基于阳极恒流技术提高S波段磁控管输出特性的研究

王绍岳，黄凯，刘长军,3

1.四川大学 电子信息学院, 四川 成都 610064

2.中全通技术有限公司, 四川 宜宾 644000

3.宜宾四川大学产业技术研究院, 四川 宜宾644000

随着科技的发展，微波工业应用得到了越来越多的重视。磁控管功率大、体积小、效率高、成本低，是微波加热、微波无线能量传输等应用的首选器件[1−4]。自由振荡的磁控管受阳极电压和电流、负载变化、谐振腔温度等影响，相位噪声差、输出频带宽等[5−9]，制约了其在微波工业中的推广应用。

Mitani等[10]提出了关断磁控管灯丝电流提高磁控管输出质量的方法，效果显著。Neculaes等[11]提出施加一个非对称轴向磁场抑制近载波的噪声，改善了磁控管的输出。Chen等[12]通过降低磁控管阳极电压纹波改善20 kW磁控管的输出，提升了注入锁频性能。Han等[13]提出了低纹波高压电源结合锁相电路，提高磁控管的相位稳定度。但对阳极电流进行稳定以改善磁控管输出性能的研究鲜有报道。

本文提出一种通过引入电子恒流负载稳定磁控管阳极电流的方法，低成本地实现了改善磁控管输出频谱、抑制相位抖动的效果，对磁控管的微波工业应用具有推广作用。

1 磁控管特性及注入锁频技术

1.1 频率推移效应

对于微波源，其工作频率是最重要的参数之一，但磁控管的工作频率会受到较多因素的影响。在磁控管稳定工作的情况下，它的输出特性主要被阳极电压和阳极电流所影响。磁控管的频率推移特性定义为磁控管振荡频率随阳极电流的变化而变化[14]。该特性的成因是磁控管工作时，内部谐振腔中阴极与阳极之间的电子轮辐相比射频电场最大值有一个超前的相位差。当磁控管阳极电流增大时，该超前相位将增大，同时电子轮辐变宽，这种变化降低了阴极与阳极之间的等效电容，即增大了磁控管的输出频率。此外，磁控管的阳极电流即是通过电子轮辐的电流，它与射频场直接相关，因此磁控管的频率与电流而非电压瞬时相关[15]。

对于1个磁控管，其自由振荡角频率ω'可以定义为关于阳极电流i的函数，即

式中：ω0为谐振腔固有频率，δω(i)为由阳极电流波动带来的频率波动。所以，为了提高磁控管频率稳定性，获得更好的输出频谱，改善磁控管的阳极电流稳定性是行之有效的方法。

1.2 注入锁定磁控管

磁控管注入锁定技术是指向高功率连续波磁控管中注入1个低功率高稳定性外部信号，当注入信号的频率和幅度满足一定条件时，连续波磁控管输出频率与被注入信号的频率一致，相位同步。Adler等[16]在小信号增益近似的基础上对微波振荡器的注入锁定理论进行了研究，并理论推导出注入锁定振荡器的稳态相位方程：

式中：α为注入信号与磁控管输出信号的相位差；ω1为注入信号的角频率；ω'为磁控管自由振荡角频率；为注入比，其中P1为注入信号功率，P0为磁控管输出功率；Qext为磁控管的外部品质因数。式(2)给出了磁控管输出与注入信号之间的相位关系。注入比、注入频率及磁控管自由振荡频率都将影响相位差。将式(1)代入式(2)中可得

这表明在注入锁定状态下，磁控管的频率与相位都将跟随注入信号变化，但阳极电流波动带来的频率波动δω(i)将引起注入锁定磁控管输出相位的抖动。因此，对于需要高相位稳定度的场合，提高阳极电流的稳定性是必要的。

2 磁控管恒流电路及实验

电子恒流负载通过控制内部晶体管的导通量，利用晶体管进行电流调节，通过反馈和比较电路控制电流，实现恒定的电流输出。本文在通用电子恒流负载的基础上对其进行了改进。采用LM324运算放大器构建电压比较器，将采样电阻上的电压与TL431基准电压进行比较，反馈控制MOS管的电流。采用2.2 Ω的采样电阻，控制电流调节范围为0~1 A。图1给出了电子恒流负载的电路图及照片。为了验证电子恒流负载对电路电流的控制作用，利用兆信PS-305D直流源和50 Ω电阻对恒流功能进行测试。测试中恒流值设置为200 mA。图2给出了当直流电压由0 V逐渐提高至30 V时，电子恒流负载加入前后流经电阻的电流。可见电子恒流负载对电路电流稳定效果良好，可以应用于磁控管电源中实现稳定阳极电流的效果。

图1 改进后的电子恒流负载

图2 直流源测试结果

2.1 磁控管阳极电流恒流系统

本文所提出的恒流系统是在一款自制低纹波模拟电源的基础上加入改进的电子恒流负载，图3给出了该恒流方案的电路图，其中电源部分为自制模拟式直流电源。电源主要由升压变压器、灯丝变压器、高压二极管、高压电容以及电感构成，其中灯丝回路与高压回路隔离，在磁控管稳定工作后可以切断灯丝电流以获得更纯净的微波输出。Rs为采样电阻，用于检测磁控管阳极电流。当磁控管电源工作时，电子恒流负载开启以控制磁控管阳极电流。

图3 改进后的恒流电源电路图

2.2 实验测量

图4和图5分别给出了本次磁控管电源改进实验的系统框图与布局。其中，2.45 GHz磁控管的型号为Panasonic, 2M210-M1。注入信号由矢量信号源（Agilent E8267C）和高增益功率放大器产生。磁控管输出功率由功率计（AV2433）测量，而其输出信号的频谱则由频谱仪（FSV 信号分析仪）进行检测。磁控管工作时的阳极电流波形则通过检测电阻连接至示波器（Tektronix DPO7254）来进行测量。本次实验中，磁控管阳极电流设定于345 mA，此时稳定输出功率为800 W。为实现恒流控制，电子恒流负载的恒流值设定为340 mA。

图4 磁控管实验系统框图

图5 实验系统布局

2.2.1 对于阳极电流稳定的效果

电源稳定工作后，由于市电工频纹波和电源滤波非理想等因素，磁控管的阳极电流会出现一个频率为100 Hz（全波整流后）的纹波，该纹波将导致磁控管性能的恶化，引起磁控管输出频率抖动。本文提出的改进方案对阳极电流纹波的抑制效果如图6所示。这表明在加入电子恒流负载后，阳极电流的100 Hz纹波被明显地抑制，在波形上只能观察到50 Hz工频纹波，纹波峰峰值由1.23 mA 抑制至 0.93 mA，对应纹波从 0.35% 降低至0.26%，电子恒流负载对磁控管阳极电流有明显的稳定效果。

图6 改进方案对阳极电流纹波的影响

2.2.2 自由振荡磁控管输出频谱和功率稳定的改善

当磁控管处于自由振荡状态下，根据第2节中的分析，此时磁控管输出频率直接受到阳极电流影响，因此改善阳极电流稳定性能够直接改善自由振荡磁控管频率稳定性。

图7给出了磁控管稳定工作不同时间情况下改进前后的输出频谱。可以发现，在改进后自由振荡磁控管输出频率的动态宽度在10、30、180、600和 900 s时分别从 46、88、177、339、348 kHz降低为 29、72、117、146、202 kHz。且经过 AV2433功率计检测，在加入电子恒流负载后，磁控管功率峰值抖动分别由 12、22、34、44、44 W 降低为1.9、2.8、5.1、21、23 W，即最大抖动由 5.5% 被抑制至2.8%。这表明恒流改进方案的引入，使得磁控管的频率稳定性和功率稳定性都得到了明显的改善。

图7 不同时间下自由振荡磁控管输出频谱

2.2.3 对注入锁定磁控管相位抖动的改善

注入锁定技术是控制磁控管输出相位最重要的技术之一。如式(3)所示，注入锁定态磁控管的输出相位仍会受到频率抖动、注入比变化等因素的干扰而产生波动。图8给出了在加入电子恒流负载前后，不同注入比下磁控管输出相位的抖动。

图8 不同注入比下注入锁定磁控管的相位抖动

从图8中可以看到，注入信号的相位几乎为一个常数，抖动峰峰值小于0.3°。在加入电子恒流负载前后，注入比分别为0.05、0.1、0.15时，相位抖动范围分别从 4.17°、2.06°、1.08°降低为 1.64°、0.99°、0.96°。该结果表明，在低注入比（ρ=0.05）情况下，本文提出的恒流方案对注入锁定磁控管输出相位抖动有明显的抑制效果，此时相位抖动为改进前的39%。当注入比逐渐提高，该恒流方案对磁控管输出相位改善程度将逐渐下降。在注入比较高（ρ=1.5）时，对相位抖动的抑制效果明显下降，改进后的相位抖动为改进前的88%。这是因为在高注入比时，磁控管受注入信号的控制越来越强，此时磁控管整体性能主要受到外部诸如信号性能的影响，电流波动的影响变弱，因此稳定阳极电流对相位抖动的影响也变小了。

3 结论

本文开展了改善S波段磁控管输出特性的研究，提出一种低成本改进方案，实现了对S波段连续波磁控管输出微波质量的提高。本次实验得到结论如下：

1）本文提出的恒流方案对磁控管阳极电流纹波有明显的抑制作用，恒流方案的引入将电流纹波0.35%抑制至0.26%；

2）自由振荡磁控管的输出质量得到极大的改善，在 10、30、180、600、900 s共 5种时间长度下，自由振荡磁控管的输出频率动态范围分别从46.38、88.41、176.82、339.13、347.83 kHz降低为28.99、72.46、117.39、146.37、202.91 kHz，功率抖动也从5.5%抑制至2.8%；

3）在注入锁定状态，恒流方案对低注入比下磁控管输出相位抖动有良好的抑制作用，当注入比分别为0.05、0.1、0.15时，相位抖动范围分别从4.169 5°、2.064 7°、1.083 6°降低为 1.640 8°、0.986 2°、0.962 5°，该结果意味着恒流方案使得注入锁定磁控管在低注入比时就能够实现媲美更高注入比的相位稳定度。

本文所提出的阳极电流恒流方案能够作为一种经济、简捷的方法提高磁控管高压直流电源的稳定性，有望减少价格昂贵的高压滤波电容使用，为降低磁控管系统成本、提高磁控管输出质量提供了一种行之有效的参考方案。