干擾信號進行二次抑制，軟件檢波后的信號再進行數(shù)據(jù)處理。為了保證軟件檢波的正常運作，利用信號檢測與分析模塊對接收模塊、濾波模塊、整流器模塊和二次濾波模塊輸出信號進行對比分析，對各模塊輸入和輸出波形幅值、邊沿時間、波形畸變進行對比，通過調(diào)整各模塊的參數(shù)來優(yōu)化軟件檢波器的整體指標性能。
[0073]其中，數(shù)據(jù)處理步驟具體為:波形調(diào)理模塊將軟件檢波后的信號通過降噪、平滑或縮放處理后轉(zhuǎn)換為時域包絡(luò)波形；同時參數(shù)計算模塊將軟件檢波得到的電壓信號與靈敏度函數(shù)的關(guān)系計算得到輸入功率，再通過衰減環(huán)節(jié)衰減數(shù)值及天線有效面積參數(shù)進行綜合運算，得到輻射場功率和功率密度。
[0074]待測脈沖微波信號功率與電壓幅值的靈敏度函數(shù)關(guān)系，按照公式(I)進行計算:
[0075]P0= f (U)........................(I)
[0076]式中:
[0077]P0——檢波器輸入功率，W ；
[0078]U 檢波電壓幅值，V ;
[0079]f()——檢波器輸入功率與輸出電壓函數(shù)關(guān)系。
[0080]天線接收到的功率和口面處的輻射場功率密度按照公式(2)、(3)進行計算:
[0081]P1=P0A1........................(2)
[0082]P2= P1Ae........................(3)
[0083]式中:
[0084]P0——檢波器輸入功率，W ；
[0085]P1 天線接收功率，W ；
[0086]P2——功率密度，ff/m2；
[0087]a 通路發(fā)減因子，a〈l ;
[0088]Ae 天線有效接收面積，m2;
[0089]另外，(1)A/D轉(zhuǎn)換器由單獨的A/D電路或示波器實現(xiàn)，當A/D轉(zhuǎn)換器的模擬帶寬是脈沖微波載頻的3倍?5倍以上時，可以直接對脈沖微波信號進行采集，而不用變頻器。
[0090](2)軟件檢波器與硬件檢波器一樣，在用于輻射場測量之前，也需要與前端的變頻器、A/D轉(zhuǎn)換器整體進行靈敏度、響應(yīng)時間等參數(shù)的測試，測試在中低功率下開展，如圖4所示。該測試利用信號源模擬待測脈沖微波信號，及功率計對進入變頻器前端的功率進行監(jiān)測，通過對變頻器輸入功率和數(shù)據(jù)終端輸出的檢波電壓數(shù)據(jù)擬合得到靈敏度函數(shù)關(guān)系，即:P0= f(U)。
[0091]對本發(fā)明基于軟件無線電的高功率微波輻射場測量裝置測試結(jié)果及分析:
[0092]參見圖4，對本發(fā)明的裝置按照測試方法進行測試，利用微波信號源E8257D產(chǎn)生
1.57GHz，脈寬Ius的信號，用TEK70604帶寬6GHz的示波器進行數(shù)據(jù)采集，利用設(shè)計的軟件檢波器進行檢波；
[0093]信號源設(shè)置:E8257D，1.57GHz，脈寬 lus，周期 2us，幅度-1OdBm ?15dBm，以 0.2dB步進。示波器設(shè)置:DP070604，6GHz，25GS/s，200ns/div，存儲 100000 點。
[0094]示波器采集信號波形和軟件檢波器檢波波形，圖5a為待測脈沖微波檢波波形圖，圖5b為軟件檢波波形圖。
[0095]對比圖6a和圖6b，可以看出，目前常用的商用檢波器靈敏度動態(tài)范圍在20dB以內(nèi)，軟件檢波器接收功率范圍_20dBm?lOdBm，達到30dB。軟件檢波器靈敏度測試結(jié)果，輸入功率-20dBm?1dBm時，輸出幅值1mV?700mV。一般硬件檢波器靈敏度動態(tài)范圍取決于檢波二極管的輸入功率、擊穿功率、輸出效率、電路結(jié)構(gòu)等參數(shù)，而軟件檢波器靈敏度動態(tài)范圍僅取決于其前端硬件的性能，與其自身參數(shù)性能無關(guān)，可以實現(xiàn)寬動態(tài)范圍。
[0096]對比圖7a和圖7b，可以看出，圖7a為硬件檢波器響應(yīng)時間，約3ns。圖7b為軟件檢波信號波形，基本貼合原始信號包絡(luò)，響應(yīng)時間〈Ins。一般硬件檢波器的響應(yīng)時間取決于檢波二極管及電路設(shè)計性能，目前商用檢波器實測最快響應(yīng)時間約2ns。
[0097]參見圖8所示，作為一種半導(dǎo)體器件，硬件檢波器性能易受環(huán)境溫度的影響，并且穩(wěn)定性隨著使用時間增加而逐漸變化。軟件檢波器中的濾波器、整流器及連接端口等的性能參數(shù)只與設(shè)計算法有關(guān)，不涉及硬件性能，不受溫度變化影響，重復(fù)穩(wěn)定性高。
[0098]因此，本發(fā)明裝置可以有效改善因硬件檢波器性能改變對功率測量結(jié)果的影響，適用于信號動態(tài)范圍大、邊沿時間快、環(huán)境溫度變化較大、重復(fù)穩(wěn)定性要求高的外場高功率微波精確測量。發(fā)明設(shè)計的L波段軟件檢波器，靈敏度動態(tài)范圍約30dB，檢波電壓1mV?700mV，響應(yīng)時間小于1ns，重復(fù)性和穩(wěn)定性高，不受溫度和環(huán)境電磁干擾影響。
[0099]最后應(yīng)說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。
【權(quán)利要求】
1.一種基于軟件無線電的高功率微波輻射場測量裝置，其特征在于:包括: 接收天線，用于接收待測脈沖微波信號； 衰減器，用于將待測微波信號的功率降低； 變頻器，用于對待測微波信號的載頻進行頻率變換； A/D轉(zhuǎn)換器，用于將待測微波信號的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號； 數(shù)據(jù)終端，用于對數(shù)字信號進行軟件檢波和數(shù)據(jù)計算，包括: 接收模塊，用于接收A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號并進行調(diào)理； 軟件檢波模塊，用于接收數(shù)字信號數(shù)據(jù)并進行軟件檢波； 數(shù)據(jù)處理模塊，用于將檢波信號經(jīng)過波形調(diào)理和參數(shù)計算； 輸出模塊，將數(shù)據(jù)處理模塊得到的波形和參數(shù)以圖表的形式進行顯示； 其中，接收天線、衰減器、變頻器、A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)終端依次串聯(lián)連接；數(shù)據(jù)終端中的接收模塊與A/D轉(zhuǎn)換器連接，接收模塊、軟件檢波模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和輸出模塊依次串聯(lián)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于軟件無線電的高功率微波輻射場測量裝置，其特征在于:所述的軟件檢波模塊包括: 濾波模塊，用于將調(diào)理后的數(shù)字信號中頻帶外的干擾信號進行抑制； 整流器模塊，用于模擬檢波二極管的單向?qū)ㄗ饔锰幚斫邮盏降臄?shù)字信號； 二次濾波模塊，用于對整流器模塊處理后的數(shù)字信號中的干擾信號進行二次抑制；其中，濾波模塊與接收模塊連接，濾波模塊、整流器模塊和二次濾波模塊依次串聯(lián)連接，二次濾波模塊與數(shù)據(jù)處理模塊連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于軟件無線電的高功率微波輻射場測量裝置，其特征在于:所述的軟件檢波模塊還包括: 信號檢測與分析模塊，用于對接收模塊、濾波模塊、整流器模塊和二次濾波模塊的輸出信號進行對比分析，通過調(diào)整各模塊的參數(shù)來優(yōu)化軟件檢波器的整體指標性能； 其中，接收模塊、濾波模塊、整流器模塊和二次濾波模塊的輸出端均和信號檢測與分析模塊連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于軟件無線電的高功率微波輻射場測量裝置，其特征在于:所述的數(shù)據(jù)處理模塊包括: 波形調(diào)理模塊，用于對檢波信號進行降噪、平滑或縮放處理，將軟件檢波后的信號轉(zhuǎn)換為時域包絡(luò)波形； 參數(shù)計算模塊，用于將檢波電壓幅值換算為輻射場功率參數(shù)、功率密度參數(shù)； 其中，波形調(diào)理模塊與參數(shù)計算模塊并聯(lián)設(shè)置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于軟件無線電的高功率微波輻射場測量裝置，其特征在于:所述的變頻器為混頻器、分頻器或倍頻器。
6.一種采用權(quán)利要求1所述的基于軟件無線電的高功率微波輻射場測量裝置的測量方法，其特征在于:包括以下步驟: 1)待測脈沖微波信號由天線接收后，通過衰減器將該待測脈沖微波信號功率降低到變頻器或A/D轉(zhuǎn)換器的處理功率范圍內(nèi)； 2)當A/D轉(zhuǎn)換器的模擬帶寬是脈沖微波載頻的3倍?5倍以上時，直接進行步驟3); 當不滿足A/D轉(zhuǎn)換器的模擬帶寬是脈沖微波載頻的3倍?5倍以上時，利用變頻器對降低功率后的待測脈沖微波信號的載頻進行頻率變換后進行步驟3); 3)利用A/D轉(zhuǎn)換器將采集的待測脈沖微波信號或通過變頻器進行頻率變換后的待測脈沖微波信號的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號； 4)利用數(shù)據(jù)終端接收數(shù)字信號數(shù)據(jù)并進行軟件檢波，再進行數(shù)據(jù)處理，將軟件檢波后的信號轉(zhuǎn)換為時域包絡(luò)波形，并得到輻射場功率參數(shù)和功率密度參數(shù)，將時域包絡(luò)波形、輻射場功率參數(shù)和功率密度以圖表的形式進行顯示。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于軟件無線電的高功率微波輻射場測量方法，其特征在于:所述的軟件檢波步驟包括以下步驟: 接收模塊將A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進行調(diào)理，經(jīng)濾波模塊對頻帶外的干擾信號進行抑制，再通過整流器模塊擬檢波二極管的單向?qū)ㄗ饔脗鬏敂?shù)字信號，再經(jīng)過濾波模塊對干擾信號進行二次抑制，軟件檢波后的信號再進行數(shù)據(jù)處理。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于軟件無線電的高功率微波輻射場測量方法，其特征在于:所述的數(shù)據(jù)處理步驟包括以下步驟: 波形調(diào)理模塊將軟件檢波后的信號通過降噪、平滑或縮放處理后轉(zhuǎn)換為時域包絡(luò)波形；同時參數(shù)計算模塊將軟件檢波得到的電壓信號與靈敏度函數(shù)的關(guān)系計算得到輸入功率，再通過衰減器衰減數(shù)值及天線有效面積參數(shù)進行綜合運算，得到輻射場功率和功率密度。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于軟件無線電的高功率微波輻射場測量方法，其特征在于:所述的軟件檢波步驟還包括以下步驟: 利用信號檢測與分析模塊對接收模塊、濾波模塊、整流器模塊和二次濾波模塊輸出信號進行對比分析，對各模塊輸入和輸出波形幅值、邊沿時間和波形畸變進行對比，通過調(diào)整各模塊的參數(shù)來優(yōu)化軟件檢波器的整體指標性能。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于軟件無線電的高功率微波輻射場測量方法，其特征在于:所述的變頻器、A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)終端在用于輻射場測量之前，需要進行靈敏度和響應(yīng)時間參數(shù)的測試，該測試利用信號源模擬待測脈沖微波信號，及功率計對進入變頻器前端的功率進行監(jiān)測，通過對變頻器輸入功率和數(shù)據(jù)終端輸出的檢波電壓數(shù)據(jù)擬合得到靈敏度函數(shù)關(guān)系。
【文檔編號】G01R29/08GK104459348SQ201410834231
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月27日
【發(fā)明者】景洪, 田彥民, 李治國, 楊猛 申請人:中國人民解放軍63655部隊