數(shù)字化I/Q技術(shù)用于磁控管頻率控制

鐘少鵬 趙明華 張俊強(qiáng)

（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理所直線加速器課題組承擔(dān)了一臺(tái)2 MeV電子直線加速器的建設(shè)任務(wù)。該加速器擬用于輻照加工，其能量為2 MeV以上，束流平均功率1 kW。根據(jù)加速器的束流指標(biāo)要求，采用輸出峰值功率為2.6 MW的GLM5193磁控管為加速管提供微波能量。微波系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)有：工作頻率2 998 MHz，頻率穩(wěn)定范圍<±25 kHz，加速管入口峰值功率1.9 MW，RF脈沖寬度4 μs，工作比 0.1%，重復(fù)頻率250 Hz，加速管出口剩余功率<0.3MW，平均功率<300 W。加速器主體的方案見圖1。

圖1 加速器主體的方案圖Fig.1 Framework layout of accelerator.

1 磁控管頻率控制原理

由于溫度、機(jī)械振動(dòng)以及磁控管負(fù)載牽引會(huì)導(dǎo)致磁控管頻率的漂移，使其偏離加速管所要求的工作頻率，從而導(dǎo)致加速器電子束能量和效率下降以及能散惡化，所以需要一套自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)(Automatic Frequency Control, AFC)對磁控管進(jìn)行調(diào)諧，使其工作在2 998 MHz。傳統(tǒng)的AFC系統(tǒng)主要有雙腔鑒頻以及行波控相[1]辦法。隨著數(shù)字化I/Q鑒相技術(shù)及FPGA商業(yè)產(chǎn)品的發(fā)展，基于FPGA平臺(tái)開發(fā)應(yīng)用的數(shù)字化I/Q技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，其技術(shù)不斷成熟，穩(wěn)定性和可靠性早已在各類工程裝置上得到廣泛的驗(yàn)證，而其造價(jià)也不斷降低。 將該項(xiàng)技術(shù)運(yùn)用于磁控管的頻率控制具有良好的可行性。諧振腔對信號具有相移特性，不同頻率信號其相移量不同，在此方案中，觀察磁控管輸出信號經(jīng)過一只通過式高Q諧振腔后的相位變化量，從而推定磁控管信號頻率的變化量，其理論依據(jù)是諧振腔的失諧角q與工作頻率f的關(guān)系[2]，如式(1)：

式中，Ql為腔體有載品質(zhì)因素；f0為腔體諧振頻率；f為輸入腔體信號頻率。

當(dāng)f偏離f0不大時(shí)，二者關(guān)系如式(2)：

具體方法是從磁控管輸出取樣來的信號分為兩路，一路作為參考信號，一路經(jīng)過一個(gè)頻率2998MHz的諧振腔，當(dāng)磁控管頻率偏離2998MHz時(shí)，從諧振腔出來的信號會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的相位偏移，運(yùn)用下變頻技術(shù)將兩路信號都下變到 25.6MHz中頻，經(jīng)過數(shù)字化I/Q技術(shù)鑒相后比較兩路信號的相位，其差值與磁控管工作頻率的偏差值相關(guān)，此時(shí)控制器給出調(diào)整信號去調(diào)整磁控管的工作頻率直至其回到加速器的工作頻率。利用數(shù)字化I/Q鑒相技術(shù)測量信號通過諧振腔前后的相位差來反饋控制磁控管的頻率，控制系統(tǒng)的原理圖如圖2。

圖2 AFC控制系統(tǒng)的原理圖Fig.2 Principle scheme of AFC control system.

2 數(shù)字化I/Q鑒相技術(shù)

AFC系統(tǒng)的一個(gè)重要技術(shù)是數(shù)字化I/Q 鑒相，鑒相測量精度決定了頻率控制精度。在I/Q鑒相器中，調(diào)制解調(diào)器(Demodulator)可以將射頻信號的幅度和相位信息分解成 I/Q信號[3]，從直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系到極坐標(biāo)系，如圖3所示。

圖3 RF信號的幅度和相位信息分解Fig.3 Separated information of amplitude and phase.

根據(jù)獲得I/Q數(shù)據(jù)的方式不同可以分為傳統(tǒng)的模擬I/Q技術(shù)和數(shù)字化I/Q技術(shù)。數(shù)字化I/Q技術(shù)將RF輸入信號和本地振蕩信號LO進(jìn)行混頻，向下轉(zhuǎn)換成一個(gè)中頻信號，經(jīng)過帶通濾波器去掉混頻信號中對系統(tǒng)有危害的高頻信號，中頻信號直接由模數(shù)轉(zhuǎn)換器以4倍于中頻的采樣速率進(jìn)行采樣，這樣采樣的數(shù)據(jù)就以90°的間隔反映了RF輸入的幅度和相位信息。如果定義第一個(gè)在 0°采樣的數(shù)據(jù)為 I，下一個(gè)在90°采樣的數(shù)據(jù)為Q，180°采樣的數(shù)據(jù)為?I，270°采樣的數(shù)據(jù)為?Q，那么下一個(gè)在360°采樣的數(shù)據(jù)又為I，依此類推。ADC的輸出提供了一個(gè)測量值為 I、Q、?I、?Q 依次重復(fù)的數(shù)據(jù)流[4]，如圖 4所示。

圖4 數(shù)字I/Q技術(shù)Fig.4 Dataflow of digital I/Q technology.

這個(gè)數(shù)據(jù)流被一個(gè)2路選擇器分割成兩條數(shù)字路徑，分別為I和Q，每一條數(shù)字路徑分別經(jīng)過一個(gè)乘法器依次冠以+和?（采樣得到的信號自動(dòng)帶有正負(fù)號），最終的輸出信號就是RF輸入信號的I/Q分量。在FPGA中，對I/Q分量進(jìn)行cordic算法求解，從而得到信號的相位信息。兩路信號鑒相的相位差作為控制量，驅(qū)動(dòng)磁控管調(diào)諧機(jī)械的步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向[5]，調(diào)整磁控管的振蕩頻率直至鑒相的相位差回到所設(shè)置的要求范圍內(nèi)，相應(yīng)地磁控管的頻率也回到要求的初始值。

3 實(shí)施方案與結(jié)果

在本系統(tǒng)中，需要一只諧振腔，一般選用TE010模的駐波腔，其Q值越高頻率控制精度會(huì)越高。諧振腔有輸入輸出兩個(gè)端口，便于信號的聯(lián)接。對2998MHz信號，本方案采用16位的ADC，I/Q鑒相技術(shù)的測量控制精度可以達(dá)到0.3°，圖5是本方案的FPGA板卡，圖6是相位測量的結(jié)果。

圖5 用于鑒相的FPGA數(shù)字化板卡Fig.5 FPGA card for phase discrimination.

圖6 信號相位的測量結(jié)果Fig.6 Phase measurement of RF signal.

系統(tǒng)需要一只高Q諧振腔，圖7是一只無氧銅駐波諧振腔的相位-頻率曲線，從圖7中可以看出，輸入諧振腔的信號頻率偏離中心頻率 25 kHz將使輸出信號相位產(chǎn)生 10°的偏移，將曲線近似看作線性，可以推斷知道該系統(tǒng)對頻率的控制精度在750Hz。

在加速器調(diào)試時(shí)，借助標(biāo)準(zhǔn)信號源先將AFC進(jìn)行初始化，將2 998 MHz的信號輸入到AFC，將此時(shí)鑒相器的測量值置零，然后將磁控管輸出的取樣信號替換標(biāo)準(zhǔn)信號輸入到AFC，當(dāng)磁控管工作頻率偏離2 998 MHz時(shí)，鑒相器的測量值將偏離零位置，AFC控制步進(jìn)電機(jī)工作調(diào)整磁控管的工作頻率，直致鑒相值回到零位，此時(shí)對應(yīng)管子的工作頻率為2998 MHz。機(jī)器調(diào)試中用頻譜儀監(jiān)測磁控管頻率，磁控管的頻率漂移將控制在1 kHz以內(nèi)，滿足加速管對磁控管頻率漂移小于500 kHz的要求。

圖7 諧振腔的相位-頻率曲線 (a) BW=3 MHz，(b) BW=0.1 MHzFig.7 Phase vs. frequency curve of cavity. (a) BW=3 MHz, (b) BW=0.1 MHz

4 結(jié)語

本文闡述了采用高分辨率的數(shù)字化I/Q鑒相技術(shù)實(shí)現(xiàn)磁控管頻率控制方法，與傳統(tǒng)采用粗調(diào)、細(xì)調(diào)兩個(gè)反饋環(huán)路控制的傳統(tǒng)AFC模擬系統(tǒng)相比，該項(xiàng)技術(shù)的頻率控制精度達(dá)到1 kHz以內(nèi)，優(yōu)于前者幾十kHz的精度，更好地滿足了加速器束流能量穩(wěn)定性要求。整個(gè)AFC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)模塊化加工，安裝與調(diào)試也變得簡單方便，F(xiàn)PGA板卡是AFC的核心部件，隨著FPGA板卡的廣泛運(yùn)用，其售價(jià)不斷降低，該方案AFC的工程造價(jià)也變得可行。

1 趙明華, 林國強(qiáng), 鐘少鵬, 等. 上海光源直線加速器初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R]. 上海: 中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所, 2004 ZHAO Minghua, LIN Guoqiang, ZHONG Shaopeng, et al. Preliminary design report of SSRF linac[R]. Shanghai:Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, 2004

2 趙玉彬. 高頻低電平控制和高頻直接反饋[D]. 博士論文. 中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所, 2008: 11 ZHAO Yubin. High-frequency and high-frequency low-level control direct feedback[D]. PhD Thesis.Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, 2008: 11

3 劉一蕾, 王光偉, 王芳. I/Q方法用于高頻信號鑒相[J].高能物理與核物理, 2006, 30(8): 780?783 LIU Yilei, WANG Guangwei, WANG Fang. I/Q phase method for high-frequency signal[J]. High Energy Physics and Nuclear Physics, 2006, 30(8): 780?783

4 張俊強(qiáng), 殷重先, 高永強(qiáng), 等. FPGA實(shí)現(xiàn)次諧波聚束器的幅相控制[J]. 核技術(shù), 2012, 35(7): 499?502 ZHANG Junqiang, YIN Chongxian, GAO Yongqiang, et al. An FPGA-based amplitude and phase control of sub-harmonic buncher[J]. Nuclear Techniques, 2012,35(7): 499?502

5 張瑞, 趙玉彬, 付澤川, 等. 數(shù)字化 LLRF頻調(diào)環(huán)路的步進(jìn)電機(jī)控制算法設(shè)計(jì)[J]. 核技術(shù), 2010, 33(8):571?574 ZHANG Rui, ZHAO Yubin, FU Zechuan, et al. Design of an algorithm for stepper motor control in frequency tuned loop of digital LLRF[J]. Nuclear Techniques, 2010, 33(8):571?574