一种基于微波热声的高功率微波电场强度测量系统与测量方法

本发明属于高功率微波测试，具体涉及一种基于微波热声的高功率微波电场强度测量系统与测量方法。

背景技术：

1、高功率微波是一种强电磁脉冲波，其具有脉冲持续时间短(一般为几十ns)、脉冲形状不规则、峰值功率高(mw量级及以上)等特点。随着微波技术领域的不断发展，高功率微波的应用也逐渐增多，迫切需要及时检测高功率微波的各项特性，因此，对高功率微波电场的强度进行测量的需求日益升高。

2、目前测试高功率微波电场强度的常用方法包括辐射场测量方法、峰值检波法等。辐射场测量方法是利用红外摄像机拍摄从波导末端发射的微波的辐射轮廓图像，其提出了对超大波导中的场分布进行分析的方法，但该测量系统无法标定，因此该热成像的方式并不能量化场强大小。峰值检波法采用矩形波导作为导波系统，在波导上设两个探针分别进行检波，并将信号叠加，接收器用易于与矩形波导匹配及连接的角锥喇叭天线。该方法能够有效减小误差，压制噪声，但应用环境有限制，无法测试金属波导以外的导波系统内电场。当其导波系统不采用金属波导如使用同轴线时，则难以解决匹配、连接和泄露问题，增大测量误差。

3、除此之外，上述两种测量方法均需要将大功率电场衰减为小功率后才能测量，而衰减器件在大功率环境下存在非线性特性，具有较高的不确定性，，无法实现高功率微波的直接测量。因此急需寻找一种新的高功率微波电场强度的直接测量方法。

技术实现思路

1、针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于微波热声的高功率微波电场强度测量系统与测量方法。该装置基于微波热声效应的理论基础，利用重入式同轴谐振腔在低功率标准信号源下，构建高功率微波标准场环境，设计测试热声探头从而实现量化测量，同时构建校准曲线，基于标准曲线实现对电场强度的准确测量。该装置具有广泛的应用前景，对于高功率微波诊断的研究具有重要意义。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种基于微波热声的高功率微波电场强度测量系统，包括微波热声探头和校准装置；所述微波热声探头由上大下小的试管、耦合液和超声波探头组成；其中，耦合液包括发生热声效应激发超声波信号的吸收介质和用于传导超声波的耦合介质，耦合液装载于试管内，吸收介质和耦合介质不互溶且吸收介质的密度大于耦合介质的密度；超声波探头设置于耦合介质内；

4、所述校准装置包括重入式同轴谐振腔、示波器、检波器、耦合器、低噪声放大器、功率放大器、信号源和计算机；所述计算机用于控制信号源产生脉冲信号，所述脉冲信号经功率放大器放大后输入至耦合器输入端，耦合器的耦合端与检波器相连、隔离端与负载相连、直通端与重入式同轴谐振腔输入接头相连，用于将高功率脉冲微波信号馈入到谐振腔中，检波器的另一端与示波器的一端相连，示波器的另一端经低噪声放大器与超声波探头相连，微波超声波探头中试管较小一端放置于重入式同轴谐振腔的电容端电场最强处，微波热声探头产生的电压信号经低噪声放大器放大后在示波器显示，同时示波器也显示经检波器处理过的信号。

5、进一步地，吸收介质的材料用于吸波，需要高损耗，产生超声波信号，因此其损耗角正切值需要大于1，优选为酱油；耦合介质用于传输超声波信号，需要低损耗，因此其损耗角正切值需小于0.1，优选为压器油。

6、进一步地，试管尺寸较小的下部分的直径越小越好，优选为1-2mm；试管尺寸较大的上部分的直径应使超声波探头放置于其内时不与试管壁接触。

7、进一步地，所述高功率微波信号的输入功率为16-36dbm。

8、进一步地，所述重入式同轴谐振腔的包括外导体、内导体、上顶面和下底面，内导体和外导体同轴且内导体高度小于外导体高度，内导体和外导体一端齐平，且与下底面固定连接，为重入式腔的短路端，外导体另一端与上顶面固定连接，为重入式腔的电容端；上顶面中心设置垂直贯穿的圆孔；外导体侧壁竖直方向上设置两个径向的耦合通孔，其中一个耦合孔用于放置第一耦合探针激励产生谐振，另一个耦合孔用于放置第二耦合探针接收装置。

9、进一步地，所述高功率微波电场强度测量系统还包括位移装置，所述位移装置用于移动微波热声探头，使其位于重入式同轴谐振腔的腔内不同深度。

10、进一步地，所述位移装置包括支撑台、试管升降台、光轴、光栅尺、顶盖、位移平台加载块和位移平台；所述支撑台为水平支撑平板，其四角各设置一根光轴，光轴上从上至下依次设置与支撑台平行的顶盖和试管升降台，所述试管升降台与微波热声探头中石英玻璃试管的边缘固定连接，通过试管升降台在光轴上的上下移动从而带动微波热声探头在重入式同轴谐振腔的腔内的不同深度；光栅尺和位移加载块的两端分别与支撑台和顶盖固定连接，使支撑台与顶盖之间的高度距离固定，位移平台的两固定面分别与位移加载块和试管升降台连接；所述光栅尺用于确定微波热声探头伸入重入式同轴谐振腔的腔内的具体深度，通过调节位移平台从而调整试管升降台在光轴上的位置；

11、支撑台固定设置于重入式同轴谐振腔的电容端上，支撑台平面中心设置通孔，便于石英玻璃试管的移动。

12、进一步地，所述位移装置还包括试管压块，所述试管压块固定设置于试管升降平台表面，用于将石英玻璃试管与试管升降台连接更稳定，且试管压块中心设置圆孔，便于向试管内放入超声波探头和添加耦合液。

13、进一步地，所述重入式同轴谐振腔壳体内壁抛光镀银，以提升谐振腔品质因数。

14、进一步地，重入式同轴谐振腔工作频率为2.45ghz，工作模式为tem004模；超声波探头的工作频率为25khz-2mhz。

15、本发明还提供一种基于上述高功率微波电场强度测量系统的测量方法，包括以下步骤：

16、步骤1、根据实际场强测试的需求配置校准系统：用矢量网络分析仪读取试管中较小一端放置于重入式同轴谐振腔电容端的通孔后的谐振频率，然后改变重入式同轴谐振腔上耦合探针伸入腔内的深度，使s11参数小于-20db，再将重入式同轴谐振腔与校准装置中的耦合器连接，在计算机上设置信号源，使其产生的脉冲信号频率与谐振频率相同；

17、步骤2、绘制校准曲线，具体过程为：

18、步骤2.1.读取检波器的电压值，基于电压值获取输入功率pin，再通过重入式谐振腔模型把输入功率转换为电场强度值e0，同时记录读取超声波的电压值v0；

19、电场强度与输入功率的具体计算公式为：

20、

21、其中，qc为重入式同轴谐振腔腔体对应模式的品质因数，pin为输入功率，ω0为工作角频率，w为重入式谐振腔的腔体储能，通过场分布在对应体积内积分得到：

22、

23、式中，εr为重入式谐振腔填充的介质的相对介电常数，ε0为真空中的介电常数，为腔体纵向方向的电场强度矢量，为为腔体半径方向的电场强度矢量，v为腔体体积；

24、步骤2.2.调整功率放大器的增益，进而调整重入式同轴谐振腔的输入功率，实现腔内电场强度值的改变；通过步进放大器增益，覆盖所需校准的电场强度范围，记录所有的e0(n)和v0(n)；

25、步骤2.3.基于所有的e0(n)和v0(n)，绘制横坐标为e、纵坐标为v的校准曲线；

26、步骤3、将微波热声探头取出，然后将其内径较小一端放置于待测微波电场环境内，测量记录超声波探头传输的超声信号，然后将超声信号转换为电压值v1，通过校准曲线即可得到电压v1对应的电场强度，即为所需的电场强度。

27、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

28、1.本发明采用谐振法提供高功率微波环境，与传输法相比，微波在谐振腔内呈驻波状态，具有更高的电场强度。本发明测量系统选用重入式同轴谐振腔，因其在电容端电场集中、场强均匀，比矩形谐振腔更有优势，在低功率输入下，能够直接形成高场强。除此之外，基于低功率的源比hpm(高功率微波)的源更稳定，因此，相对于天线直接辐射hpm场，具有更好的稳定性。

29、2.相较于常规的微波测量方式需要将大功率电场衰减为小功率电场后进行测量，无法直接测量高功率微波；本发明微波热声探头直接插入到待测强电场中，并产生超声波信号，因此能够直接测量hpm场，同样，也能在标准hpm场环境下直接校准，避免了由多级衰减器引入的误差，实现了测试hpm场准确性的提升。