寬帶脈沖行波管放大器功率管理技術(shù)研究

蔣洪衛(wèi)

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第723研究所,揚(yáng)州 225001)

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寬帶脈沖行波管放大器功率管理技術(shù)研究

蔣洪衛(wèi)

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第723研究所,揚(yáng)州 225001)

介紹了一種寬帶脈沖行波管放大器，闡述了行波管放大器的基本工作原理，分析了影響行波管輸出功率的主要因素，并提出了一種切實(shí)可行的寬帶行波管放大器的功率管理技術(shù)。

行波管放大器；增益；柵極；螺旋線；飽和輸出功率；功率管理

0 引 言

行波管的應(yīng)用非常廣泛，幾乎所有的衛(wèi)星通訊都使用行波管作為末級(jí)放大器。在大多數(shù)雷達(dá)系統(tǒng)中都要使用一只或若干只行波管作為產(chǎn)生高頻發(fā)射脈沖的大功率放大器。螺旋線行波管的帶寬可以達(dá)到2個(gè)倍頻程以上，因而在很多大功率寬帶脈沖信號(hào)模擬器中也經(jīng)常采用行波管放大器。

1 寬帶行波管放大器的工作原理

行波管放大器是通過(guò)電磁場(chǎng)與電子注發(fā)生能量交換使高頻信號(hào)得以放大的微波真空器件。行波管在結(jié)構(gòu)上包括電子槍、慢波電路(螺旋線)、衰減器、能量耦合器(微波信號(hào)輸入、微波功率輸出)、磁場(chǎng)(聚焦系統(tǒng))和收集極等部分(如圖1所示)。電子槍的作用是形成符合設(shè)計(jì)要求的電子注。聚焦系統(tǒng)使電子注保持所需形狀，保證電子注順利穿過(guò)慢波電路并與微波場(chǎng)發(fā)生有效的相互作用，最后由收集極接收電子注。待放大的微波信號(hào)經(jīng)輸入能量耦合器進(jìn)入慢波電路，并沿慢波電路行進(jìn)。電子與行進(jìn)的微波場(chǎng)進(jìn)行能量交換，使微波信號(hào)得到放大。放大后的微波功率經(jīng)輸出能量耦合器送至負(fù)載。

在行波管中，電子注與慢波電路中的微波場(chǎng)發(fā)生相互作用。為了使電子注同微波場(chǎng)產(chǎn)生有效的相互作用，電子的直流運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)比沿慢波電路行進(jìn)的微波場(chǎng)的相位傳播速度(相速)略高，稱為同步條件。

2 寬帶行波管放大器的輸出功率

行波管放大器的輸出功率主要由放大器選用的行波管特性所決定。在寬帶放大器中，通常要求放大器具備倍頻程甚至2個(gè)倍頻程的帶寬，如1～2 GHz，2～4 GHz，4～8 GHz，6～18 GHz等，在如此寬的頻率范圍內(nèi)，在寬帶行波管的設(shè)計(jì)和制造時(shí)，通常采用無(wú)源均衡器對(duì)行波管的增益進(jìn)行均衡。即使如此，行波管的增益通常仍然會(huì)出現(xiàn)較大幅度的變化，進(jìn)而導(dǎo)致輸出功率的變化。

由于超寬帶脈沖行波管在整個(gè)頻帶范圍內(nèi)增益變化較大[1]，因而常規(guī)的寬帶行波管放大器在整個(gè)頻帶范圍內(nèi)的飽和輸出功率波動(dòng)較大，有些可達(dá)到3 dB。究其原因，主要是行波管電源所提供的螺旋線同步電壓通常都是一個(gè)定值。

例如，某行波管工作頻率范圍為6.5～18 GHz，其脈沖輸出功率為1 kW，行波管制造商通常給出的螺旋線同步電壓為10.5 kV，很顯然，假定這個(gè)電壓是行波管工作于12 GHz時(shí)的理想同步電壓，那么該電壓顯然不能滿足在6.5 GHz或18 GHz時(shí)行波管工作于理想同步狀態(tài)。

通過(guò)對(duì)該行波管的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在行波管各極電壓為行波管制造商給定的銘牌值時(shí)，在整個(gè)頻率范圍內(nèi)行波管飽和輸出功率會(huì)在1.05～2.1 kW內(nèi)變化,而行波管的飽和增益波動(dòng)則達(dá)到10 dB。

3 寬帶行波管放大器功率管理

基于行波管的基本工作原理，本文設(shè)計(jì)了這樣一套行波管饋電系統(tǒng)：根據(jù)行波管的工作頻率，自動(dòng)調(diào)整行波管的工作電氣參數(shù)。

就柵極控制脈沖行波管而言，其柵極正偏電壓的幅值直接決定了行波管電子槍發(fā)射電子的能力，而行波管螺旋線同步電壓則對(duì)行波管高頻增益影響較大。因而在不同的頻率范圍內(nèi)，可以通過(guò)行波管的柵極正偏電壓和螺旋線同步電壓，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)行波管的增益特性，從而實(shí)現(xiàn)行波管輸出功率的管理。柵控行波管饋電系統(tǒng)如圖2所示。

圖2中，行波管電源為行波管提供工作所需的各極電源，主要包括螺旋線電源Uh、收集極電源、熱絲電源、柵極負(fù)偏壓電源、柵極脈沖調(diào)制電源Ug。場(chǎng)效應(yīng)放大器、數(shù)控衰減器、寬帶隔離器等構(gòu)成行波管射頻輸入饋電系統(tǒng)。采用寬帶定向耦合器對(duì)行波管輸出功率進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果饋送至控制中心。

圖2 柵控行波管饋電系統(tǒng)組成框圖

控制中心通過(guò)數(shù)控衰減器控制行波管射頻輸入信號(hào)的幅值，同時(shí)控制中心通過(guò)改變螺旋線電源Uh、柵極脈沖調(diào)制電源Ug的電壓基準(zhǔn)信號(hào)，對(duì)螺旋線電源Uh、柵極脈沖調(diào)制電源Ug進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

控制中心可設(shè)置多組行波管參數(shù)(Ug和Uh)，針對(duì)不同的工作頻率，進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：即依次通過(guò)行波管電源將各組行波管參數(shù)設(shè)置到行波管，在行波管工作于每組行波管電氣參數(shù)時(shí)，控制中心調(diào)整數(shù)控衰減器的衰減倍數(shù)G1，并采集行波管的輸出功率Pout，根據(jù)輸出功率是否跟隨衰減倍數(shù)G1的變化而變化，獲得行波管的動(dòng)態(tài)范圍。針對(duì)每個(gè)頻率點(diǎn)，選取出現(xiàn)最大動(dòng)態(tài)范圍時(shí)的行波管參數(shù)和衰減倍數(shù)，并形成關(guān)系表。

與飛機(jī)制造、大型能源裝備制造業(yè)不同，印刷行業(yè)的集中度還不夠高，是一個(gè)以中小企業(yè)為主力軍的行業(yè)。“長(zhǎng)尾理論告訴我們，任何不方便都可以成為商業(yè)機(jī)會(huì)。未來(lái)，多種印刷方式的并存是必然?！毙旖▏?guó)理事長(zhǎng)解釋說(shuō)，協(xié)會(huì)需要扮演的角色是，把行業(yè)可能遇到的情況、影響，發(fā)生的改變，可參考路徑等告訴大家，做稱職的“天氣預(yù)報(bào)員”。至于具體怎么去做，還是要由企業(yè)自己做出判斷。

在實(shí)際放大工作過(guò)程中，根據(jù)射頻輸入信號(hào)的頻率在關(guān)系表中查找最合適的Ug、Uh和衰減系數(shù)G1，從而能夠使得整個(gè)放大器在更大的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)線性放大，提高行波管放大器的動(dòng)態(tài)范圍。

4 應(yīng)用實(shí)例

放大器主要技術(shù)指標(biāo)：

(1) 頻率范圍：6.5～18 GHz；

(2) 飽和輸出功率Pout：≥1 kW(60 dBm)；

(3) 放大器增益：≥60 dB;

(4) 工作比：6%;

(5) 輸出線性調(diào)節(jié)范圍：≥30 dB。

其中表1為常規(guī)行波管放大器功率輸出特性，表2為采用功率管理技術(shù)后放大器輸出特性測(cè)試數(shù)據(jù)。

表1 常規(guī)模式行波管放大器功率輸出特性

表1中：Pin=0dBm，場(chǎng)應(yīng)放大器增益為30dB，Uh=10.5kV，Ug=138.5V。

表2給出了行波管工作于制造商給定的電參數(shù)額定值時(shí)放大器的功率輸出特性。表2中：Pin=0dBm，場(chǎng)應(yīng)放大器增益為30dB。

從表1和表2的數(shù)據(jù)可以看出，在選用相同的行波管條件下，常規(guī)模式寬帶脈沖行波管放大器，在行波管各極電壓為行波管制造商給定的銘牌值時(shí)，在整個(gè)頻率范圍內(nèi)行波管飽和輸出功率會(huì)在1.05～2.1kW內(nèi)變化,行波管的飽和增益波動(dòng)則達(dá)到10dB。

采用本文介紹的功率管理技術(shù)，在不同的頻率范圍內(nèi)微調(diào)行波管螺旋線同步電壓，并根據(jù)行波管射頻輸入信號(hào)的幅度調(diào)整行波管柵極正偏電壓的幅度，行波管的飽和輸出功率波動(dòng)范圍只有0.8dB，而且在整個(gè)頻帶內(nèi)，放大器輸出的線性度都很好。

表2 行波管放大器功率輸出特性

5 結(jié)束語(yǔ)

采用本文介紹的功率控制技術(shù)，可以有效地對(duì)寬帶脈沖行波管放大器的功率特性進(jìn)行管理。該技術(shù)已成功應(yīng)用于某型大功率信號(hào)環(huán)境模擬器。

如何在未知射頻輸入信號(hào)頻率和幅度的情況下，實(shí)現(xiàn)行波管工作參數(shù)的高速自適應(yīng)控制，還有待進(jìn)一步探討和研究。

[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