(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

目前,高能射頻直線加速器為了獲得1 000～20 000 eV甚至更高的加速梯度,通常需要高功率微波源來激勵加速腔產(chǎn)生高束流電子。為了使腔體內(nèi)帶電粒子與電磁場作更好的能量交換,需要高功率微波源提供足夠高的能量。微波源發(fā)射機穩(wěn)定可靠產(chǎn)生的微波能量,對加速器關(guān)鍵性能參數(shù)——加速梯度即電子能量增加的速率有著直接的、重要的影響[1]。

1 主要特點及技術(shù)指標(biāo)

在UHF波段,對于輸出功率達(dá)到300 k W的發(fā)射機,根據(jù)目前的技術(shù)水平,如果采用全固態(tài)方案,不僅成本極高,而且也不太現(xiàn)實?？尚械姆桨甘遣捎谜婵展茏鳛槟┘壏糯笃?。該發(fā)射機采用主振放大式體制,末級放大器為UHF波段的微波四極管。將頻率源產(chǎn)生的UHF波段的脈沖信號放大到需要的功率電平,經(jīng)饋線、定向耦合器到負(fù)載。對發(fā)射機的指標(biāo)要求如下：

輸出頻率：201.25±1 MHz

3 dB帶寬：±1 MHz

最大輸出功率：300 k W

輸出功率調(diào)節(jié)范圍：0～300 k W

頻率穩(wěn)定度：±1°

功率穩(wěn)定：±1%(脈間+脈內(nèi))

相位穩(wěn)定度：±10

諧波抑制比：-25 d B

輸出阻抗：50Ω

工作方式：脈沖

脈沖重復(fù)頻率：1,2,5 Hz

脈沖平頂寬度：20～400μs

輸出接口：法蘭連接

輸出饋管：6 in

內(nèi)外同步工作狀態(tài)：可選擇

2 系統(tǒng)組成與工作原理

發(fā)射機系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。由晶振源或外接信號源產(chǎn)生的高頻微波信號經(jīng)過變頻、調(diào)制和放大后產(chǎn)生功率放大器所需的201.25 MHz微波信號,經(jīng)過高功率放大器放大至加速腔所需的300 k W微波功率。加速腔的反饋信號與輸入的微波信號進(jìn)行比較,用于保證加速腔輸入端微波信號的幅度、相位及加速腔頻率的穩(wěn)定。

圖1 發(fā)射機系統(tǒng)組成框圖

高功率微波發(fā)射機方案采用固態(tài)推動四極管的方案,由兩級放大器組成,晶振源產(chǎn)生約100 m W的微波信號,經(jīng)過固態(tài)放大器放大至8 k W左右,再經(jīng)過高功率四極管放大器放大至300 k W左右。四極管放大器主要是要求工作穩(wěn)定,不易自激,該管是陰極端接地,所以采用共陰放大器。燈絲電源給四極管提供加熱電源,陰極受燈絲加熱后發(fā)射電子;陽極電源為管子提供20 k V工作電壓;簾柵電源和控柵電源控制四極管通斷,在射頻脈沖激勵期間控柵電源工作,簾柵電源提供截至電壓[2],如圖2所示。

圖2 四極管工作框圖

3 發(fā)射機采用的主要技術(shù)

3.1 高功率固態(tài)放大器

高功率固態(tài)放大器的主要功能是完成射頻功率放大,為四極管放大器提供所需的推動功率。四極管的增益大約為20 dB,理想情況下,前級激勵功率需要3 k W,考慮管子參數(shù)有一定離散性,同時考慮隔離器和傳輸線損耗,固態(tài)放大器的輸出要求大于6 k W。設(shè)計中,將末級放大器作為基本單元,根據(jù)系統(tǒng)需要可適當(dāng)調(diào)整合成路數(shù)。其原理框圖如圖3所示(虛線框內(nèi)為本任務(wù)系統(tǒng))。功率放大器采用全固態(tài)方式,由前級組件、末級組件、合成/分配網(wǎng)絡(luò)、開關(guān)電源模塊和監(jiān)控接口分機等組成。組件和分機安裝在機柜內(nèi),需要有獨立風(fēng)道來散熱。圖3所示為4路末級合成時原理框圖和各級放大器的功率分配(虛線框內(nèi)為高功率放大器部分)。

圖3 固態(tài)放大器組成框圖

系統(tǒng)送來的RF激勵信號10 m W經(jīng)過前級放大,經(jīng)過分配網(wǎng)絡(luò)后推動4個末級,經(jīng)合成網(wǎng)絡(luò)后,輸出6.8 k W的峰值功率;為了提高效率,對各級放大器的電源進(jìn)行調(diào)制,這是前級和末級組件內(nèi)電源調(diào)制板實現(xiàn)的功能;采用監(jiān)控接口分機檢測放大器的工作狀態(tài),為放大器提供保護(hù),同時將狀態(tài)信號送至總監(jiān)控[3]。

3.2 陽極電源

為了獲得極高的微波功率,四極管的陽極需有一個高頻高壓開關(guān)電源,電源紋波和穩(wěn)定度要高,電源響應(yīng)速度快,電源的參數(shù)為：

電壓：20 k V

脈沖電流：27 A

工作比：0.2%

峰值功率：540 k W

平均功率：1 080 W

3.2.1 電路選擇

由于陽極電源的輸出功率較大(1 080 W),電壓也高(20 k V),主電路采用全橋移相零電壓脈寬調(diào)制變換器(簡稱FB-ZVS-PWM變換器)。這種電路具有以下優(yōu)點：電路簡潔,充分利用線路雜散電感和器件寄生電容;實現(xiàn)功率管的零電壓開關(guān)(Zero Voltage Switch,ZVS),降低開關(guān)損耗,有利于提高開關(guān)頻率;較低的器件電流電壓應(yīng)力,較低的電磁干擾(Electromagnetic Interference,EMI);功率器件無需吸收電路。電源由整流濾波、逆變電路、高頻變壓器、高壓整流與濾波電路、電壓反饋和控制電路構(gòu)成,原理框圖如圖4所示。

圖4 陽極電源原理框圖

圖4中,整流濾波單元采用π型濾波電路,將220 VAC/50 Hz輸入電源變換為300 VDC;逆變電路采用全橋移相脈寬調(diào)制變換器,可以充分利用輸入電壓,降低高頻變壓器的匝比,減小分布參數(shù);高頻變壓器的次級有兩個繞組,兩個繞組的參數(shù)完全相同,這兩個繞組的輸出各自2倍壓整流濾波后串聯(lián)疊加,疊加后的電壓為20 k V;由于陽極電源浮于簾柵電源上,為了便于調(diào)試及電壓調(diào)節(jié),電壓反饋電路采用差值方式,分別由20 k V對地及簾柵電壓對地采樣,取兩者差值為電壓采樣;控制電路中主芯片采用全橋移相控制器UC2879。

3.2.2 FB-ZVS-PWM變換器工作原理

如圖5所示,Vs為輸入直流電壓。Tri(i=1,2,3,4)為功率M OS管,其體二極管為D i(i=1,2,3,4),Ci(i=1,2,3,4)為功率管寄生電容或寄生電容與外部諧振電容并聯(lián)等效值,Lr是變壓器漏感或漏感與外加諧振電感串聯(lián)等效值。變壓器副邊電壓Vs′經(jīng)過橋式整流和濾波器給負(fù)載供電。圖5給出變壓器原邊電壓VAB、副邊電壓Vs′和原邊電流i的波形圖,Ip為原邊電流峰值。

圖5 FB-ZVS-PWM變換器

其原理是利用變壓器漏感Lr和電容C i諧振,漏感儲能向C i釋放過程中,使C i電壓逐步下降到零,體二極管D i開通,創(chuàng)造了Tri的ZVS條件。為了改變占空比D以便實現(xiàn)調(diào)節(jié)控制,采用了移相技術(shù)。左右兩橋臂的開關(guān)管分別為Tr1、Tr3和Tr4、Tr2,在兩者的驅(qū)動信號脈沖之間保持一定的相位差,只要改變這個相位差(即移動一組驅(qū)動脈沖的相位),就可使占空比改變,也就改變輸出電壓大小。

由于陽極電源浮于簾柵電源上(如圖6所示),為了便于調(diào)試及電壓調(diào)節(jié),電壓反饋電路采用差值方式,分別由20 k V對地及簾柵電壓對地采樣,取兩者差值為電壓采樣。

3.3 燈絲電源

其主要參數(shù)如下：

輸入：220 VAC;

輸出：最大直流電壓1.0 V,典型直流電壓0.95 V,典型電流495 A(0.95 V);

圖6 陽極電源

預(yù)熱時間：從零開始到額定工作點最短時間不小于30 s,到達(dá)工作點后預(yù)熱時間不小于90 s。

此電源有輸出電流、輸出電壓表頭指示,由于輸出電流較大,靠近管子燈絲端放置,輸出形式采用接線柱,在電源的頂部輸出;有故障保護(hù)指示,包括輸出過壓、過流、欠流等,這些故障在電源啟動過程中封閉,到達(dá)工作點后再放開,其中輸出過壓、過流故障(超過額定值10%)出現(xiàn)時將電源輸出切斷,需要外部復(fù)位時才重新開始工作;欠流故障出現(xiàn)時,給出報警信號,但輸出不用切斷,該電源與管子燈絲端子的連接采用軟的銅編織線,因為電流大,可能會產(chǎn)生應(yīng)力,如果采用硬連接會對燈絲端子產(chǎn)生損害。該電源的連接插座放置在電源的前部,方便插拔[4]。圖7為燈絲電源示意圖。

圖7 燈絲電源

3.4 控制柵極電源

四極管的工作狀態(tài)主要按照柵流的有無和大小來分類,以柵流和陽流之比來度量,當(dāng)柵流比陽流小到可以忽略時,為欠壓狀態(tài),反之柵流較大以至占總電流相當(dāng)大的一部分時,為過壓狀態(tài),介于兩者之間的狀態(tài)為臨界狀態(tài)。作為末極放大器,從輸出功率和陽極效率考慮,應(yīng)該工作在稍過壓狀態(tài)。

控制柵電源最高輸出-350 V,輸出在-250～-500 V范圍的可調(diào)穩(wěn)定電壓。

柵極脈沖電流：1.2 A

柵極平均電流：2.4 m A,設(shè)計時按100 m A

3.5 簾柵極電源

四極管中簾柵極的作用最大,它屏蔽了從陽極發(fā)出的終止于陰極的電力線;削弱了陽極電壓控制陰極電流的能力;提高了放大系數(shù)。高頻應(yīng)用中,簾柵極等效系統(tǒng)接地,使柵極與陽極間的跨導(dǎo)電容減到80%。

對于四極管來說,不能過寬和過工作比工作,必須在開啟同步信號的控制下受控工作,之后要快速有效地截止,因此簾柵極的輸出電壓必須達(dá)到額定值。如果損壞或輸出電壓下降,四極管的陽極將會因為過流而燒毀,因此要對簾柵極的輸出電壓進(jìn)行檢測,設(shè)置欠壓保護(hù)。主要指標(biāo)為：

簾柵極電壓：2 000 V

簾柵極脈沖電流：1.6 A

簾柵極平均電流：3.2 m A,設(shè)計時按100 m A

3.6 饋線系統(tǒng)

饋線系統(tǒng)是研制的一個難點,由于該加速腔在脈沖功率的上升和下降沿表現(xiàn)出短路的特性,整個饋線系統(tǒng)考慮耐功率容量為1.2 MW。

本系統(tǒng)饋線系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：兩個隔離器、一個1/4波長移相器、一個定向耦合器、一些長度和數(shù)量不等的同軸線,以及一些同軸線90°彎頭組成。饋線系統(tǒng)的組成示意框圖如圖8所示。

圖8 高頻功率源輸出饋線系統(tǒng)框圖

輸出負(fù)載在脈沖工作期間,由于加速腔束流變化引起負(fù)載駐波較大,在四極管放大器輸入和輸出端擬采用高功率隔離器進(jìn)行隔離,保證放大器工作穩(wěn)定性。在四極管輸出端接同軸1/4波長移相器進(jìn)行調(diào)配。通過定向耦合器的輸入端和反射端檢測輸出加速腔的頻率、幅度和相位信息,送至RF控制器進(jìn)行閉環(huán)控制,保證加速腔的頻率、功率、相位的穩(wěn)定。

本系統(tǒng)中的饋線傳輸線采用50或75型號的同軸線,它的特征阻抗是50Ω,外導(dǎo)體內(nèi)徑是75 mm,內(nèi)導(dǎo)體外徑為32.5 mm,它的理論功率容量為16.3 MW,它的理論衰減值為0.004 dB/m。由于本系統(tǒng)在正常工作時的峰值功率是300 k W,但是在每個脈沖前后沿輸出窗口會產(chǎn)生全反射。按電壓擊穿理論,整個饋線系統(tǒng)需考慮耐功率容量為1.2 MW。50或75型號同軸線的理論功率容量仍然是實際工作峰值功率的13倍,它能夠承受本方案對于功率容量的要求[5]。

本系統(tǒng)中的定向耦合器模型圖如圖9所示,它由兩個同軸線相互疊加形成信號的耦合。定向耦合器耦合端口和隔離端口的輸出是N型陰頭,它們的間距大約為400 mm,定向耦合器的主傳輸端口,即輸入輸出端口為50或75同軸線,整個定向耦合器的總長度大約為800 mm。它能夠達(dá)到的指標(biāo)為：損耗≤0.3 dB,耦合度20 d B。

圖9 定向耦合器模型圖

3.7 水冷系統(tǒng)

四極管需要數(shù)百安培的燈絲加熱;陽極電位約為20 k V,而該管和腔體在17 k V就會打火,需要充氮氣,氣壓不能過高;控制柵極、簾柵極、陰極、燈絲、陽極需要五路去離子水進(jìn)行冷卻,在陽極部位采用分水器,如果漏水則會引起輸出腔打火。本系統(tǒng)水冷設(shè)計五路水冷,采用去離子水冷卻,需要加樹脂筒進(jìn)行過濾,與管子的連接管采用塑料絕緣水管,獨立機柜,整體的耗散功率不超過2 k W,水冷配電為三相50 Hz/380 V,工作溫度0～50℃,全密封結(jié)構(gòu),具有排氣裝置。冷卻系統(tǒng)有壓力指示和各路溫度指示,每路的水流量可以調(diào)節(jié),故障保護(hù)有各路流量、各路溫度、壓力等。

4 試驗結(jié)果

本文所論述的高功率四極管發(fā)射機,經(jīng)調(diào)試,各項技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求,發(fā)射機的最高功率達(dá)310 k W,發(fā)射機脈沖寬度可達(dá)400μs,前后沿小于150 ns,能適應(yīng)20μs/5 Hz,1 Hz/400μs等各種工作狀態(tài)。工作穩(wěn)定可靠。在工作過程中四極管曾發(fā)生管內(nèi)打火現(xiàn)象,通過對輸出腔充0.2 MPa氮氣,提高了絕緣度,打火現(xiàn)象已經(jīng)得到解決。圖10為發(fā)射機輸出RF脈沖功率信號的包絡(luò)波形。

圖10 發(fā)射機輸出包絡(luò)

5 結(jié)束語

高功率微波四極管以前沒用過,是國內(nèi)首次進(jìn)口,所以對此類型管的特性不太熟悉,如何安全有效地使用該管至關(guān)重要。四極管自身的結(jié)構(gòu)和腔體外部諧振回路密切聯(lián)系,在使用時需要按部就班進(jìn)行調(diào)諧,防止自激;管子輸出射頻通過陽極和陰極邊緣耦合到輸出腔,在管子和輸出腔的接口處如果接觸不好,駐波過大就經(jīng)常會出現(xiàn)打火現(xiàn)象,時間一長,情況會越嚴(yán)重,最終導(dǎo)致管子被打壞。

四極管發(fā)射機需要同步調(diào)節(jié)的地方較多,包括輸入腔短路雙環(huán)的、輸入射頻耦合調(diào)節(jié)、輸出腔諧振調(diào)節(jié)、輸出射頻耦合調(diào)節(jié)、陽極電壓、簾柵電壓、控柵電壓、輸入激勵等。這些參數(shù)之間相互影響,在某個工作點調(diào)試結(jié)束后換個工作點又需要重新調(diào)試,同時由于腔體的Q值很高,諧振和耦合的微小調(diào)節(jié)都會導(dǎo)致輸出功率有巨大差異,如果可能,設(shè)計一個可精密調(diào)節(jié)的調(diào)諧機構(gòu)至關(guān)重要。

解決低頻大功率時的干擾問題：輸入輸出腔體和四極管接觸的諧振面要干凈光潔,接觸良好;做好空間的電磁屏蔽;發(fā)射機接地應(yīng)該采用即薄又寬的銅箔,電感最小;管子燈絲、簾柵極處對陰極用無感電容并聯(lián)。

調(diào)試工作到后期對管子性能的摸索有一定經(jīng)驗,采取的措施有效、可靠,使得四極管發(fā)射機連續(xù)可靠工作24 h以上,功率穩(wěn)定輸出,無打火、抖動現(xiàn)象。

[1]電子管設(shè)計手冊編輯委員會.微波三、四極管設(shè)計參考資料[M].北京：國防工業(yè)出版社,1979：36-42.

[2]黃貴榮.HLS儲存環(huán)束流負(fù)載效應(yīng)和高頻系統(tǒng)相關(guān)問題的研究[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2007.

[3]孫方禮,張建華,陶小輝.食品輻照加速器用脈沖源的設(shè)計[J].高電壓技術(shù),2005,31(7)：27-30.

[4]張建華,王旭明,高仲輝,等.W波段大功率發(fā)射機設(shè)計與研究[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2014,12(5)：551-556.

[5]徐曉榮,王一農(nóng).一種K波段電磁兼容測試發(fā)射機設(shè)計[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2013,11(1)：92-96.