基于陽極恒流技術(shù)提高S波段磁控管輸出特性的研究

王紹岳，黃凱，劉長(zhǎng)軍,3

1.四川大學(xué) 電子信息學(xué)院, 四川 成都 610064

2.中全通技術(shù)有限公司, 四川 宜賓 644000

3.宜賓四川大學(xué)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院, 四川 宜賓644000

隨著科技的發(fā)展，微波工業(yè)應(yīng)用得到了越來越多的重視。磁控管功率大、體積小、效率高、成本低，是微波加熱、微波無線能量傳輸?shù)葢?yīng)用的首選器件[1?4]。自由振蕩的磁控管受陽極電壓和電流、負(fù)載變化、諧振腔溫度等影響，相位噪聲差、輸出頻帶寬等[5?9]，制約了其在微波工業(yè)中的推廣應(yīng)用。

Mitani等[10]提出了關(guān)斷磁控管燈絲電流提高磁控管輸出質(zhì)量的方法，效果顯著。Neculaes等[11]提出施加一個(gè)非對(duì)稱軸向磁場(chǎng)抑制近載波的噪聲，改善了磁控管的輸出。Chen等[12]通過降低磁控管陽極電壓紋波改善20 kW磁控管的輸出，提升了注入鎖頻性能。Han等[13]提出了低紋波高壓電源結(jié)合鎖相電路，提高磁控管的相位穩(wěn)定度。但對(duì)陽極電流進(jìn)行穩(wěn)定以改善磁控管輸出性能的研究鮮有報(bào)道。

本文提出一種通過引入電子恒流負(fù)載穩(wěn)定磁控管陽極電流的方法，低成本地實(shí)現(xiàn)了改善磁控管輸出頻譜、抑制相位抖動(dòng)的效果，對(duì)磁控管的微波工業(yè)應(yīng)用具有推廣作用。

1 磁控管特性及注入鎖頻技術(shù)

1.1 頻率推移效應(yīng)

對(duì)于微波源，其工作頻率是最重要的參數(shù)之一，但磁控管的工作頻率會(huì)受到較多因素的影響。在磁控管穩(wěn)定工作的情況下，它的輸出特性主要被陽極電壓和陽極電流所影響。磁控管的頻率推移特性定義為磁控管振蕩頻率隨陽極電流的變化而變化[14]。該特性的成因是磁控管工作時(shí)，內(nèi)部諧振腔中陰極與陽極之間的電子輪輻相比射頻電場(chǎng)最大值有一個(gè)超前的相位差。當(dāng)磁控管陽極電流增大時(shí)，該超前相位將增大，同時(shí)電子輪輻變寬，這種變化降低了陰極與陽極之間的等效電容，即增大了磁控管的輸出頻率。此外，磁控管的陽極電流即是通過電子輪輻的電流，它與射頻場(chǎng)直接相關(guān)，因此磁控管的頻率與電流而非電壓瞬時(shí)相關(guān)[15]。

對(duì)于1個(gè)磁控管，其自由振蕩角頻率ω'可以定義為關(guān)于陽極電流i的函數(shù)，即

式中：ω0為諧振腔固有頻率，δω(i)為由陽極電流波動(dòng)帶來的頻率波動(dòng)。所以，為了提高磁控管頻率穩(wěn)定性，獲得更好的輸出頻譜，改善磁控管的陽極電流穩(wěn)定性是行之有效的方法。

1.2 注入鎖定磁控管

磁控管注入鎖定技術(shù)是指向高功率連續(xù)波磁控管中注入1個(gè)低功率高穩(wěn)定性外部信號(hào)，當(dāng)注入信號(hào)的頻率和幅度滿足一定條件時(shí)，連續(xù)波磁控管輸出頻率與被注入信號(hào)的頻率一致，相位同步。Adler等[16]在小信號(hào)增益近似的基礎(chǔ)上對(duì)微波振蕩器的注入鎖定理論進(jìn)行了研究，并理論推導(dǎo)出注入鎖定振蕩器的穩(wěn)態(tài)相位方程：

式中：α為注入信號(hào)與磁控管輸出信號(hào)的相位差；ω1為注入信號(hào)的角頻率；ω'為磁控管自由振蕩角頻率；為注入比，其中P1為注入信號(hào)功率，P0為磁控管輸出功率；Qext為磁控管的外部品質(zhì)因數(shù)。式(2)給出了磁控管輸出與注入信號(hào)之間的相位關(guān)系。注入比、注入頻率及磁控管自由振蕩頻率都將影響相位差。將式(1)代入式(2)中可得

這表明在注入鎖定狀態(tài)下，磁控管的頻率與相位都將跟隨注入信號(hào)變化，但陽極電流波動(dòng)帶來的頻率波動(dòng)δω(i)將引起注入鎖定磁控管輸出相位的抖動(dòng)。因此，對(duì)于需要高相位穩(wěn)定度的場(chǎng)合，提高陽極電流的穩(wěn)定性是必要的。

2 磁控管恒流電路及實(shí)驗(yàn)

電子恒流負(fù)載通過控制內(nèi)部晶體管的導(dǎo)通量，利用晶體管進(jìn)行電流調(diào)節(jié)，通過反饋和比較電路控制電流，實(shí)現(xiàn)恒定的電流輸出。本文在通用電子恒流負(fù)載的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)。采用LM324運(yùn)算放大器構(gòu)建電壓比較器，將采樣電阻上的電壓與TL431基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，反饋控制MOS管的電流。采用2.2 Ω的采樣電阻，控制電流調(diào)節(jié)范圍為0~1 A。圖1給出了電子恒流負(fù)載的電路圖及照片。為了驗(yàn)證電子恒流負(fù)載對(duì)電路電流的控制作用，利用兆信PS-305D直流源和50 Ω電阻對(duì)恒流功能進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試中恒流值設(shè)置為200 mA。圖2給出了當(dāng)直流電壓由0 V逐漸提高至30 V時(shí)，電子恒流負(fù)載加入前后流經(jīng)電阻的電流。可見電子恒流負(fù)載對(duì)電路電流穩(wěn)定效果良好，可以應(yīng)用于磁控管電源中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定陽極電流的效果。

圖1 改進(jìn)后的電子恒流負(fù)載

圖2 直流源測(cè)試結(jié)果

2.1 磁控管陽極電流恒流系統(tǒng)

本文所提出的恒流系統(tǒng)是在一款自制低紋波模擬電源的基礎(chǔ)上加入改進(jìn)的電子恒流負(fù)載，圖3給出了該恒流方案的電路圖，其中電源部分為自制模擬式直流電源。電源主要由升壓變壓器、燈絲變壓器、高壓二極管、高壓電容以及電感構(gòu)成，其中燈絲回路與高壓回路隔離，在磁控管穩(wěn)定工作后可以切斷燈絲電流以獲得更純凈的微波輸出。Rs為采樣電阻，用于檢測(cè)磁控管陽極電流。當(dāng)磁控管電源工作時(shí)，電子恒流負(fù)載開啟以控制磁控管陽極電流。

圖3 改進(jìn)后的恒流電源電路圖

2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

圖4和圖5分別給出了本次磁控管電源改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)框圖與布局。其中，2.45 GHz磁控管的型號(hào)為Panasonic, 2M210-M1。注入信號(hào)由矢量信號(hào)源（Agilent E8267C）和高增益功率放大器產(chǎn)生。磁控管輸出功率由功率計(jì)（AV2433）測(cè)量，而其輸出信號(hào)的頻譜則由頻譜儀（FSV 信號(hào)分析儀）進(jìn)行檢測(cè)。磁控管工作時(shí)的陽極電流波形則通過檢測(cè)電阻連接至示波器（Tektronix DPO7254）來進(jìn)行測(cè)量。本次實(shí)驗(yàn)中，磁控管陽極電流設(shè)定于345 mA，此時(shí)穩(wěn)定輸出功率為800 W。為實(shí)現(xiàn)恒流控制，電子恒流負(fù)載的恒流值設(shè)定為340 mA。

圖4 磁控管實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖

圖5 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)布局

2.2.1 對(duì)于陽極電流穩(wěn)定的效果

電源穩(wěn)定工作后，由于市電工頻紋波和電源濾波非理想等因素，磁控管的陽極電流會(huì)出現(xiàn)一個(gè)頻率為100 Hz（全波整流后）的紋波，該紋波將導(dǎo)致磁控管性能的惡化，引起磁控管輸出頻率抖動(dòng)。本文提出的改進(jìn)方案對(duì)陽極電流紋波的抑制效果如圖6所示。這表明在加入電子恒流負(fù)載后，陽極電流的100 Hz紋波被明顯地抑制，在波形上只能觀察到50 Hz工頻紋波，紋波峰峰值由1.23 mA 抑制至 0.93 mA，對(duì)應(yīng)紋波從 0.35% 降低至0.26%，電子恒流負(fù)載對(duì)磁控管陽極電流有明顯的穩(wěn)定效果。

圖6 改進(jìn)方案對(duì)陽極電流紋波的影響

2.2.2 自由振蕩磁控管輸出頻譜和功率穩(wěn)定的改善

當(dāng)磁控管處于自由振蕩狀態(tài)下，根據(jù)第2節(jié)中的分析，此時(shí)磁控管輸出頻率直接受到陽極電流影響，因此改善陽極電流穩(wěn)定性能夠直接改善自由振蕩磁控管頻率穩(wěn)定性。

圖7給出了磁控管穩(wěn)定工作不同時(shí)間情況下改進(jìn)前后的輸出頻譜?？梢园l(fā)現(xiàn)，在改進(jìn)后自由振蕩磁控管輸出頻率的動(dòng)態(tài)寬度在10、30、180、600和 900 s時(shí)分別從 46、88、177、339、348 kHz降低為 29、72、117、146、202 kHz。且經(jīng)過 AV2433功率計(jì)檢測(cè)，在加入電子恒流負(fù)載后，磁控管功率峰值抖動(dòng)分別由 12、22、34、44、44 W 降低為1.9、2.8、5.1、21、23 W，即最大抖動(dòng)由 5.5% 被抑制至2.8%。這表明恒流改進(jìn)方案的引入，使得磁控管的頻率穩(wěn)定性和功率穩(wěn)定性都得到了明顯的改善。

圖7 不同時(shí)間下自由振蕩磁控管輸出頻譜

2.2.3 對(duì)注入鎖定磁控管相位抖動(dòng)的改善

注入鎖定技術(shù)是控制磁控管輸出相位最重要的技術(shù)之一。如式(3)所示，注入鎖定態(tài)磁控管的輸出相位仍會(huì)受到頻率抖動(dòng)、注入比變化等因素的干擾而產(chǎn)生波動(dòng)。圖8給出了在加入電子恒流負(fù)載前后，不同注入比下磁控管輸出相位的抖動(dòng)。

圖8 不同注入比下注入鎖定磁控管的相位抖動(dòng)

從圖8中可以看到，注入信號(hào)的相位幾乎為一個(gè)常數(shù)，抖動(dòng)峰峰值小于0.3°。在加入電子恒流負(fù)載前后，注入比分別為0.05、0.1、0.15時(shí)，相位抖動(dòng)范圍分別從 4.17°、2.06°、1.08°降低為 1.64°、0.99°、0.96°。該結(jié)果表明，在低注入比（ρ=0.05）情況下，本文提出的恒流方案對(duì)注入鎖定磁控管輸出相位抖動(dòng)有明顯的抑制效果，此時(shí)相位抖動(dòng)為改進(jìn)前的39%。當(dāng)注入比逐漸提高，該恒流方案對(duì)磁控管輸出相位改善程度將逐漸下降。在注入比較高（ρ=1.5）時(shí)，對(duì)相位抖動(dòng)的抑制效果明顯下降，改進(jìn)后的相位抖動(dòng)為改進(jìn)前的88%。這是因?yàn)樵诟咦⑷氡葧r(shí)，磁控管受注入信號(hào)的控制越來越強(qiáng)，此時(shí)磁控管整體性能主要受到外部諸如信號(hào)性能的影響，電流波動(dòng)的影響變?nèi)?，因此穩(wěn)定陽極電流對(duì)相位抖動(dòng)的影響也變小了。

3 結(jié)論

本文開展了改善S波段磁控管輸出特性的研究，提出一種低成本改進(jìn)方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)S波段連續(xù)波磁控管輸出微波質(zhì)量的提高。本次實(shí)驗(yàn)得到結(jié)論如下：

1）本文提出的恒流方案對(duì)磁控管陽極電流紋波有明顯的抑制作用，恒流方案的引入將電流紋波0.35%抑制至0.26%；

2）自由振蕩磁控管的輸出質(zhì)量得到極大的改善，在 10、30、180、600、900 s共 5種時(shí)間長(zhǎng)度下，自由振蕩磁控管的輸出頻率動(dòng)態(tài)范圍分別從46.38、88.41、176.82、339.13、347.83 kHz降低為28.99、72.46、117.39、146.37、202.91 kHz，功率抖動(dòng)也從5.5%抑制至2.8%；

3）在注入鎖定狀態(tài)，恒流方案對(duì)低注入比下磁控管輸出相位抖動(dòng)有良好的抑制作用，當(dāng)注入比分別為0.05、0.1、0.15時(shí)，相位抖動(dòng)范圍分別從4.169 5°、2.064 7°、1.083 6°降低為 1.640 8°、0.986 2°、0.962 5°，該結(jié)果意味著恒流方案使得注入鎖定磁控管在低注入比時(shí)就能夠?qū)崿F(xiàn)媲美更高注入比的相位穩(wěn)定度。

本文所提出的陽極電流恒流方案能夠作為一種經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)捷的方法提高磁控管高壓直流電源的穩(wěn)定性，有望減少價(jià)格昂貴的高壓濾波電容使用，為降低磁控管系統(tǒng)成本、提高磁控管輸出質(zhì)量提供了一種行之有效的參考方案。