CN102508043A - 行波管慢波系统色散特性的自动化测试系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种行波管慢波系统色散特性的自动化测试系统及其方法，包括测试工作台及其伺服控制系统、矢量网络分析仪和内设测试软件的工控机；测试工作台上设置有固定架和滑动圆盘；固定架上固定设置有螺旋线慢波系统和能量耦合器；滑动圆盘上设置有测量探针；能量耦合器、测量探针均与矢量网络分析仪相连接；矢量网络分析仪和伺服控制系统均与工控机相连接。通过工控机内设的测试软件对获得的数据进行分析和处理，获得多个参数之间的关系图，进而分析可得慢波系统色散特性，可重复测量验证其测量结果的可靠性。本发明的自动化测试系统及其方法，具有可提高波系统色散特性的测试准确度和精确度、节省人力物力等效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种自动化测试系统及其方法，尤其是一种行波管慢波系统色散特性的自动化测试系统及其方法。
背景技术
行波管是靠连续调制电子注的速度来实现放大功能的微波电子管。行波管的慢波系统是行波管的核心部件，它将电磁波的相速变慢，使其降到和电子束的运动速度基本相同，让电子和电磁波充分交换能量，实现信号放大。色散特性表征电磁波的相速vp与频率f(或波长λ)之间的关系，是慢波系统的重要特性参量，对实际研究工作有着重要的指导意义。但是，这种直接表示电磁波相速vp与频率f(或波长λ)的关系有时并不是很方便，这种表示方法不能直接得出波的群速vg与波长λ之间的关系，也不能了解群速vg与相速vp之间的关系，为了更加直观的表述，这里色散特性采用布里渊图的表示方法，表示为相移β和频率f之间的关系。
测量慢波系统的色散特性首先所要面临的困难是探测装置本身对慢波结构特性的影响，所以如何尽量排除各种误差，保证测量的精度，提高测量的可信赖性，就成了亟待解决的难题。传统测试系统，通过手动调整的方式来调整探头的位置，调整的过程中容易引起探针位置的偏移和定位不准，不断移动测量给后续计算带来相当大的累计误差。要得出相移β和频率f曲线需要大量的数据，单次移动距离越短，测量点数越多，测试结果越精确，而传统测试系统无法保证这样的数据量，从而得出的结果不精确。
发明内容
本发明是为避免上述已有技术中存在的不足之处，提供一种行波管慢波系统色散特性的自动化测试系统及其方法，以解决现有测试系统测量结果不精确的问题。
本发明为解决技术问题采用以下技术方案。
行波管慢波系统色散特性的自动化测试系统，其结构特点是，包括测试工作台及其伺服控制系统、矢量网络分析仪和内设测试软件的工控机；所述测试工作台的台面一端固定设置有与所述测试工作台固定连接的固定架，测试工作台的台面另一端固定设置有可在测试工作台上滑动的滑动圆盘；所述固定架上固定设置有螺旋线慢波系统和能量耦合器；所述滑动圆盘上设置有测量探针，所述测量探针的一端固定于所述滑动圆盘上，所述测量探针的另一端作为测量探头插入所述慢波系统的螺旋线所围成的圆柱形空腔之内；所述能量耦合器通过第一电缆与所述矢量网络分析仪的测试信号输出端口相连接；所述测量探针通过第二电缆与所述矢量网络分析仪的测量信号输入端口相连接；所述矢量网络分析仪和伺服控制系统均与工控机相连接。
本发明的自动化测试系统的结构特点也在于：
所述测量探针包括六角螺帽形的标准接头、圆筒形铜制外壳、绝缘层、衰减镀层和金属内芯；所述圆筒形铜制外壳的第一端与标准接头相固定连接，所述金属内芯设于所述圆筒形铜制外壳的内腔之中，所述绝缘层设置于所述金属内芯与圆筒形铜制外壳之间；所述衰减镀层设置于所述圆筒形铜制外壳远离标准接头的第二端的外周面上；所述金属内芯的端部伸出圆筒形铜制外壳和绝缘层之外2mm～5mm。
本发明还提供了一种测试方法，其操作步骤如下：
a.对位于测试工作台两端的固定架和滑动圆盘的中心进行校准，使得固定架和滑动圆盘的中心线位于同一条水平直线上；将慢波系统和测量探针分别固定于所述固定架和滑动圆盘之上；将测量探针伸入至所述慢波系统的螺旋线所围成的圆柱形空腔之内，使得测量探针的测量探头位于所需测量之处；
b.启动工控机，接通测试工作台的伺服控制系统的电源，工控机通过其内部设置的多轴运动控制卡向伺服控制系统的伺服电机发出控制信号，由伺服控制系统的伺服电机驱动测试工作台；
c.运行工控机内设置的测试软件，由测试软件导入校准文件；
d.通过测试软件选择相位及幅值测量，设置伺服控制系统的控制参数；控制参数包括电机步进长度及步进次数、电延时及平滑度等；
e.滑动圆盘在伺服电机的驱动下在测试工作台上移动，使得测量探针沿着慢波系统的螺旋线的轴向移动；测量探针每到达一个位置，工控机通知矢量网络分析仪进行该位置的相位及幅值的测量；
f.每次测量完成后，矢量网络分析仪将测量数据传送给工控机，工控机接收数据并存储，由工控机内的测试软件对获得的数据进行分析和处理，获得慢波系统的色散特性参数；
g.不断地移动滑动圆盘，重复步骤d～步骤f，在多个位置进行多次进行相位及幅值测量，获得多组色散特性参数，将获得的几组慢波系统的色散特性进行比较，并绘制色散特性曲线，若所获得的色散特性曲线非常接近，将几组数据取平均数，获得准确可靠的色散数据；若获得的曲线有偏离现象，则重新进行测试系统的校准、测量。
在所述步骤e中，所述行波管慢波系统色散特性的自动化测试系统的测试信号由矢量网络分析仪发出，通过测试信号输出端口馈入第一电缆，再经能量耦合器传入到螺旋线慢波系统；深入螺旋线慢波系统的测量探针进行该位置的相位及幅值的测量，测量探针将测量信号经过第二电缆馈入矢量网络分析仪的测量信号输入端口。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
(1)本发明的行波管慢波系统色散特性的自动化测试中，由于采用伺服控制系统，测试工作台每进给0.01mm，其定位误差都能控制在2μm以内，而传统的测试系统无法进行进给0.01mm的精确测量，本发明有效地减弱了定位不准确给测量带来的误差，提高了慢波系统色散特性的测量准确度。
(2)本发明的自动化测试系统及其方法，可全程记录每个位置点、每个频点的相位值，给出色散图，便于查找数据异常点，同时进行数据筛选，要精确得出连续的相移β和频率f曲线，大约需要记录100至1000个位置点的相位数据，每个位置点包含至少200个频点的数据，从而提高了测量的精确度。而传统的测试方法仅靠人力物力，记录有限的数据，无法得到精确的数据结果。
(3)本发明由工控机内的测试软件控制整个测试过程并进行后续的数据处理，节省了大量的人力，并严格控制各种误差，保证测量的精度，提高测量的可信赖性，适用于慢波系统色散特性的测量。
本发明的自动化测试系统及其方法，具有可提高波系统色散特性的测试准确度和精确度、节省人力物力等效果。
附图说明
图1为本发明的测试系统的结构框图。
图2为本发明的测试系统的测量探针的结构示意图。
图3为本发明的测试系统的测试软件的主菜单示意图。
附图1～附图2中标号：1测试工作台，2伺服控制系统，3矢量网络分析仪，4工控机，5固定架，6滑动圆盘，7慢波系统，71螺旋线，8能量耦合器，9测量探针，91标准接头，92铜制外壳，93绝缘层，94衰减镀层，95金属内芯，10第一电缆，11第二电缆。
以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明。
具体实施方式
参见图1～图2，行波管慢波系统色散特性的自动化测试系统，包括测试工作台1及其伺服控制系统2、矢量网络分析仪3和内设测试软件的工控机4；所述测试工作台1的台面一端固定设置有与所述测试工作台1固定连接的固定架5，测试工作台1的台面另一端固定设置有可在测试工作台1上滑动的滑动圆盘6；所述固定架5上固定设置有螺旋线慢波系统7和能量耦合器8；所述滑动圆盘6上设置有测量探针9，所述测量探针9的一端固定于所述滑动圆盘6上，所述测量探针9的另一端作为测量探头插入所述慢波系统7的螺旋线71所围成的圆柱形空腔之内；所述能量耦合器8通过第一电缆10与所述矢量网络分析仪3的测试信号输出端口相连接；所述测量探针9通过第二电缆11与所述矢量网络分析仪3的测量信号输入端口相连接；所述矢量网络分析仪3和伺服控制系统2均与工控机4相连接。
所述测量探针9包括六角螺帽形的标准接头91、圆筒形铜制外壳92、绝缘层93、衰减镀层94和金属内芯95；所述圆筒形铜制外壳92的第一端与标准接头91相固定连接，所述金属内芯95设于所述圆筒形铜制外壳92的内腔之中，所述绝缘层93设置于所述金属内芯95与圆筒形铜制外壳92之间；所述衰减镀层94设置于所述圆筒形铜制外壳92远离标准接头91的第二端的外周面上；所述金属内芯95的端部伸出圆筒形铜制外壳92和绝缘层93之外2mm～5mm。所述标准接头、圆筒形铜制外壳、绝缘层、衰减镀层和金属内芯以同轴的方式设置，金属内芯、绝缘层、圆筒形铜制外壳和衰减镀层由内而外依次设置。
本发明的测试系统和方法，能保证测量探针在测量的整个过程中精确地测量慢波系统的轴心信号的相位，尽可能小的引入反射，记录整组测量数据，对数据进行筛选、计算和绘图，从而可精确得出行波管慢波系统色散特性参量。行波管慢波系统色散特性的测量，实际上关键在于如何测量两个量：轴向相移常数β和频率f。由矢量网络分析仪信号源发出的信号分成两个端口：测试信号输出端口和测量信号输入端口，测试信号输出端口经第一电缆连接慢波系统测试件的能量耦合器，测量信号输入端口经第二电缆连接测量探针，测量探针深入慢波系统的螺旋线的中心位置，可测出该探针上所引出的信号相位。移动测量探针，起始位置L1，测量所需频段内各频点的相位值
移动到位置L2，测量所需频段内各频点的相位值
相移常数
即可得到β-f图，同时可得到角频率ω(ω＝2πf)、群速vg 
和导波波长λg 的关系，和
的差值越大测量精度越高。
所述行波管慢波系统色散特性的自动化测试系统的测试信号由矢量网络分析仪3发出，通过测试信号输出端口馈入第一电缆10，再经能量耦合器8传入到螺旋线慢波系统7；深入螺旋线慢波系统7的测量探针9进行该位置的相位及幅值的测量，测量探针9将测量信号经过第二电缆11馈入矢量网络分析仪的测量信号输入端口。
所述伺服控制系统的执行元件为伺服电机。所述测试工作台1通过滑动圆盘6将测量探针9的标准接头91的一端固定，所述测试工作台1上设有导轨，伺服电机根据伺服控制系统2发出的指令控制滑动圆盘4在导轨上移动，滑动圆盘4带动测量探针在螺旋线慢波系统中进行移动。具体实施时，伺服电机通过丝杠和螺母传动，套设于丝杠上的螺母与滑动圆盘相固定连接，伺服电机驱动丝杠转动时，螺母可带动圆盘沿导轨进行直线移动。测试过程中，固定架的位置是固定的，即慢波系统的位置固定。滑动圆盘和测量探针在伺服电机的驱动下，沿着慢波系统的螺旋线的轴向移动。其中，由于事先对固定架和滑动圆盘的中心进行了校准，因而测量探针的中心线和螺旋线的中心线位于同一直线上，测量探针在螺旋线的中心沿其轴向移动。
行波管慢波系统色散特性的自动化测试系统的测试方法包括如下步骤：
a.对位于测试工作台1两端的固定架5和滑动圆盘6的中心进行校准，使得固定架5和滑动圆盘6的中心线位于同一条水平直线上；将慢波系统7和测量探针9分别固定于所述固定架5和滑动圆盘6之上；将测量探针9伸入至所述慢波系统7的螺旋线71所围成的圆柱形空腔之内，使得测量探针9的测量探头位于所需测量之处；
b.启动工控机4，接通测试工作台1的伺服控制系统2的电源，工控机4通过其内部设置的多轴运动控制卡向伺服控制系统2的伺服电机发出控制信号，由伺服控制系统2的伺服电机驱动测试工作台1；
c.运行工控机4内设置的测试软件，由测试软件导入校准文件；
d.通过测试软件选择相位及幅值测量，设置伺服控制系统2的控制参数；控制参数包括电机步进长度及步进次数、电延时及平滑度等；
e.滑动圆盘6在伺服电机的驱动下在测试工作台1上移动，使得测量探针9沿着慢波系统7的螺旋线71的轴向移动；测量探针9每到达一个位置，工控机4通知矢量网络分析仪3进行该位置的相位及幅值的测量；在每个位置上，矢量网络分析仪3通过测量信号输入端口获取测量探针9的测试信号，并将测试信号传递给工控机4，从而获得该位置的相位及幅值；
f.每次测量完成后，矢量网络分析仪3将测量数据传送给工控机4，工控机4接收数据并存储，由工控机4内的测试软件对获得的数据进行分析和处理，可得出
频率相位关系图、
位置相位关系图、β-w相位常数和角频率关系图、f-β频率和相位常数关系图、f-τ频率和减速比关系图及Z-A位置和幅值关系图，根据这些关系图获知慢波系统7的色散特性；
g.不断地移动滑动圆盘6，重复步骤d～步骤f，在多个位置进行多次进行相位及幅值测量，获得多组色散特性参数，将获得的几组慢波系统7的色散特性进行比较，并绘制色散特性曲线，若所获得的色散特性曲线非常接近，将几组数据取平均数，获得准确可靠的色散数据，若获得的曲线有偏离现象，则重新进行测试系统的校准、测量。
图3为工控机中的测试软件的主菜单，由测试软件完成数据的分析处理功能，并绘制各关系图，从而快速精确地获知慢波系统的色散特性，对慢波系统的性能做出准确的评价。
Claims (4)
1.行波管慢波系统色散特性的自动化测试系统，其特征是，包括测试工作台(1)及其伺服控制系统(2)、矢量网络分析仪(3)和内设测试软件的工控机(4)；所述测试工作台(1)的台面一端固定设置有与所述测试工作台(1)固定连接的固定架(5)，测试工作台(1)的台面另一端固定设置有可在测试工作台(1)上滑动的滑动圆盘(6)；所述固定架(5)上固定设置有螺旋线慢波系统(7)和能量耦合器(8)；所述滑动圆盘(6)上设置有测量探针(9)，所述测量探针(9)的一端固定于所述滑动圆盘(6)上，所述测量探针(9)的另一端作为测量探头插入所述慢波系统(7)的螺旋线(71)所围成的圆柱形空腔之内；所述能量耦合器(8)通过第一电缆(10)与所述矢量网络分析仪(3)的测试信号输出端口相连接；所述测量探针(9)通过第二电缆(11)与所述矢量网络分析仪(3)的测量信号输入端口相连接；所述矢量网络分析仪(3)和伺服控制系统(2)均与工控机(4)相连接。
2.根据权利要求1所述的行波管慢波系统色散特性的自动化测试系统，其特征是，所述测量探针(9)包括六角螺帽形的标准接头(91)、圆筒形铜制外壳(92)、绝缘层(93)、衰减镀层(94)和金属内芯(95)；所述圆筒形铜制外壳(92)的第一端与标准接头(91)相固定连接，所述金属内芯(95)设于所述圆筒形铜制外壳(92)的内腔之中，所述绝缘层(93)设置于所述金属内芯(95)与圆筒形铜制外壳(92)之间；所述衰减镀层(94)设置于所述圆筒形铜制外壳(92)远离标准接头(91)的第二端的外周面上；所述金属内芯(95)的端部伸出圆筒形铜制外壳(92)和绝缘层(93)之外2mm～5mm。
3.一种权利要求1所述的行波管慢波系统色散特性的自动化测试系统的测试方法，其特征是，包括如下步骤：
a.对位于测试工作台(1)两端的固定架(5)和滑动圆盘(6)的中心进行校准，使得固定架(5)和滑动圆盘(6)的中心线位于同一条水平直线上；将慢波系统(7)和测量探针(9)分别固定于所述固定架(5)和滑动圆盘(6)之上；将测量探针(9)伸入至所述慢波系统(7)的螺旋线(71)所围成的圆柱形空腔之内，使得测量探针(9)的测量探头位于所需测量之处；
b.启动工控机(4)，接通测试工作台(1)的伺服控制系统(2)的电源，工控机(4)通过其内部设置的多轴运动控制卡向伺服控制系统(2)的伺服电机发出控制信号，由伺服控制系统(2)的伺服电机驱动测试工作台(1)；
c.运行工控机(4)内设置的测试软件，由测试软件导入校准文件；
d.通过测试软件选择相位及幅值测量，设置伺服控制系统(2)的控制参数；
e.滑动圆盘(6)在伺服电机的驱动下在测试工作台(1)上移动，使得测量探针(9)沿着慢波系统(7)的螺旋线(71)的轴向移动；测量探针(9)每到达一个位置，工控机(4)通知矢量网络分析仪(3)进行该位置的相位及幅值的测量；
f.每次测量完成后，矢量网络分析仪(3)将测量数据传送给工控机(4)，工控机(4)接收数据并存储，由工控机(4)内的测试软件对获得的数据进行分析和处理，获得慢波系统(7)的色散特性参数；
g.不断地移动滑动圆盘(6)，重复步骤d～步骤f，在多个位置进行多次进行相位及幅值测量，获得多组色散特性参数，将获得的几组慢波系统(7)的色散特性进行比较，并绘制色散特性曲线，若所获得的色散特性曲线非常接近，将几组数据取平均数，获得准确可靠的色散数据；若获得的曲线有偏离现象，则重新进行测试系统的校准、测量。
4.根据权利要求3所述的测试方法，其特征是，在所述步骤e中，所述行波管慢波系统色散特性的自动化测试系统的测试信号由矢量网络分析仪(3)发出，通过测试信号输出端口馈入第一电缆(10)，再经能量耦合器(8)传入到螺旋线慢波系统(7)；深入螺旋线慢波系统(7)的测量探针(9)进行该位置的相位及幅值的测量，测量探针(9)将测量信号经过第二电缆(11)馈入矢量网络分析仪的测量信号输入端口。
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