高功率微波源四极管发射机设计与研究∗

(中国电子科技集团公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

目前,高能射频直线加速器为了获得1 000～20 000 eV甚至更高的加速梯度,通常需要高功率微波源来激励加速腔产生高束流电子。为了使腔体内带电粒子与电磁场作更好的能量交换,需要高功率微波源提供足够高的能量。微波源发射机稳定可靠产生的微波能量,对加速器关键性能参数——加速梯度即电子能量增加的速率有着直接的、重要的影响[1]。

1 主要特点及技术指标

在UHF波段,对于输出功率达到300 k W的发射机,根据目前的技术水平,如果采用全固态方案,不仅成本极高,而且也不太现实。可行的方案是采用真空管作为末级放大器。该发射机采用主振放大式体制,末级放大器为UHF波段的微波四极管。将频率源产生的UHF波段的脉冲信号放大到需要的功率电平,经馈线、定向耦合器到负载。对发射机的指标要求如下：

输出频率：201.25±1 MHz

3 dB带宽：±1 MHz

最大输出功率：300 k W

输出功率调节范围：0～300 k W

频率稳定度：±1°

功率稳定：±1%(脉间+脉内)

相位稳定度：±10

谐波抑制比：-25 d B

输出阻抗：50Ω

工作方式：脉冲

脉冲重复频率：1,2,5 Hz

脉冲平顶宽度：20～400μs

输出接口：法兰连接

输出馈管：6 in

内外同步工作状态：可选择

2 系统组成与工作原理

发射机系统组成框图如图1所示。由晶振源或外接信号源产生的高频微波信号经过变频、调制和放大后产生功率放大器所需的201.25 MHz微波信号,经过高功率放大器放大至加速腔所需的300 k W微波功率。加速腔的反馈信号与输入的微波信号进行比较,用于保证加速腔输入端微波信号的幅度、相位及加速腔频率的稳定。

图1 发射机系统组成框图

高功率微波发射机方案采用固态推动四极管的方案,由两级放大器组成,晶振源产生约100 m W的微波信号,经过固态放大器放大至8 k W左右,再经过高功率四极管放大器放大至300 k W左右。四极管放大器主要是要求工作稳定,不易自激,该管是阴极端接地,所以采用共阴放大器。灯丝电源给四极管提供加热电源,阴极受灯丝加热后发射电子;阳极电源为管子提供20 k V工作电压;帘栅电源和控栅电源控制四极管通断,在射频脉冲激励期间控栅电源工作,帘栅电源提供截至电压[2],如图2所示。

图2 四极管工作框图

3 发射机采用的主要技术

3.1 高功率固态放大器

高功率固态放大器的主要功能是完成射频功率放大,为四极管放大器提供所需的推动功率。四极管的增益大约为20 dB,理想情况下,前级激励功率需要3 k W,考虑管子参数有一定离散性,同时考虑隔离器和传输线损耗,固态放大器的输出要求大于6 k W。设计中,将末级放大器作为基本单元,根据系统需要可适当调整合成路数。其原理框图如图3所示(虚线框内为本任务系统)。功率放大器采用全固态方式,由前级组件、末级组件、合成/分配网络、开关电源模块和监控接口分机等组成。组件和分机安装在机柜内,需要有独立风道来散热。图3所示为4路末级合成时原理框图和各级放大器的功率分配(虚线框内为高功率放大器部分)。

图3 固态放大器组成框图

系统送来的RF激励信号10 m W经过前级放大,经过分配网络后推动4个末级,经合成网络后,输出6.8 k W的峰值功率;为了提高效率,对各级放大器的电源进行调制,这是前级和末级组件内电源调制板实现的功能;采用监控接口分机检测放大器的工作状态,为放大器提供保护,同时将状态信号送至总监控[3]。

3.2 阳极电源

为了获得极高的微波功率,四极管的阳极需有一个高频高压开关电源,电源纹波和稳定度要高,电源响应速度快,电源的参数为：

电压：20 k V

脉冲电流：27 A

工作比：0.2%

峰值功率：540 k W

平均功率：1 080 W

3.2.1 电路选择

由于阳极电源的输出功率较大(1 080 W),电压也高(20 k V),主电路采用全桥移相零电压脉宽调制变换器(简称FB-ZVS-PWM变换器)。这种电路具有以下优点：电路简洁,充分利用线路杂散电感和器件寄生电容;实现功率管的零电压开关(Zero Voltage Switch,ZVS),降低开关损耗,有利于提高开关频率;较低的器件电流电压应力,较低的电磁干扰(Electromagnetic Interference,EMI);功率器件无需吸收电路。电源由整流滤波、逆变电路、高频变压器、高压整流与滤波电路、电压反馈和控制电路构成,原理框图如图4所示。

图4 阳极电源原理框图

图4中,整流滤波单元采用π型滤波电路,将220 VAC/50 Hz输入电源变换为300 VDC;逆变电路采用全桥移相脉宽调制变换器,可以充分利用输入电压,降低高频变压器的匝比,减小分布参数;高频变压器的次级有两个绕组,两个绕组的参数完全相同,这两个绕组的输出各自2倍压整流滤波后串联叠加,叠加后的电压为20 k V;由于阳极电源浮于帘栅电源上,为了便于调试及电压调节,电压反馈电路采用差值方式,分别由20 k V对地及帘栅电压对地采样,取两者差值为电压采样;控制电路中主芯片采用全桥移相控制器UC2879。

3.2.2 FB-ZVS-PWM变换器工作原理

如图5所示,Vs为输入直流电压。Tri(i=1,2,3,4)为功率M OS管,其体二极管为D i(i=1,2,3,4),Ci(i=1,2,3,4)为功率管寄生电容或寄生电容与外部谐振电容并联等效值,Lr是变压器漏感或漏感与外加谐振电感串联等效值。变压器副边电压Vs′经过桥式整流和滤波器给负载供电。图5给出变压器原边电压VAB、副边电压Vs′和原边电流i的波形图,Ip为原边电流峰值。

图5 FB-ZVS-PWM变换器

其原理是利用变压器漏感Lr和电容C i谐振,漏感储能向C i释放过程中,使C i电压逐步下降到零,体二极管D i开通,创造了Tri的ZVS条件。为了改变占空比D以便实现调节控制,采用了移相技术。左右两桥臂的开关管分别为Tr1、Tr3和Tr4、Tr2,在两者的驱动信号脉冲之间保持一定的相位差,只要改变这个相位差(即移动一组驱动脉冲的相位),就可使占空比改变,也就改变输出电压大小。

由于阳极电源浮于帘栅电源上(如图6所示),为了便于调试及电压调节,电压反馈电路采用差值方式,分别由20 k V对地及帘栅电压对地采样,取两者差值为电压采样。

3.3 灯丝电源

其主要参数如下：

输入：220 VAC;

输出：最大直流电压1.0 V,典型直流电压0.95 V,典型电流495 A(0.95 V);

图6 阳极电源

预热时间：从零开始到额定工作点最短时间不小于30 s,到达工作点后预热时间不小于90 s。

此电源有输出电流、输出电压表头指示,由于输出电流较大,靠近管子灯丝端放置,输出形式采用接线柱,在电源的顶部输出;有故障保护指示,包括输出过压、过流、欠流等,这些故障在电源启动过程中封闭,到达工作点后再放开,其中输出过压、过流故障(超过额定值10%)出现时将电源输出切断,需要外部复位时才重新开始工作;欠流故障出现时,给出报警信号,但输出不用切断,该电源与管子灯丝端子的连接采用软的铜编织线,因为电流大,可能会产生应力,如果采用硬连接会对灯丝端子产生损害。该电源的连接插座放置在电源的前部,方便插拔[4]。图7为灯丝电源示意图。

图7 灯丝电源

3.4 控制栅极电源

四极管的工作状态主要按照栅流的有无和大小来分类,以栅流和阳流之比来度量,当栅流比阳流小到可以忽略时,为欠压状态,反之栅流较大以至占总电流相当大的一部分时,为过压状态,介于两者之间的状态为临界状态。作为末极放大器,从输出功率和阳极效率考虑,应该工作在稍过压状态。

控制栅电源最高输出-350 V,输出在-250～-500 V范围的可调稳定电压。

栅极脉冲电流：1.2 A

栅极平均电流：2.4 m A,设计时按100 m A

3.5 帘栅极电源

四极管中帘栅极的作用最大,它屏蔽了从阳极发出的终止于阴极的电力线;削弱了阳极电压控制阴极电流的能力;提高了放大系数。高频应用中,帘栅极等效系统接地,使栅极与阳极间的跨导电容减到80%。

对于四极管来说,不能过宽和过工作比工作,必须在开启同步信号的控制下受控工作,之后要快速有效地截止,因此帘栅极的输出电压必须达到额定值。如果损坏或输出电压下降,四极管的阳极将会因为过流而烧毁,因此要对帘栅极的输出电压进行检测,设置欠压保护。主要指标为：

帘栅极电压：2 000 V

帘栅极脉冲电流：1.6 A

帘栅极平均电流：3.2 m A,设计时按100 m A

3.6 馈线系统

馈线系统是研制的一个难点,由于该加速腔在脉冲功率的上升和下降沿表现出短路的特性,整个馈线系统考虑耐功率容量为1.2 MW。

本系统馈线系统主要由以下几部分组成：两个隔离器、一个1/4波长移相器、一个定向耦合器、一些长度和数量不等的同轴线,以及一些同轴线90°弯头组成。馈线系统的组成示意框图如图8所示。

图8 高频功率源输出馈线系统框图

输出负载在脉冲工作期间,由于加速腔束流变化引起负载驻波较大,在四极管放大器输入和输出端拟采用高功率隔离器进行隔离,保证放大器工作稳定性。在四极管输出端接同轴1/4波长移相器进行调配。通过定向耦合器的输入端和反射端检测输出加速腔的频率、幅度和相位信息,送至RF控制器进行闭环控制,保证加速腔的频率、功率、相位的稳定。

本系统中的馈线传输线采用50或75型号的同轴线,它的特征阻抗是50Ω,外导体内径是75 mm,内导体外径为32.5 mm,它的理论功率容量为16.3 MW,它的理论衰减值为0.004 dB/m。由于本系统在正常工作时的峰值功率是300 k W,但是在每个脉冲前后沿输出窗口会产生全反射。按电压击穿理论,整个馈线系统需考虑耐功率容量为1.2 MW。50或75型号同轴线的理论功率容量仍然是实际工作峰值功率的13倍,它能够承受本方案对于功率容量的要求[5]。

本系统中的定向耦合器模型图如图9所示,它由两个同轴线相互叠加形成信号的耦合。定向耦合器耦合端口和隔离端口的输出是N型阴头,它们的间距大约为400 mm,定向耦合器的主传输端口,即输入输出端口为50或75同轴线,整个定向耦合器的总长度大约为800 mm。它能够达到的指标为：损耗≤0.3 dB,耦合度20 d B。

图9 定向耦合器模型图

3.7 水冷系统

四极管需要数百安培的灯丝加热;阳极电位约为20 k V,而该管和腔体在17 k V就会打火,需要充氮气,气压不能过高;控制栅极、帘栅极、阴极、灯丝、阳极需要五路去离子水进行冷却,在阳极部位采用分水器,如果漏水则会引起输出腔打火。本系统水冷设计五路水冷,采用去离子水冷却,需要加树脂筒进行过滤,与管子的连接管采用塑料绝缘水管,独立机柜,整体的耗散功率不超过2 k W,水冷配电为三相50 Hz/380 V,工作温度0～50℃,全密封结构,具有排气装置。冷却系统有压力指示和各路温度指示,每路的水流量可以调节,故障保护有各路流量、各路温度、压力等。

4 试验结果

本文所论述的高功率四极管发射机,经调试,各项技术指标均达到设计要求,发射机的最高功率达310 k W,发射机脉冲宽度可达400μs,前后沿小于150 ns,能适应20μs/5 Hz,1 Hz/400μs等各种工作状态。工作稳定可靠。在工作过程中四极管曾发生管内打火现象,通过对输出腔充0.2 MPa氮气,提高了绝缘度,打火现象已经得到解决。图10为发射机输出RF脉冲功率信号的包络波形。

图10 发射机输出包络

5 结束语

高功率微波四极管以前没用过,是国内首次进口,所以对此类型管的特性不太熟悉,如何安全有效地使用该管至关重要。四极管自身的结构和腔体外部谐振回路密切联系,在使用时需要按部就班进行调谐,防止自激;管子输出射频通过阳极和阴极边缘耦合到输出腔,在管子和输出腔的接口处如果接触不好,驻波过大就经常会出现打火现象,时间一长,情况会越严重,最终导致管子被打坏。

四极管发射机需要同步调节的地方较多,包括输入腔短路双环的、输入射频耦合调节、输出腔谐振调节、输出射频耦合调节、阳极电压、帘栅电压、控栅电压、输入激励等。这些参数之间相互影响,在某个工作点调试结束后换个工作点又需要重新调试,同时由于腔体的Q值很高,谐振和耦合的微小调节都会导致输出功率有巨大差异,如果可能,设计一个可精密调节的调谐机构至关重要。

解决低频大功率时的干扰问题：输入输出腔体和四极管接触的谐振面要干净光洁,接触良好;做好空间的电磁屏蔽;发射机接地应该采用即薄又宽的铜箔,电感最小;管子灯丝、帘栅极处对阴极用无感电容并联。

调试工作到后期对管子性能的摸索有一定经验,采取的措施有效、可靠,使得四极管发射机连续可靠工作24 h以上,功率稳定输出,无打火、抖动现象。

[1]电子管设计手册编辑委员会.微波三、四极管设计参考资料[M].北京：国防工业出版社,1979：36-42.

[2]黄贵荣.HLS储存环束流负载效应和高频系统相关问题的研究[D].合肥：中国科学技术大学,2007.

[3]孙方礼,张建华,陶小辉.食品辐照加速器用脉冲源的设计[J].高电压技术,2005,31(7)：27-30.

[4]张建华,王旭明,高仲辉,等.W波段大功率发射机设计与研究[J].雷达科学与技术,2014,12(5)：551-556.

[5]徐晓荣,王一农.一种K波段电磁兼容测试发射机设计[J].雷达科学与技术,2013,11(1)：92-96.