宽带脉冲行波管放大器功率管理技术研究

蒋洪卫

(中国船舶重工集团公司第723研究所,扬州 225001)



宽带脉冲行波管放大器功率管理技术研究

蒋洪卫

(中国船舶重工集团公司第723研究所,扬州 225001)

介绍了一种宽带脉冲行波管放大器，阐述了行波管放大器的基本工作原理，分析了影响行波管输出功率的主要因素，并提出了一种切实可行的宽带行波管放大器的功率管理技术。

行波管放大器；增益；栅极；螺旋线；饱和输出功率；功率管理

0 引 言

行波管的应用非常广泛，几乎所有的卫星通讯都使用行波管作为末级放大器。在大多数雷达系统中都要使用一只或若干只行波管作为产生高频发射脉冲的大功率放大器。螺旋线行波管的带宽可以达到2个倍频程以上，因而在很多大功率宽带脉冲信号模拟器中也经常采用行波管放大器。

1 宽带行波管放大器的工作原理

行波管放大器是通过电磁场与电子注发生能量交换使高频信号得以放大的微波真空器件。行波管在结构上包括电子枪、慢波电路(螺旋线)、衰减器、能量耦合器(微波信号输入、微波功率输出)、磁场(聚焦系统)和收集极等部分(如图1所示)。电子枪的作用是形成符合设计要求的电子注。聚焦系统使电子注保持所需形状，保证电子注顺利穿过慢波电路并与微波场发生有效的相互作用，最后由收集极接收电子注。待放大的微波信号经输入能量耦合器进入慢波电路，并沿慢波电路行进。电子与行进的微波场进行能量交换，使微波信号得到放大。放大后的微波功率经输出能量耦合器送至负载。

在行波管中，电子注与慢波电路中的微波场发生相互作用。为了使电子注同微波场产生有效的相互作用，电子的直流运动速度应比沿慢波电路行进的微波场的相位传播速度(相速)略高，称为同步条件。

2 宽带行波管放大器的输出功率

行波管放大器的输出功率主要由放大器选用的行波管特性所决定。在宽带放大器中，通常要求放大器具备倍频程甚至2个倍频程的带宽，如1～2 GHz，2～4 GHz，4～8 GHz，6～18 GHz等，在如此宽的频率范围内，在宽带行波管的设计和制造时，通常采用无源均衡器对行波管的增益进行均衡。即使如此，行波管的增益通常仍然会出现较大幅度的变化，进而导致输出功率的变化。

由于超宽带脉冲行波管在整个频带范围内增益变化较大[1]，因而常规的宽带行波管放大器在整个频带范围内的饱和输出功率波动较大，有些可达到3 dB。究其原因，主要是行波管电源所提供的螺旋线同步电压通常都是一个定值。

例如，某行波管工作频率范围为6.5～18 GHz，其脉冲输出功率为1 kW，行波管制造商通常给出的螺旋线同步电压为10.5 kV，很显然，假定这个电压是行波管工作于12 GHz时的理想同步电压，那么该电压显然不能满足在6.5 GHz或18 GHz时行波管工作于理想同步状态。

通过对该行波管的测试发现，在行波管各极电压为行波管制造商给定的铭牌值时，在整个频率范围内行波管饱和输出功率会在1.05～2.1 kW内变化,而行波管的饱和增益波动则达到10 dB。

3 宽带行波管放大器功率管理

基于行波管的基本工作原理，本文设计了这样一套行波管馈电系统：根据行波管的工作频率，自动调整行波管的工作电气参数。

就栅极控制脉冲行波管而言，其栅极正偏电压的幅值直接决定了行波管电子枪发射电子的能力，而行波管螺旋线同步电压则对行波管高频增益影响较大。因而在不同的频率范围内，可以通过行波管的栅极正偏电压和螺旋线同步电压，实时调节行波管的增益特性，从而实现行波管输出功率的管理。栅控行波管馈电系统如图2所示。

图2中，行波管电源为行波管提供工作所需的各极电源，主要包括螺旋线电源Uh、收集极电源、热丝电源、栅极负偏压电源、栅极脉冲调制电源Ug。场效应放大器、数控衰减器、宽带隔离器等构成行波管射频输入馈电系统。采用宽带定向耦合器对行波管输出功率进行检测，检测结果馈送至控制中心。

图2 栅控行波管馈电系统组成框图

控制中心通过数控衰减器控制行波管射频输入信号的幅值，同时控制中心通过改变螺旋线电源Uh、栅极脉冲调制电源Ug的电压基准信号，对螺旋线电源Uh、栅极脉冲调制电源Ug进行动态调节。

控制中心可设置多组行波管参数(Ug和Uh)，针对不同的工作频率，进行如下实验：即依次通过行波管电源将各组行波管参数设置到行波管，在行波管工作于每组行波管电气参数时，控制中心调整数控衰减器的衰减倍数G1，并采集行波管的输出功率Pout，根据输出功率是否跟随衰减倍数G1的变化而变化，获得行波管的动态范围。针对每个频率点，选取出现最大动态范围时的行波管参数和衰减倍数，并形成关系表。

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在实际放大工作过程中，根据射频输入信号的频率在关系表中查找最合适的Ug、Uh和衰减系数G1，从而能够使得整个放大器在更大的范围内实现线性放大，提高行波管放大器的动态范围。

4 应用实例

放大器主要技术指标：

(1) 频率范围：6.5～18 GHz；

(2) 饱和输出功率Pout：≥1 kW(60 dBm)；

(3) 放大器增益：≥60 dB;

(4) 工作比：6%;

(5) 输出线性调节范围：≥30 dB。

其中表1为常规行波管放大器功率输出特性，表2为采用功率管理技术后放大器输出特性测试数据。

表1 常规模式行波管放大器功率输出特性

表1中：Pin=0dBm，场应放大器增益为30dB，Uh=10.5kV，Ug=138.5V。

表2给出了行波管工作于制造商给定的电参数额定值时放大器的功率输出特性。表2中：Pin=0dBm，场应放大器增益为30dB。

从表1和表2的数据可以看出，在选用相同的行波管条件下，常规模式宽带脉冲行波管放大器，在行波管各极电压为行波管制造商给定的铭牌值时，在整个频率范围内行波管饱和输出功率会在1.05～2.1kW内变化,行波管的饱和增益波动则达到10dB。

采用本文介绍的功率管理技术，在不同的频率范围内微调行波管螺旋线同步电压，并根据行波管射频输入信号的幅度调整行波管栅极正偏电压的幅度，行波管的饱和输出功率波动范围只有0.8dB，而且在整个频带内，放大器输出的线性度都很好。

表2 行波管放大器功率输出特性

5 结束语

采用本文介绍的功率控制技术，可以有效地对宽带脉冲行波管放大器的功率特性进行管理。该技术已成功应用于某型大功率信号环境模拟器。

如何在未知射频输入信号频率和幅度的情况下，实现行波管工作参数的高速自适应控制，还有待进一步探讨和研究。

[1] Gilmour Jr AS.Principles of Travelling Wave Tubes[M].Noewood:Artechhouse,INC,1994.

Research into Power Management Technology for Broadband Pulse TWT Amplifier

JIANG Hong-wei

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

This paper introduces a broadband pulse travelling wave tube(TWT) amplifier，expatiates the basic operating principle of TWT amplifier，analyzes the main factors influencing the output power of TWT,and presents a kind of feasible power management technology of broadband TWT amplifier.

travelling wave tube amplifier;gain;grid;helix;saturated power output;power management

2013-07-23

TN722.1

A

CN32-1413(2015)02-0042-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.02.012