单腔工作频率和腔间耦合系数的测量装置及方法

技术领域

本发明涉及微波相关领域，尤其涉及一种耦合谐振腔链的单腔工作频率和腔间耦合系数的测量装置和测量方法。

背景技术

加速管是电子直线加速器的核心部件，它的性能直接决定整机的稳定性和可靠性。加速管是通过微波功率将电子加速到很高的能量，为保证电子在通过加速管的时候能够获得有效的加速，电子通过路径上的加速管内壁要求非常高的加工精度(±5μ)和良好的光洁度(▽10以上)。为了验证零件的加工质量，需要对其进行微波参量的测量。为此，能够准确获得加速管腔链的微波参数变得尤为重要。

加速管是耦合谐振腔链的一种，目前耦合谐振腔链单腔频率测试主要采用谐振法，谐振法的激励方式通常有两种，盲板短路耦合环激励法(简称耦合环法)及管内天线探针激励法(简称天线法)。

如图1所示，耦合环法是在金属盲板上开两个小孔，分别插入耦合环，输入环馈入微波功率，输出环拾取微波经晶体管检波检出。通过改变被测腔链的组成结构可以测出不同模式对应的频率。

如图2所示，天线法是沿耦合谐振腔链的两端分别插入两个金属活塞，沿活塞的中心轴线插入天线探针，发射天线馈入微波功率，接收天线引出测量。活塞面之间截取两个半腔夹一个整腔时仅可激励起

根据目前两种测试方法的特点可知，耦合环法在测试腔链某一模式的单腔频率时，需要逐一更换测试腔，不能连续测试，测试效率较低。而天线法测试两个半腔并未完全失谐，还会与整腔之间产生耦合影响整腔频率的准确性，并且对于探针位置及测试人员经验要求极高，探针位置不准确会导致单腔频率测试结果产生较大误差。

背景技术部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

发明内容

有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明设计了一种耦合谐振腔链单腔工作频率和腔间耦合系数的测量装置和测量方法，减小了现有测试方法中探针伸入腔内带来的频率漂移的影响，从而提高测试精度和效率。

本发明提供一种耦合谐振腔链的单腔工作频率和腔间耦合系数的测量装置，包括：底座；支撑单元，安装在所述底座上，用于固定所述耦合谐振腔链；探针单元，安装在所述底座上，配置为向所述耦合谐振腔链中馈入入射微波和引出反射微波；和位置调节单元，设置在所述底座上并与所述探针单元连接，配置为可调节所述探针单元在所述底座上的水平位置。

根据本发明的一个方面，其中所述探针单元包括:探针座，安装在所述底座上；和探针，所述探针由所述探针座可释放地夹持,所述探针包括磁探针和失谐杆，所述磁探针和所述失谐杆的直径均小于所述耦合谐振腔链的束流孔的直径。

根据本发明的一个方面，其中所述磁探针为同轴线结构，包括内导体、环绕所述内导体的外导体和绝缘层，所述绝缘层位于所述内导体和外导体之间，所述内导体和所述外导体在所述磁探针端部的预定距离处短路连接，形成耦合环。

根据本发明的一个方面，其中所述底座包括带有刻度的导轨，所述探针单元安装在所述导轨上并可沿所述导轨滑动，所述位置调节单元包括齿轮齿条结构或者滚珠丝杠结构，所述位置调节单元进一步配置成可调节所述探针单元在所述底座上的垂直高度。

根据本发明的一个方面，其中所述支撑单元包括V型铁，用于将所述耦合谐振腔链固定在预定位置。

根据本发明的一个方面，还包括矢量网络分析仪，所述矢量网络分析仪可连接到所述探针，配置为输出所述入射微波并接收所述反射微波，还配置为可根据所述反射微波确定所述耦合谐振腔链的单腔工作频率和腔间耦合系数。

本发明还提供一种基于上述测量装置测量耦合谐振腔链的单腔工作频率和腔间耦合系数的方法，包括：

S101：将所述耦合谐振腔链固定在所述支撑单元上；

S102：通过所述位置调节单元将所述探针单元探入所述耦合谐振腔链的束流孔，并调节到所述底座上适当的水平位置；

S103：通过所述探针单元向所述耦合谐振腔链的其中一个腔馈入入射微波；

S104：通过所述探针单元从所述耦合谐振腔链引出反射微波；

S105：根据所述反射微波，获得所述其中一个腔的单腔工作频率和腔间耦合系数。

根据本发明的一个方面，其中所述探针包括磁探针和失谐杆，当所述其中一个腔为耦合腔时，所述步骤S102包括：将所述失谐杆和所述磁探针分别定位在所述耦合腔的两侧，使得所述磁探针和所述失谐杆将所述耦合腔以外的腔失谐而不影响所述耦合腔。

根据本发明的一个方面，其中所述探针包括磁探针和失谐杆，当所述其中一个腔为加速腔时，所述步骤S102包括：将所述磁探针和所述失谐杆分别定位在所述加速腔和一相邻耦合腔的两侧，使得所述磁探针和所述失谐杆将所述加速腔和所述相邻耦合腔以外的腔失谐而不影响所述加速腔和所述相邻耦合腔。

根据本发明的一个方面，所述步骤S102还包括：保持所述探针单元中的靠近耦合腔的磁探针位置不变，将所述探针单元中的所述失谐杆向所述加速腔内移动，使得所述加速腔失谐，然后重复所述步骤S103-S105。

根据本发明的一个方面，其中将所述探针单元中的靠近加速腔的所述失谐杆向所述加速腔内移动的距离设置为使得移动产生的频率差大约为所述加速腔的工作频率的千分之一。

根据本发明的一个方面，其中步骤S105包括：获取所述反射微波的双峰频率，所述双峰频率包括0模工作频率和π模工作频率。

根据本发明的一个方面，其中保持所述探针单元中的靠近耦合腔的磁探针位置不变，将所述探针单元中的靠近加速腔的失谐杆向所述加速腔内移动到三个以上的位置，分别重复所述步骤S103-S105，其中步骤S105还包括：根据多组双峰频率，通过拟合获得所述加速腔的工作频率和所述相邻耦合腔的工作频率以及所述加速腔和所述相邻耦合腔的腔间耦合系数。

通过本发明的测量装置和测量方法，可确定探针伸入耦合谐振腔链的位置，提高测试效率和准确性。磁探针与失谐杆相结合的测试方法可以减小探针深入腔体对测试频率的影响，提高测试精度。

在说明书中所描述的特点和优点并非全部，尤其是，结合附图和说明书，许多附加的特征和优点将对于本领域普通技术人员而言将是明显的。此外，应当指出的是，本说明书中所使用的用语主要是出于可读性和指导性的目的而被选择的，并且可能不是被选择以描述或限制创造性的技术方案。

附图说明

构成本公开的一部分的附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：

图1示出了耦合环法测试原理图；

图2示出了天线法测试原理图；

图3a示出了本发明提供的测量装置的第一视图；

图3b示出了本发明提供的测量装置的第二视图；

图4示出了磁探针的结构示意图；

图5示出了本发明提供的测量方法流程图；

图6示出了第一实施例的耦合腔频率测试示意图；

图7示出了第二实施例的加速腔频率和腔间耦合系数测试示意图；

图8示出了第二实施例的加速腔及其相邻耦合腔的S11曲线；和

图9示出了两个谐振腔磁耦合RLC等效电路示意图。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

本发明提供一种耦合谐振腔链的单腔工作频率和腔间耦合系数的测量装置，通过将磁探针与失谐杆相结合的测量方法，用一根磁探针和一根失谐杆相结合，并通过计算从而间接得到谐振腔链的单腔工作频率及腔间耦合系数。所述测量方法减小了将探针深入腔体带来的频率误差以及对腔间耦合的影响，提高了测试精度和测试效率。

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图3a示出了根据本发明一个实施例的测量装置10的主视图，所述测量装置10包括：底座11、支撑单元12、探针单元13和位置调节单元14。

支撑单元12安装在底座11上，用于固定作为待测腔段20的耦合谐振腔链，并配置为可方便更换待测件。图3b示出了测量装置10的立体图，其中支撑单元12包括V型铁121，优选包括两个V型铁121，用于将所述待测腔段20固定在预定位置，以保证待测腔段20的中心与导轨中心在同一竖直平面内。优选地，支撑单元12还可包括支撑圆盘122，支撑圆盘122的中心具有台阶孔，待测腔段20插入该台阶孔中。另外，支撑单元12或者支撑圆盘122也可以包括螺纹紧固件，用于将待测腔段20稳定地固定在其上。

如图3a所示，探针单元13安装在底座11上，配置为向待测腔段20中馈入入射微波和引出反射微波。如图3a和3b所示，探针单元13包括探针座131和探针(包括磁探针132和失谐杆133)。其中探针座131通过位置调节单元14安装在底座11上；磁探针132和所述失谐杆133位于待测腔段20的两侧，由探针座131可释放地夹持,所述磁探针132和所述失谐杆133的直径均小于所述待测腔段20的束流孔的直径，以保证两探针可以无阻地调进调出所述待测腔段20。如图3a所示，位置调节单元14设置在所述底座11上并与所述探针单元13连接，配置为可调节所述探针单元13在所述底座11上的水平位置，从而将所述磁探针132和所述失谐杆133调节到所述待测腔段20内的不同腔内的位置并进行测量。

根据本发明的一个优选实施例，为了实现探针单元13的精确定位，底座11包括带有刻度的导轨，探针单元13(或者位置调节单元14)上可具有与导轨相对应的滑块，从而探针单元13安装在所述导轨上并可沿所述导轨滑动。测试时通过记录滑块在导轨上的位置或行进距离，并对比待测腔段20的长度尺寸，即可判断探针单元13的位置。本领域技术人员可以理解，所述导轨和导轨滑块只是一种传动方式，为了实现准确判断探针单元13的位置也可以选用其它传动方式，均应包含在本发明的保护范围之内。

如图3a所示，位置调节单元14设置在底座11上并与探针单元13连接，配置为可调节探针单元13在底座11上的水平位置。根据本发明的一个优选实施例，位置调节单元14包括齿轮齿条结构或者滚珠丝杠结构。以齿轮齿条结构为例，例如可以在导轨上固定一齿条，在所述滑块上设置一齿轮，齿轮与齿条二者啮合在一起。通过一旋钮来转动齿轮，由于齿条固定在导轨上，因此齿轮将沿着齿条左右滚动，同时带动所述滑块以及探针单元13沿着导轨和齿条左右移动以改变其水平位置。本领域技术人员可以理解，所述齿轮齿条结构或者滚珠丝杠结构只是一种传动方式，也可以选用其它传动方式，均应包含在本发明的保护范围之内。

另外，所述位置调节单元14除了可调节探针单元13在底座11上的水平位置以外，可进一步配置成调节所述探针单元13在所述底座11上的垂直高度，以保证探针单元13与待测腔段20的中心束流孔正对。

图4示出了根据本发明一个实施例的磁探针132的结构示意图，磁探针132为同轴线结构，可以在普通同轴线基础上进行改造。所述磁探针132包括内导体1321、环绕所述内导体1321的外导体1322和绝缘层1323，所述绝缘层1323位于所述内导体1321和外导体1322之间，所述内导体1321和所述外导体1322在所述磁探针132端部的预定距离处短路连接，形成耦合环，在测试过程中能够检测磁场变化。本领域技术人员可以理解，所述预定距离只要能保证形成耦合环即可。

如图3a所示，所述测量装置10还可包括矢量网络分析仪15，所述矢量网络分析仪15连接到探针单元13上，具体地，如图3b所示，矢量网络分析仪15连接到所述磁探针132上，配置为输出入射微波并接收反射微波，并可根据所述反射微波确定所述耦合谐振腔链的单腔工作频率和腔间耦合系数，具体的计算方式将在下文详细描述。

以上对本发明提供的测量装置10进行了描述，以下再对本发明提供的测量方法100进行详细描述。

图5示出了本发明提供的测量方法100的流程图，即基于上述测量装置测量耦合谐振腔链的单腔工作频率和腔间耦合系数的方法100，其中所述耦合谐振腔链为待测腔段20，所述待测腔段20包括耦合腔21和加速腔22，其中所述加速腔22用于建立加速电磁场，对进入其中的电子束进行加速，耦合腔21用于在相邻的加速腔之间耦合电磁场。所述方法包括：

在步骤S101：将所述待测腔段20固定在所述支撑单元12上。在步骤S101，首先将待测腔段20放置于支撑单元12上，保证待测腔段20的中心与导轨中心在同一平面内，并进行固定。

在步骤S102：通过所述位置调节单元14将所述探针单元13探入所述待测腔段20的束流孔，并调节到所述底座11上适当的水平位置。在步骤S102，调节探针单元13到底座11上适当的水平位置，将所述探针单元13定位在被测腔的两侧。通过记录滑块在导轨上的位置和行进距离，并基于待测腔段20的长度尺寸即可判断探针处于待测腔段20中的哪个位置，帮助探针准确定位到被测腔的两侧，防止待测腔段20过长时探针位置难以确定而影响测试效率和测试结果的准确性。另外，必要的话，可通过调整位置调节单元14使得探针单元13的高度和待测腔段20的中心束流孔正对。

在步骤S103：通过所述探针单元13向所述待测腔段20的其中一个腔馈入入射微波；

在步骤S104：通过所述探针单元13从所述待测腔段20引出反射微波；

在步骤S105：根据所述反射微波，获得所述其中一个腔的单腔工作频率和腔间耦合系数。

图6示出了根据本发明一个实施例的耦合腔频率测试示意图。当所述被测腔为耦合腔时，在步骤S102：根据所述待测腔段的每个腔的长度，计算每个探针的进给量，然后将磁探针132和失谐杆133分别定位在所述被测耦合腔的两侧，使得磁探针132和失谐杆133将所述被测耦合腔以外的腔失谐而不影响所述被测耦合腔，即磁探针132和失谐杆133处于所述被测耦合腔两侧并靠近所述被测耦合腔的边缘。

然后在步骤S103：将所述探针单元13中的磁探针132的一端连接至矢量网络分析仪15的一个端口，所述矢量网络分析仪设置为读取S11参数，然后通过所述探针单元13向所述被测耦合腔馈入入射微波。

在步骤S104：所述矢量网络分析仪通过所述磁探针132从所述被测耦合腔引出反射微波。

在步骤S105：根据所述反射微波，从矢量网络分析仪上读取所述被测耦合腔的工作频率。

根据本发明的一个优选实施例，图6的实施例中还可将失谐杆替换为磁探针，将矢量网络分析仪的两个端口分别连接两个磁探针，通过一个磁探针向所述耦合腔馈入入射微波，通过另一个磁探针引出微波，然后读取矢量网络分析仪的S21曲线中的频率值，即为所述耦合腔的工作频率。

图7示出了根据本发明另一个实施例的加速腔频率和腔间耦合系数测试示意图。在步骤S101和步骤S102中进行测试准备工作，其中与第一实施例相同的部分不再赘述，以下仅对不同的部分进行详细描述。

当所述待测腔为加速腔时，在步骤S102：将失谐杆133和磁探针132分别定位在所述被测加速腔和一相邻耦合腔的两侧，使得磁探针132和失谐杆133将所述被测加速腔和所述相邻耦合腔以外的腔失谐而不影响所述被测加速腔和所述相邻耦合腔。即将失谐杆133定位至所述被测加速腔一侧的鼻锥处，磁探针132定位至与其相邻的耦合腔的远离被测加速腔一侧的鼻锥处。

在步骤S103和步骤S104：将磁探针132的一端连接至矢量网络分析仪15的一个端口，所述矢量网络分析仪设置为读取S11参数，然后通过所述探针单元13向所述被测加速腔馈入入射微波并从所述被测加速腔引出反射微波。

在步骤S105：通过矢量网络分析仪读取此位置的所述反射微波的双峰频率，即0模工作频率和π模工作频率。图8示出了通过矢量网络分析仪获得的S11曲线，其中两个倒尖峰即为双峰频率。

所述第二实施例并不能直接从矢量网络分析仪上读出被测加速腔的工作频率，需要记录多组双峰频率，再根据公式计算。所以在步骤S102还包括：保持探针单元13中的靠近所述相邻耦合腔的磁探针132位置不变，将失谐杆133向所述被测加速腔内移动，使得所述被测加速腔失谐，然后重复所述步骤S103-S105以获得多组双峰频率。

根据本发明的一个优选实施例，其中将所述探针单元13中的靠近被测加速腔的失谐杆133向所述被测加速腔内移动的距离设置为使得移动产生的频率差大约为所述被测加速腔的工作频率的千分之一。即每次将失谐杆133向被测加速腔内移动一微小距离，保证每次移动产生地频率差为一微小量。本领域技术人员可以理解，所述微小量并不限定于工作频率的千分之一，只要保证能获得计算公式所需的几组双峰频率即可。

更进一步地，保持所述探针单元13中的靠近与所述被测加速器相邻的耦合腔的磁探针132位置不变，将所述探针单元中的靠近被测加速腔的失谐杆133向被测加速腔内移动到三个以上的位置，分别重复所述步骤S103-S105获得多组双峰频率，其中步骤S105还包括：根据多组双峰频率，通过拟合关系曲线获得所述被测加速腔的工作频率和所述相邻耦合腔的工作频率以及所述被测加速腔和所述相邻耦合腔的腔间耦合系数。

以下对拟合曲线的计算方法进行详细描述。

图9示出了两个谐振腔磁耦合RLC等效电路示意图，耦合谐振腔链的两个腔之间的耦合可以等效为RLC电路，由相关理论容易得到两个腔之间的耦合系数与频率之间的关系式，见公式(1)。式中f

将上述计算方法与第二实施例的测试方法100相结合，在步骤S102将失谐杆133向被测加速腔内部移动一微小量，读取所述被测加速腔失谐后的双峰频率，重复三次以上，获得多组双峰频率，将数据输入根据公式(1)至(7)编制好的表格，即可拟合得到x、y的关系曲线，从而得到耦合腔工作频率和加速腔工作频率。

通过上述方法计算得出的耦合腔工作频率与实施例一直接测得的耦合腔工作频率可以相互验证，保证了结果的可信度。同时根据拟合得到x、y的关系曲线的线性度也可以确认被测加速腔工作频率测试结果的准确性，并且所述方法100对耦合谐振腔链中不容易测准的边腔也可以得到较为准确的测试结果。

本发明所提供的测试方法100，适用于各种耦合谐振腔链，比如磁轴耦合、各种边耦合、环耦合、箭型耦合腔等驻波加速管，通用性较好。。

基于本发明的测量装置10，探针单元13的滑动距离可记录，基于待测腔段20的长度尺寸，便于确定探针在待测腔段20中所处的位置，提高测试效率和准确性。磁探针与失谐杆相结合的测试方法可以减小探针位置深入腔体对测试频率的影响，提高测试精度和测试效率。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。