微波等离子体光源的热态阻抗在线测量系统及方法

本发明属于微波能量，具体涉及一种微波等离子体光源的热态阻抗在线测量系统及方法。

背景技术：

1、在微波等离子体光源的设计与工业应用中，为了优化微波能量向等离子体的转换效率并设计高匹配度的阻抗网络，必须获取光源在实际工作状态下的热态阻抗及散射参数（s参数）。然而，传统的矢量网络分析仪（vna）仅能测量光源未点燃时的“冷态”的s参数。一旦高功率微波注入、等离子体点燃并进入稳定放电状态（热态），其等效阻抗会发生剧烈变化，导致热s参数、热态阻抗与冷态阻抗存在显著差别，冷态测量结果无法真实反映其工作特性。此外，若尝试在光源工作时直接进行测量，维持等离子体放电的高功率主微波信号（驱动信号）会倒灌入vna，极易导致其接收机饱和甚至烧毁，同时主信号的噪声也会淹没vna自身的测试信号。现有的一些在线监测技术多采用标量测量，无法获取复阻抗的相位信息，且功率受限，难以适用于工业级的高功率环境。因此，如何在不干扰等离子体正常放电的前提下，安全、实时、准确地在线测量高功率微波等离子体光源的热s参数及热态阻抗，成为本领域亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、为解决上述如何在不干扰等离子体正常放电的前提下，安全、实时、准确地在线测量高功率微波等离子体光源的热s参数及热态阻抗的问题，本发明采用了微波等离子体光源的热态阻抗在线测量系统。本发明提出以下具体方案：

2、第一方面，本发明提出微波等离子体光源的热态阻抗在线测量系统，所述系统包括：

3、主传输链路，包括依次连接的微波驱动源、双定向耦合器和微波等离子体光源；所述微波驱动源被配置为输出驱动信号；

4、矢量网络分析仪，包括内部互联的发射模块、接收模块和多通道选频接收机；所述发射模块的输出端依次连接宽带功率放大器、pa隔离器后，连接至所述双定向耦合器的耦合输入端；所述发射模块被配置为输出扫频探测信号；所述扫频探测信号依次通过宽带功率放大器、pa隔离器变为放大后的扫频探测信号到达所述主传输链路，并与所述驱动信号在所述主传输链路中共存；

5、测量衰减器组件，连接所述双定向耦合器的耦合输出端以及所述多通道选频接收机的接收通道；用于对双定向耦合器发出的耦合信号进行衰减得到衰减信号；所述多通道选频接收机对所述衰减信号进行重构得到重构信号；

6、数据处理单元，连接所述矢量网络分析仪的数据端口；被配置为接收所述重构信号，并基于重构信号计算未修正热s参数，进一步结合所述热态阻抗在线测量系统在冷态下工作得到的系统误差系数计算热s参数，然后基于热s参数计算热态阻抗；

7、计算热s参数的方法为：；

8、其中，为未修正热s参数，为方向性误差，为源匹配误差，为反射跟踪误差第一参数，为反射跟踪误差第二参数，为热s参数。

9、第二方面，本发明提供一种微波等离子体光源的热态阻抗在线测量方法，基于上述的微波等离子体光源的热态阻抗在线测量系统工作，该方法包括：

10、在微波驱动源停止输出驱动信号的状态下，于双定向耦合器的主路径输出端参考面依次接入开路校准件、短路校准件及匹配负载校准件，控制矢量网络分析仪输出扫频探测信号，获取对应的第一测量复数值、第二测量复数值和第三测量复数值，并通过构建并求解线性误差矩阵方程，解算得到包含方向性误差、源匹配误差及反射跟踪误差的系统误差系数；

11、开启微波驱动源，使其输出驱动信号，并通过主传输链路输送至微波等离子体光源，以击穿并维持所述微波等离子体光源内部的等离子体稳定放电；

12、在所述微波等离子体光源处于放电工作状态的同时，控制所述矢量网络分析仪输出扫频探测信号，所述扫频探测信号依次通过宽带功率放大器、pa隔离器变为放大后的扫频探测信号到达所述主传输链路，并与所述驱动信号在所述主传输链路中共存；

13、利用所述双定向耦合器分别从所述主传输链路中提取入射耦合信号和反射耦合信号，通过第一测量衰减器对所述入射耦合信号进行功率衰减后输入所述矢量网络分析仪的第一接收通道，通过第二测量衰减器对所述反射耦合信号进行功率衰减后输入所述矢量网络分析仪的第二接收通道，由所述矢量网络分析仪在所述扫频探测信号处进行窄带选频接收，获取原始入射波复电平和原始反射波复电平；

14、数据处理单元接收原始入射波复电平和原始反射波复电平；并基于原始入射波复电平和原始反射波复电平计算未修正热s参数，进一步结合所述热态阻抗在线测量系统在冷态下工作得到的系统误差系数，计算热s参数，然后基于热s参数计算热态阻抗。

15、本发明的有益效果在于：

16、（1）本发明通过主传输链路中的微波驱动源输出驱动信号，使微波等离子体光源处于稳定的放电状态；同时利用矢量网络分析仪的发射模块输出扫频探测信号，经由宽带功率放大器和pa隔离器注入至双定向耦合器的耦合输入端，实现扫频探测信号与驱动信号在主传输链路中的共存。这种方法直接在光源处于高功率运行状态（热态）下进行测量，真实反映了等离子体电离后的非线性阻抗特性，有效解决了现有技术中因“热态”与“冷态”阻抗差异巨大而导致冷态测量数据失真的问题。

17、（2）本发明通过测量衰减器组件对双定向耦合器输出的耦合信号进行衰减得到衰减信号，将包含驱动信号与扫频探测信号的混合波功率压制至多通道选频接收机的安全工作电平。配合多通道选频接收机对衰减信号进行重构，不仅防止了高功率的驱动信号倒灌导致矢量网络分析仪饱和或烧毁，还利用扫频探测信号的频率特性，在数据处理单元中有效滤除主信号噪声，确保获取高信噪比的原始入射波复电平和原始反射波复电平。

18、（3）本发明利用数据处理单元接收重构信号，并结合系统在冷态下通过接入开路校准件、短路校准件及匹配负载校准件测得的系统误差系数，通过构建标准线性误差矩阵方程解算出精确的热s参数及热态阻抗。这种基于真实热态数据的精确计算，为设计高匹配度的阻抗网络提供了关键依据，从而能够最大化驱动信号向微波等离子体光源的能量转换效率，优化系统的整体性能。

1.一种微波等离子体光源的热态阻抗在线测量系统，其特征在于，所述系统包括：

2.根据权利要求1所述的微波等离子体光源的热态阻抗在线测量系统，其特征在于，所述测量衰减器组件包括第一测量衰减器和第二测量衰减器；

3.根据权利要求2所述的微波等离子体光源的热态阻抗在线测量系统，其特征在于，所述重构信号包括原始入射波复电平和原始反射波复电平；数据处理单元还基于所述重构信号计算未修正热s参数，根据原始数据未修正的热s参数计算热s参数，并根据热s参数计算热态阻抗包括：

4.根据权利要求3所述的微波等离子体光源的热态阻抗在线测量系统，其特征在于，所述扫频探测信号的功率电平低于所述驱动信号的功率电平至少30db。

5.根据权利要求4所述的微波等离子体光源的热态阻抗在线测量系统，其特征在于，系统误差系数包括方向性误差、源匹配误差、反射跟踪误差；获取所述微波等离子体光源的热态阻抗在线测量系统在冷态下工作得到的系统误差系数包括：

6.根据权利要求5所述的微波等离子体光源的热态阻抗在线测量系统，其特征在于，所述微波驱动源在其工作频率外的噪声水平至少比所述扫频探测信号的功率电平低20 db。

7.根据权利要求6所述的微波等离子体光源的热态阻抗在线测量系统，其特征在于，所述测量衰减器组件对所述双定向耦合器发出的耦合信号进行衰减得到衰减信号包括：

8.根据权利要求7所述的微波等离子体光源的热态阻抗在线测量系统，其特征在于，所述双定向耦合器用于在所述主传输链路中实现所述驱动信号与放大后的扫频探测信号的共存，并从所述主传输链路中定向提取入射耦合信号和反射耦合信号；

9.根据权利要求8所述的微波等离子体光源的热态阻抗在线测量系统，其特征在于，相对于所述第一耦合输出端，所述第二耦合输出端更靠近所述微波等离子体光源的输入端。

10.一种微波等离子体光源的热态阻抗在线测量方法，基于权利要求1至9中任一项所述的微波等离子体光源的热态阻抗在线测量系统工作，其特征在于，所述方法包括：