陳瀟杰，劉臻龍，劉長軍

四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，成都 610064

用于微放電測試的S波段注入鎖頻磁控管試驗(yàn)研究

陳瀟杰，劉臻龍，劉長軍*

四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，成都 610064

針對(duì)微放電測試所需大功率微波源的需求，試驗(yàn)研究了一種用于微放電測試的S波段注入鎖頻磁控管試驗(yàn)方法?；谧⑷腈i頻連續(xù)波磁控管的理論，試驗(yàn)得到了磁控管的注入鎖頻帶寬與注入比成正比關(guān)系。改變陽極電流，得到磁控管輸出功率389～1 150 W。通過注入鎖頻抑制了磁控管輸出信號(hào)的邊帶噪聲，提高注入功率拓寬了磁控管的鎖頻帶寬，獲得了高達(dá)12.6 MHz的注入鎖頻帶寬。在同時(shí)注入雙頻參考信號(hào)的鎖頻試驗(yàn)中，觀察到了磁控管注入雙鎖頻、雜散抑制功和功率分配的現(xiàn)象。該試驗(yàn)的結(jié)果為用于微波大功率微放電的微波源提供了試驗(yàn)依據(jù)。

衛(wèi)星天線；微波器件；微放電；連續(xù)波磁控管；注入鎖頻；鎖頻帶寬

微放電(multipactor)現(xiàn)象是指處于低壓強(qiáng)或真空環(huán)境下的金屬部件中的初始電子受到大功率微波電場加速后，與金屬表面碰撞激發(fā)出的二次電子發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)，并引發(fā)持續(xù)自激的諧振放電現(xiàn)象[1]。大功率的微放電效應(yīng)會(huì)造成衛(wèi)星微波系統(tǒng)增益下降、傳輸性能變壞，信號(hào)噪聲增大，使得微波系統(tǒng)工作失常。近年來，國內(nèi)外微波大功率微放電的研究日趨活躍。2008年文獻(xiàn)[2]提出了基于多載波合成峰包功率千瓦量級(jí)的大功率微波器件微放電的試驗(yàn)方法，2012年文獻(xiàn)[3]對(duì)輸出功率500 W以上的微波大功率組件微放電檢測與防護(hù)做了研究。2016年文獻(xiàn)[4]提出的空間太陽能電站(Space Solar Power Station，SSPS)應(yīng)用，即衛(wèi)星將太陽能轉(zhuǎn)化為微波能，以無線能量傳輸?shù)姆绞捷斔偷降孛骐娋W(wǎng)系統(tǒng)，使得對(duì)衛(wèi)星天線和微波部件微波大功率放電防護(hù)的研究日趨緊迫。盡管從20世紀(jì)七八十年代開始對(duì)微放電進(jìn)行了研究，由于工作器件工藝缺陷和微放電機(jī)測試系統(tǒng)不完善等方面原因，導(dǎo)致設(shè)計(jì)閾值往往達(dá)不到實(shí)際防護(hù)的要求。為了給防護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，帶有大功率微波系統(tǒng)載荷的航天器均要進(jìn)行地面微放電試驗(yàn)[5]，且一般要求微放電設(shè)計(jì)閾值高于6 dB以上的余量[6]。衛(wèi)星天線和微波器件的微波大功率微放電地面測試設(shè)備的設(shè)計(jì)當(dāng)中，適當(dāng)?shù)拇蠊β饰⒉ㄔ词窃O(shè)備不可或缺的部分。

大功率部件的微放電測試，有時(shí)需要上千瓦，甚至幾十千瓦功率的微波源，而微波固態(tài)源要產(chǎn)生千瓦級(jí)別的連續(xù)波功率輸出，對(duì)成本和穩(wěn)定性的要求極高。磁控管因其效率高、使用壽命長、質(zhì)量小、成本低等優(yōu)點(diǎn)成為常用的大功率微波源，但是作為振蕩真空器件的磁控管具有輸出頻帶寬、頻率不穩(wěn)定、相位噪聲大等缺點(diǎn)[7-8]。

注入鎖頻技術(shù)是改善磁控管輸出特性的重要技術(shù)。文獻(xiàn)[9-11]報(bào)道了國內(nèi)外學(xué)者對(duì)波磁控管注入鎖頻進(jìn)行研究，獲得了1～11 MHz的鎖頻帶寬，但是目前還沒有以S波段鎖頻磁控管作為微放電地面檢測設(shè)備微波源的相關(guān)報(bào)告。本文以一款民用S波段磁控管作為研究對(duì)象，通過參考信號(hào)注入，實(shí)現(xiàn)輸出頻譜穩(wěn)定，鎖頻帶寬拓寬，還通過注入雙音信號(hào)進(jìn)行鎖頻，獲得了磁控管輸出功率分配、雜散抑制的現(xiàn)象。研究注入鎖頻條件下的連續(xù)波磁控管，可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、頻率可調(diào)且輸出穩(wěn)定的微波源，對(duì)大功率微波微放電地面測試設(shè)備的研制具有重要的意義。

1 連續(xù)波磁控管注入鎖頻原理

20世紀(jì)五六十年代Adler等就對(duì)微波振蕩器的鎖頻進(jìn)行了理論方面的研究，此后各國學(xué)者對(duì)微波振蕩器注入鎖頻產(chǎn)生了濃厚的興趣。連續(xù)波磁控管注入鎖頻是指向連續(xù)波磁控管中注入一個(gè)低功率的高穩(wěn)定外部參考微波信號(hào),該信號(hào)頻率接近于磁控管的固有振蕩頻率f0，經(jīng)過環(huán)行器直接注入到連續(xù)波磁控管。當(dāng)注入信號(hào)幅度達(dá)到相當(dāng)數(shù)量級(jí)時(shí)，連續(xù)波磁控管振蕩頻率與被注入信號(hào)的頻率一致，相位同步。在鎖頻范圍內(nèi)，磁控管的輸出頻率直接由注入信號(hào)頻率控制，圖1為磁控管注入鎖頻系統(tǒng)。

磁控管供電網(wǎng)絡(luò)使磁控管工作在自由振蕩狀態(tài)下，外部微波注入信號(hào)通過環(huán)行器輸入端口注入至磁控管諧振腔，在鎖頻帶寬內(nèi)環(huán)行器的輸出端將輸出頻率穩(wěn)定、相位穩(wěn)定的微波信號(hào)。Adler公式給出了一般情況下注入鎖頻帶寬與鎖頻信號(hào)功率的關(guān)系[12-13]：

Δf=2f0ρ/QE

2 磁控管注入鎖頻試驗(yàn)

1 kW連續(xù)波磁控管注入鎖頻試驗(yàn)的系統(tǒng)方案如圖2所示。2.45 GHz的磁控管(2M21-M1，Panasonic)陽極額定電壓為4.1 kV，燈絲電流If為10 A，陽極電流Ia為300 mA，冷卻方式為水冷，額定輸出功率為900 W，磁控管由電壓波紋小于1.5‰的模擬穩(wěn)壓直流電源驅(qū)動(dòng)。注入信號(hào)由矢量信號(hào)源(HMC-T2220，Hittite)和

增益超過50 dB的功率放大器(ZHL-30W-262-S+，Mini-Circuits)產(chǎn)生。兩個(gè)三端口串聯(lián)是為了更高的隔離度，其作用是構(gòu)建注入信號(hào)的通路和保護(hù)磁控管免于大功率反射的損壞。磁控管耦合出的微波經(jīng)激勵(lì)腔和波導(dǎo)后被大功率水負(fù)載(WR340，Euler)吸收。外部注入信號(hào)功率和水負(fù)載端的功率由功率計(jì)(AV2433)檢測。注入信號(hào)和鎖頻磁控管輸出信號(hào)的頻譜特性由頻譜分析儀(FSV7，Rohde & Schwarz)檢測。系統(tǒng)實(shí)物布局如圖3所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 自由振蕩時(shí)穩(wěn)定性和功率

在磁控管起振并穩(wěn)定工作后，由于電子回轟引起燈絲溫度升高并導(dǎo)致電子發(fā)射過剩，嚴(yán)重影響磁控管壽命并引入熱噪聲，通過降低燈絲能有效提高頻譜純度并抑制雜散[14-15]。如圖4所示，其中頻譜分析儀設(shè)置為最大保持，記錄磁控管在自由振蕩時(shí)的頻譜漂移狀態(tài)。磁控管燈絲電流分別為If=10 A和0 A時(shí)，輸出頻帶動(dòng)態(tài)寬度由8 MHz降低為300 kHz，

且頻譜邊帶雜散得到有效抑制。此時(shí)，磁控管燈絲控制在正常溫度并有效延長磁控管工作壽命。

磁控管自由振蕩狀態(tài)下，其輸出功率主要由陽極電流Ia決定，這里的陽極電流是指陽極平均電流。燈絲電流If=0 A時(shí)，圖5給出了陽極平均電流對(duì)磁控管輸出功率的影響，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)陽極平均電流Ia為150～400 mA時(shí)，輸出功率為389～1 150 W；隨著陽極平均電流的增大，磁控管的輸出功率在穩(wěn)定工作范圍內(nèi)基本呈現(xiàn)線性增大的趨勢(shì)。這樣磁控管作為微波源在微放電測試系統(tǒng)中能夠滿足較大范圍的輸出功率量級(jí)調(diào)節(jié)。

3.2 注入鎖頻與鎖頻帶寬

大功率微波微放電測試系統(tǒng)要獲得幾千瓦甚至幾十千瓦的功率，基于鎖頻磁控管的相干功率合成是獲得高數(shù)量級(jí)微波能量的最佳手段[11，16-17]。由于自由振蕩的磁控管振蕩頻率和相位極不穩(wěn)定，故注入鎖頻磁控管技術(shù)是實(shí)現(xiàn)多路微波功率合成的重要技術(shù)之一。

在本文試驗(yàn)條件下，對(duì)自由振蕩磁控管進(jìn)行注入鎖頻。HMC-T2220信號(hào)發(fā)生器輸出功率為24 dBm，頻率為2 454.6 MHz的高穩(wěn)定、低雜散的參考微波信號(hào)，經(jīng)過環(huán)行器將其注入至燈絲電流If=0 A且輸出功率穩(wěn)定在1 000 W的磁控管。注入鎖頻后，磁控管的輸出頻譜如圖6所示，可見磁控管被成功地鎖定在2 454.6 MHz處，相比于If=0 A獲得了更窄的頻譜，最大振幅波動(dòng)小于±0.2 dB，相位噪聲得到顯著改善，2 454.5 MHz處約為-92 dBc/Hz。說明注入高穩(wěn)定微波信號(hào)對(duì)磁控管進(jìn)行注入鎖頻能大幅降低磁控管輸出信號(hào)的邊帶噪聲，使得輸出信號(hào)頻率穩(wěn)定在一個(gè)固定值。

在燈絲電流If=0 A時(shí)，通過調(diào)節(jié)外部注入信號(hào)的頻率和功率，試驗(yàn)觀察注入功率對(duì)鎖定頻率和鎖頻帶寬的影響。

圖7(a)中可以看到，當(dāng)注入功率由10 dBm增大至44 dBm，即注入比ρ由3.21×10-5提高至0.16，有效鎖頻帶寬由0.1MHz拓寬至12.6MHz。由圖7(b)可見，增大注入信號(hào)功率至44dBm可有效地在較大頻率范圍內(nèi)對(duì)磁控管輸出能量進(jìn)行頻率牽引，且對(duì)比圖6自由振蕩的輸出頻譜，在鎖頻頻帶邊帶上對(duì)雜散的抑制仍然有效。注入鎖頻磁控管在遵循Adler條件下，注入比和鎖頻帶寬成正比，適合作為微放電測試系統(tǒng)中頻率可調(diào)的大功率微波源。

3.3 雙頻注入鎖頻

提高單頻外部注入?yún)⒖夹盘?hào)功率獲得更大的鎖頻帶寬后，進(jìn)行了雙頻信號(hào)的注入試驗(yàn)。系統(tǒng)框圖如圖8所示，雙頻參考信號(hào)經(jīng)過合路器同時(shí)注入三端口環(huán)行器對(duì)磁控管進(jìn)行鎖頻。

當(dāng)注入信號(hào)f1=2 450MHz，PI1=26 dBm，f2=2 449.3MHz，PI2=20 dBm時(shí)，兩個(gè)信號(hào)頻率間隔Δf=700kHz，幅度差異ΔP=6dBm。磁控管進(jìn)入穩(wěn)定的鎖頻狀態(tài)后，如圖9(a)所示，大部分功率集中在了注入比較大的f1處，f2信號(hào)注入比較低。雖然鎖定了磁控管，但沒有將磁控管輸出功率牽引過來，僅在該頻率處輸出較小的功率，且雙音注入的交調(diào)產(chǎn)物頻率上均有功率輸出。當(dāng)f1=2 450MHz，PI1=26 dBm，f2=2 443MHz，PI2=14 dBm時(shí),對(duì)比圖9(b)與圖9(a)，從頻譜鎖定圖研究發(fā)現(xiàn)，雙頻信號(hào)功率幅值差異增大時(shí)，磁控管輸出功率重新分配回f1，交調(diào)效應(yīng)減輕，同時(shí)牽引到交調(diào)信號(hào)上的功率也減小。

試驗(yàn)證明，當(dāng)頻點(diǎn)相異的注入信號(hào)增多后，磁控管的注入鎖定從頻譜上來說交調(diào)效應(yīng)將有所增加，但只要注入功率滿足Adler公式，依舊能將磁控管的輸出能量牽引到某一固定頻點(diǎn)輸出，且在周圍將有多個(gè)頻點(diǎn)的穩(wěn)定功率輸出，頻點(diǎn)數(shù)量與注入信號(hào)的頻率數(shù)量相關(guān)。隨著注入信號(hào)頻率數(shù)量的增加，對(duì)磁控管的雜散能量匯集作用將更強(qiáng)，總的磁控管有效輸出功率將增加。雙頻注入鎖定磁控管滿足微波器件高功率多載頻工作狀態(tài)下微放電測試要求。

3.4 小結(jié)

通過降低燈絲電流使得磁控管輸出頻帶寬度從8MHz收斂至300kHz。通過調(diào)節(jié)陽極電流可以使磁控管輸出功率有近700W的動(dòng)態(tài)范圍。通過注入鎖頻，磁控管輸出微波頻率被鎖定在注入微波信號(hào)頻率上，偏離鎖定頻率100kHz處，相位噪聲低至-92dBc/Hz；通過提高參考信號(hào)注入功率將磁控管鎖頻頻帶拓寬至12.6MHz；基于Adler公式對(duì)磁控管進(jìn)行雙音注入，磁控管功率大部分被鎖定在功率較大的頻點(diǎn)上，同時(shí)磁控管出現(xiàn)了多路穩(wěn)定輸出的頻點(diǎn)，雜散抑制良好。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)大功率微放電地面測試裝置對(duì)大功率微波源的需求，研究了S波段磁控管的注入鎖頻技術(shù)，為獲得更高功率的微波功率合成技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，磁控管燈絲電流和陽極電流分別對(duì)輸出頻譜和輸出功率有顯著影響；試驗(yàn)證明注入比低于-50dB的條件下，Adler公式對(duì)于連續(xù)波磁控管依然適用，且提高注入功率是拓寬頻率牽引范圍的重要手段。雙音信號(hào)的注入鎖頻試驗(yàn)得到了鎖頻磁控管非線性特性，其注入雙音信號(hào)鎖頻后產(chǎn)生了多個(gè)穩(wěn)定輸出的頻點(diǎn)，并具有雜散抑制的特性。但是鎖頻后的磁控管輸出信號(hào)相位會(huì)隨著陽極溫度和輸出系統(tǒng)中阻抗變化而漂移，且單只磁控管的輸出功率仍然有限，需要多只磁控管功率相干合成得到更大功率的輸出，注入鎖定磁控管的相位特性、相位影響因素及相位控制技術(shù)還需要進(jìn)一步研究。本文表明了鎖頻磁控管作為經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定的微放電測試大功率微波源的可行性，也為實(shí)現(xiàn)更大功率輸出的功率合成技術(shù)提供了參考依據(jù)。

References)

[1] 崔萬照，楊晶，張娜. 空間金屬材料的二次電子發(fā)射系數(shù)測量研究[J]. 空間電子技術(shù)，2013(2)：75-78.

CUI W Z，YANG J，ZHANG N. Testing method of the secondary electron emission yield of space metal materials[J]. Space Electronic Technology，2013(2)：75-78(in Chinese).

[2] 張曉平，雷冀. 衛(wèi)星天線及微波器件大功率微放電試驗(yàn)技術(shù)[J]. 航天器環(huán)境工程，2008，25(6)：516-518.

ZHANG X P，LEI J. Testing technology of satellite antenna and high-power microwave devices multipactor discharge[J].Spacecraft Environment Engineering，2008，25(6)：516-518(in Chinese).

[3] 武小坡，趙海洋. 微波大功率組件微放電研究[J]. 微波學(xué)報(bào)， 2012，28(6)：62-65.

WU X P，ZHAO H Y. Research on multipactor of microwave high power modules[J]. Journal of Microwaves，2012，28(6)：62-65(in Chinese).

[4] 張興華，侯欣賓，王立，等. 空間太陽能電站聚光模式研究[J].中國空間科學(xué)技術(shù)，2016，36(2)：1-12.

ZHANG X H，HOU X B，WANG L，et al. Investigation of light concentrating mode of SSPS[J]. Chinese Space Science and Technology，2016，36(2)：1-12(in Chinese).

[5] 李硯平，馬伊民. 一種多載波情況下的微放電檢測新方法[J]. 空間電子技術(shù)，2009(3)：103-107.

LI Y P，MA Y M. A new method for detection of multipaction for multicarrier[J]. Electronic Technology，2009(3)：1-12(in Chinese).

[6] ECSS-E-20-01A. Space engineering-multipaction design and test[J]. IEEE，2003，31(3)：394-404.

[7] 電子管設(shè)計(jì)手冊(cè)編輯委員會(huì). 磁控管設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1979.

EDITORIAL BOARD OF ELECTRON TUBE DESIGN MANUAL. Magnetron design manual[M].Beijing：National Defence Industry Press，1979(in Chinese).

[8] 吳群. 磁控管的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，32(5)：9-12.

WU Q. Newly developed technique in the research of magnetrons[J]. Journal of Harbin Institute of Technology，2000，32(5)：9-12(in Chinese).

[9] GILGENBACH R M，NECULAES V B，LOPEZ M，et al. Mode locking and mode control in nonrelativistic and relativistic magnetrons[C].IEEE International Conference on Vacuum Electronics,IEEE，Seoul,Korea,May 28-30,2003：336-337.

[10] CHOI GIL WONG，KIM HAE JIN，KIM HYOUNG JONG，et al. The self-injection-locked magnetron[C].2008 Vacuum Electronics Conference(IVEC 2008),IEEE,Monterey，CA,USA,April 22-24，2008：445-446.

[11] 魏惠月. L 波段磁控管鎖相及功率合成技術(shù)研究[D]. 成都：電子科技大學(xué)，2011.

WEI H Y. The research of phase locking and power synthesis technology on L band magnetron[D]. Chengdu：University of Electronic Science and Technology of China，2011(in Chinese).

[12] ADLER R. A study of locking phenomena in oscillators[J]. Proceedings of the IRE，1946，34(6)：351-357.

[13] 張國興. 磁控管的鎖頻技術(shù)[J]. 電子器件，1995，18(4)：211-217.

ZHANG G X. The injection locked technology for magnetron[J]. Journal of Electron Devices，1995，18(4)：211-217(in Chinese).

[14] MITANI T，SHINOHARA N，MATSUMOTO H，et al. Experimental study on oscillation characteristics of magnetrons after turning off filament current[J]. Electronics and Communications in Japan，Part II：Electronics，2003，86(5)：1-9.

[15] MITANI T，SHINOHARA N，MATSUMOTO H. Development of a pulse-driven phase-controlled magnetron[C].IEEE International Vacuum Electronics Conference 2007(IVEC′07),Kitakyushu,May 15-17，2007：1-2.

[16] 郭永杰，郭慶功. 基于注入鎖相的磁控管微波源系統(tǒng)穩(wěn)定性研究與測試[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36(9)：144-150.

GUO Y J，GUO Q G. Stability research and testing of magnetron microwave source system based on injection phase-locking[J]. Modern Electronic Technique，2013，36(9)：144-150(in Chinese).

[17] 霍飛向，劉征宇，黃何平，等. S波段1 kW連續(xù)波磁控管拓展注入鎖頻帶寬[J]. 太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報(bào)，2015，13(2)：251-254，261.

HUO F X，LIU Z Y，HUANG H P，et al. Inject-locking bandwidth expansion of a 1 kW continuous wave magnetron at S-band[J].Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology，2015，13(2)：251-254，261(in Chinese).

(編輯：車曉玲)

Experimental research on an S-band inject-locking magnetron for multipactor discharge test

CHEN Xiaojie，LIU Zhenlong，LIU Changjun*

SchoolofElectronicsandInformationEngineering，SichuanUniversity，Chengdu610064，China

S-band inject-locking magnetron experiment for the ground multipactor discharge test was proposed for the large power microwave source of satellite. The directly proportional relation between the magnetron inject-locking bandwidth and the injection ratio was studied based on the inject-locking continuous wave magnetron theory. The magnetron output power varied from 389 W to 1 150 W by tuning the magnetron anode current. The injection locking bandwidth at S band of the 1 kW continuous wave magnetron was broadened to 12.6 MHz by increasing the injected power. Dual-frequency inject-locking，spurious suppression and power distribution were observed in the two-tone injection experiments.

satellite antenna；microwave device；multipactor discharge；continuous wave magnetron；inject-locking；locking bandwidth

10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0025

2016-12-15；

2017-02-23；錄用日期：2017-03-17；

時(shí)間：2017-03-21 15:59:59

http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20170321.1559.015.html

973計(jì)劃(2013CB328902)；國家自然科學(xué)基金(61271074)

陳瀟杰(1991—)，男，碩士研究生，xjchen9112@163.com，研究方向?yàn)殡姶艌雠c微波技術(shù)

*通訊作者：劉長軍(1973—)，男，教授，cjliu@scu.edu.cn，研究方向?yàn)槲⒉ɡ碚撆c技術(shù)

陳瀟杰，劉臻龍，劉長軍.用于微放電測試的S波段注入鎖頻磁控管試驗(yàn)研究[J].中國空間科學(xué)技術(shù)，2017，37(2)：96-102.CHENXJ，LIUZL，LIUCJ.ExperimentalresearchonanS-bandinject-lockingmagnetronformultipactordischargetest[J].ChineseSpaceScienceandTechnology，2017，37(2)：96-102(inChinese).

V443+.4；TN123；V416.6

A

http://zgkj.cast.cn