CC BY
60
УДК 681.3.06(076.5)
ПРОГРАММНО-ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АНАЛИЗА ПАРАМЕТРОВ СВЧ ИМПУЛЬСОВ
В.С. Косицын, В.Г. Гальченко, Т.А. Гладкова
Томский политехнический университет E-mail: gal@am.tpu.ru; am@am.tpu.ru
Оценка параметров СВЧ импульсов является важной задачей при проведении экспериментальных исследований. Существующие программы построения графиков СВЧ импульсов и оценка их параметров реализованы в среде MathCad и обладают существенными недостатками, так как многие параметры среды, по которой проходят СВЧ импульсы, требуется вводить непосредственно в программе. В работе описано программное обеспечение оценки параметров СВЧ импульсов, реализованное в среде Qt 4.5С++.
Ключевые слова:
СВЧ импульс, система программирования, параметры импульса, программное обеспечение. Key words:
Microwave pulse, programming system, pulse parameters, software.
Введение
В работе [1] описана схема измерения параметров СВЧ импульса. Детектированные сигналы с трёх измерительных каналов поступают на цифровой осциллограф и записываются в виде текстовых файлов. Для приёмных детекторов имеются предварительно полученные с помощью генератора импульсов (ГИН) калибровочные кривые. Кривые показывают зависимость выходного напряжения датчиков от СВЧ мощности на входе измерительного канала при различных частотах СВЧ сигнала. Обработка экспериментальных данных, полученных с помощью цифрового осциллографа, проводилась с использованием программного обеспечения, созданного в среде МаШСаё. Текстовые файлы считывались программой МаШСаё для получения графиков различных параметров СВЧ импульса. Для экспериментатора программное обеспечение в среде МаШСаё является достаточно неудобным, так как требует ввода множества исходных данных непосредственно в программе.
В работе для обработки экспериментальных данных, записанных с помощью цифровых осциллографов, представлено программное обеспечение в среде Qt4.5 С++. В отличие от программы в МаШСаё, представленнной в работе [1], все необходимые исходные данные вводятся из файла входных параметров, которые пользователь может изменить в диалоговом окне.
Измерения параметров СВЧ импульса
Схема эксперимента представлена на рис. 1. В соответствии с этой схемой СВЧ импульс поступает на антенну и далее через согласованный тройник распространяется по двум измерительным каналам. В одном из каналов, называемом «линейным», после фиксированного аттенюатора установлена коаксиальная детекторная головка с полупроводниковым СВЧ диодом. СВЧ диод в головке осуществляет детектирование СВЧ импульса. Во втором канале - «нелинейном», между фиксированным аттенюатором и коаксиальной детектор-
Рис. 1. Схема эксперимента: ОСЦ А, Б - осциллографы А, Б; ЛД - линейный детектор; НД - нелинейный детектор; ПД - подвижный детектор
ной головкой, которая подобна головке в линейном канале, установлен «запредельный» аттенюатор, величина ослабления которого изменяется от частоты по определенному закону. Кроме этого, СВЧ импульс принимается антенной пространственно-подвижного линейного детектора, что позволяет построить диаграмму направленности СВЧ-генератора и определить общую излучаемую мощность.
Регистрация параметров СВЧ импульса осуществляется линейным, нелинейным и подвижным детекторами измерительных каналов, которые подключаются к осциллографу Б. Частотные зависимости измеренной мощности линейного и нелинейного каналов для выходных напряжений датчиков и приведенная импульсная мощность находятся с использованием калибровочных характеристик линейного и нелинейного каналов.
Структура программного обеспечения
В процессе эксперимента данные подаются на два цифровых осциллографа - А и Б, и записываются в виде текстовых файлов. На один осциллограф подаются сигналы с датчиков, регистрирующих параметры самого СВЧ-генератора, что позволяет оценить динамику его работы и осуществить временную привязку СВЧ импульсов с детекторов, которые поступают на вход второго осциллографа. Имя каждого текстового файла с осциллографов является составным и содержит букву с номером канала, далее через точку пять цифр номера эксперимента и через точку расширение txt или dat. Наличие номера эксперимента в имени файла позволяет выбрать файлы, соответствующие нужному эксперименту.
Входные данные, необходимые для обработки экспериментальных данных, находятся в файле входных данных, который считывается при запуске программы. Эти данные размещаются в таблице данных. После считывания экспериментальных данных из текстовых файлов, записанных с помощью двух цифровых осциллографов А и Б, создаются формы изображения малых графиков, на которые добавляются экспериментальные данные сигналов с датчиков.
Для расчета параметров СВЧ импульсов по полученным сигналам с датчиков используются файлы, которые формируются в процессе калибровки датчиков. При этом используется необходимый набор частот и соответствующие уровни мощности СВЧ-генератора импульсов. После преобразования сигналов с датчиков с учетом калибровочных параметров осуществляется расчет временной задержки каждого сигнала с учетом среды прохождения сигнала и длины кабеля, по которому передается сигнал. Данные о задержке сигнала по каждому измерительному каналу представлены в таблице.
После преобразования сигналов с датчиков осуществляется создание форм графиков и добавление графиков на форму. На каждом графике имеется возможность подробно исследовать его от-
дельные участки. С этой целью используется временное отсечение графика с помощью задания начальной и конечной временной точки отсечения.
Таблица. Входные данные
Осциллограф А
Канал 1
Данные Обозначение Значение
Напряжение ГИН (кВ) Um Файл С1
Делитель1A Div m 8,80E+03
Ослабитель1А DB5fix 50
Коэффициент Kum=DB5fix*Div m 4,40E+05
Канал 2
Напряжение на диоде(кВ) Un Файл С2
Делитель 2А Div n 2,05E+03
Ослабитель 2А D1fix 205
Коэффициент Kun=D1fix*Div n 4,20E+05
Канал 3
Ток в диоде (кА) Ish Файл СЗ
Шунт Rsh 3,00E-02
Ослабитель ЗА D3fix 440
Коэффициент KIsh=D3fix/Rsh 1,47E+04
Канал 4
Ток в диоде, пояс Роговского (2) (кА) Irc Файл С4
Коэффициент RCoil 1,92E+02
Ослабитель 4А DA6fix 50
Коэффициент KIrc=DA6fix*RCoil*2 1,92E+04
Осциллограф Б
Канал 1
Данные Обозначение Значение
Ток в диоде, пояс Роговского (1) (кА) Ikp Файл С4
Коэффициент RCoil 1,92E+02
Ослабитель1А DA6fix 50
Канал 2
Напряжение линейного детектора (кВ) U7 Файл С2
Канал 3
Напряжение нелинейного детектора (кВ) U8 Файл СЗ
Канал 4
Напряжение подвижного детектора (кВ) U1d Файл С4
Суммарное запаздывание
Номер канала ОСЦ Обоз- начение Вычисление Значение
1 канал А TSCns TLCns 122
4 канал А TSCrc DLrc+TLCrc 131,373
3 канал А TSCsh DLsh+TLCsh 126,352
2 канал А Hrc TSCrc-TSCns 9,373
1 канал Б Hrc sn TSCrc-TSCsh 5,021
4 канал Б TSCdet Dldet+TLCdet 183,797
2 канал Б Hdet TSCdet-TSCns+hAB 60,618
3 канал Б Hkp TSCkp-TSCns+hAB 8,194
Осциллограф А
Осциллограф Б
сі
С2
СЗ
С4
Рис. 2. Графики сигналов с каналов осциллографов А и Б
С1
С2
СЗ
С4
Для количественной оценки параметров СВЧ импульса на отдельном графике используется красный маркер, перемещая который по графику в соответствующем окне можно получить количественное значение данного параметра. На графике предусмотрена возможность регистрации временной задержки между отдельными элементами. Для этого используется синий маркер, задавая положение которого в соответствующем окне, можно получить временную задержку между положением красного и синего маркера.
Экспериментальные графики
На рис. 2. представлены графики сигналов с датчиков, преобразованных в цифровую форму с помощью цифровых осциллографов А и Б. Экспериментальные данные имеют интервал дискретизации 2 нс.
В программе предусмотрена возможность получить увеличенное изображение графика, если дважды щелкнуть по нему левой кнопкой мыши.
При анализе экспериментальных данных важное значение имеют следующие параметры: форма импульса СВЧ на диод, форма импульса с линейного детектора, форма импульса СВЧ с подвижного детектора. Формы импульса данных параметров импульса СВЧ представлены на рис. 3, где показано расположение красного и синего маркера, с помощью которых оценивается значение параметров в месте нахождения красного курсора в соответствующем окне и запаздывание между максимумами импульсов выбранных параметров.
Сравнение напряжений с линейного, нелинейного и подвижного детектора представлено на рис. 4. Экспериментатор по форме импульса может оценить правильность взаимного расположения датчиков.
Мощность импульса относится к одному из важнейших параметров СВЧ-генератора, от которого зависит в целом качество самой установки, поэтому данный параметр необходимо оценивать при эксплуатации всей системы. На рис. 5 показана мощность импульса, которая измеряется линейным детектором.
Очень важно установить на какой частоте находится максимальная мощность СВЧ импульса. Оценка данного параметра показана на рис. 6.
1в - 1 ип - 2 и? - 3 Ігс - 4 и1(1 - 5
Рис. 3.
4.2СЫ>5
З.50е+Ф5
2.80е+05
2.10е^05
1.40е-И>5
7.00ег04
Б, А
4 5 ! \
Лі \ — ■ -4нс
1 / :
|
160
Отсечение Ох -50
До 200 [ Задать ]
Маркер 33 Задать Маркер 20 [ц Задать
Разница времени 13
Амплитуда: 1кр 35766.1 ип 4406-10.53 Ігс 36131.9 и К) 187.035
1) Із - ток в диоде; 2) ип - импульс СВЧ на диоде; 3) и7 - импульс с линейного детектора; 4) Ігс - ток в диоде (пояс Роговского 2); 5) и1С - импульс СВЧ с подвижного детектора
Рис. 4. Напряжения сдатчиков: 1) и7 - линейного; 2) Шс1 -подвижного; 3) и8 - нелинейного детекторов
1.50е+03
З.ООе+02
Рис. 5. Мощность импульса слинейного детектора
2700 2800 2900 3000 3100 3200 3300 3400 3500 3600
Рис. 6. Мощность импульса (Вт) по частотам слинейного детектора
Выводы
1. Разработанное программное обеспечение оценки параметров СВЧ импульсов в среде Qt4.5 С++ [2] имеет удобный интерфейс, доступный экспериментатору, содержит все необходимые исходные данные, которые легко могут быть исправлены при замене датчиков, а также изменения параметров среды прохождения СВЧ сигнала и применении различных типов генераторов мощных СВЧ-импульсов.
2. Экспериментатору не требуется редактировать программное обеспечение, достаточно только откорректировать параметры в диалоговом окне, имеющем вид таблицы.
3. Все исходные данные, находящиеся в таблицах, имеют пояснительный текст, что существенно упрощает процедуру внесения изменений.
4. Графический интерфейс позволяет в удобной форме представлять параметры СВЧ импульса, задавая необходимые временные отсечения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бабичев Д.А., Шиян В.П., Мельников ГВ. Измеритель частотного состава мощных СВЧ импульсов наносекундной длительности // Приборы и техника эксперимента. - 2003. - № 3. -С. 93-96.
Шлее М. Qt4.5 С++. Профессиональное программирование на С++. - СПб.: БХВ-Петербург, 2010. - 896 с.
Поступила 15.02.2013 г.
