高功率微波源四極管發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)與研究?

(中國(guó)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(lái)激勵(lì)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(chǎng)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(jī)穩(wěn)定可靠產(chǎn)生的微波能量,對(duì)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(diǎn)及技術(shù)指標(biāo)

在UHF波段,對(duì)于輸出功率達(dá)到300 k W的發(fā)射機(jī),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(shí)?？尚械姆桨甘遣捎谜婵展茏鳛槟┘?jí)放大器。該發(fā)射機(jī)采用主振放大式體制,末級(jí)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(hào)放大到需要的功率電平,經(jīng)饋線、定向耦合器到負(fù)載。對(duì)發(fā)射機(jī)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(jī)系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。由晶振源或外接信號(hào)源產(chǎn)生的高頻微波信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào),經(jīng)過(guò)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(hào)與輸入的微波信號(hào)進(jìn)行比較,用于保證加速腔輸入端微波信號(hào)的幅度、相位及加速腔頻率的穩(wěn)定。

圖1 發(fā)射機(jī)系統(tǒng)組成框圖

高功率微波發(fā)射機(jī)方案采用固態(tài)推動(dòng)四極管的方案,由兩級(jí)放大器組成,晶振源產(chǎn)生約100 m W的微波信號(hào),經(jīng)過(guò)固態(tài)放大器放大至8 k W左右,再經(jīng)過(guò)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(yáng)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(lì)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(jī)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(dòng)功率。四極管的增益大約為20 dB,理想情況下,前級(jí)激勵(lì)功率需要3 k W,考慮管子參數(shù)有一定離散性,同時(shí)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(jì)中,將末級(jí)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(jí)組件、末級(jí)組件、合成/分配網(wǎng)絡(luò)、開(kāi)關(guān)電源模塊和監(jiān)控接口分機(jī)等組成。組件和分機(jī)安裝在機(jī)柜內(nèi),需要有獨(dú)立風(fēng)道來(lái)散熱。圖3所示為4路末級(jí)合成時(shí)原理框圖和各級(jí)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(lái)的RF激勵(lì)信號(hào)10 m W經(jīng)過(guò)前級(jí)放大,經(jīng)過(guò)分配網(wǎng)絡(luò)后推動(dòng)4個(gè)末級(jí),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(duì)各級(jí)放大器的電源進(jìn)行調(diào)制,這是前級(jí)和末級(jí)組件內(nèi)電源調(diào)制板實(shí)現(xiàn)的功能;采用監(jiān)控接口分機(jī)檢測(cè)放大器的工作狀態(tài),為放大器提供保護(hù),同時(shí)將狀態(tài)信號(hào)送至總監(jiān)控[3]。

3.2 陽(yáng)極電源

為了獲得極高的微波功率,四極管的陽(yáng)極需有一個(gè)高頻高壓開(kāi)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(yáng)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(jiǎn)稱FB-ZVS-PWM變換器)。這種電路具有以下優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)潔,充分利用線路雜散電感和器件寄生電容;實(shí)現(xiàn)功率管的零電壓開(kāi)關(guān)(Zero Voltage Switch,ZVS),降低開(kāi)關(guān)損耗,有利于提高開(kāi)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(wú)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(yáng)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(jí)有兩個(gè)繞組,兩個(gè)繞組的參數(shù)完全相同,這兩個(gè)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(yáng)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(duì)地及簾柵電壓對(duì)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(guò)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(chǔ)能向C i釋放過(guò)程中,使C i電壓逐步下降到零,體二極管D i開(kāi)通,創(chuàng)造了Tri的ZVS條件。為了改變占空比D以便實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)控制,采用了移相技術(shù)。左右兩橋臂的開(kāi)關(guān)管分別為Tr1、Tr3和Tr4、Tr2,在兩者的驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈沖之間保持一定的相位差,只要改變這個(gè)相位差(即移動(dòng)一組驅(qū)動(dòng)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(yáng)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(duì)地及簾柵電壓對(duì)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(yáng)極電源

預(yù)熱時(shí)間：從零開(kāi)始到額定工作點(diǎn)最短時(shí)間不小于30 s,到達(dá)工作點(diǎn)后預(yù)熱時(shí)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(guò)壓、過(guò)流、欠流等,這些故障在電源啟動(dòng)過(guò)程中封閉,到達(dá)工作點(diǎn)后再放開(kāi),其中輸出過(guò)壓、過(guò)流故障(超過(guò)額定值10%)出現(xiàn)時(shí)將電源輸出切斷,需要外部復(fù)位時(shí)才重新開(kāi)始工作;欠流故障出現(xiàn)時(shí),給出報(bào)警信號(hào),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?yàn)殡娏鞔?可能會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力,如果采用硬連接會(huì)對(duì)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(wú)和大小來(lái)分類,以柵流和陽(yáng)流之比來(lái)度量,當(dāng)柵流比陽(yáng)流小到可以忽略時(shí),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(shí),為過(guò)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(yáng)極效率考慮,應(yīng)該工作在稍過(guò)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(jì)時(shí)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(yáng)極發(fā)出的終止于陰極的電力線;削弱了陽(yáng)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(yáng)極間的跨導(dǎo)電容減到80%。

對(duì)于四極管來(lái)說(shuō),不能過(guò)寬和過(guò)工作比工作,必須在開(kāi)啟同步信號(hào)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(yáng)極將會(huì)因?yàn)檫^(guò)流而燒毀,因此要對(duì)簾柵極的輸出電壓進(jìn)行檢測(cè),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(jì)時(shí)按100 m A

3.6 饋線系統(tǒng)

饋線系統(tǒng)是研制的一個(gè)難點(diǎn),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(gè)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(gè)隔離器、一個(gè)1/4波長(zhǎng)移相器、一個(gè)定向耦合器、一些長(zhǎng)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(zhǎng)移相器進(jìn)行調(diào)配。通過(guò)定向耦合器的輸入端和反射端檢測(cè)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(hào)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(shí)的峰值功率是300 k W,但是在每個(gè)脈沖前后沿輸出窗口會(huì)產(chǎn)生全反射。按電壓擊穿理論,整個(gè)饋線系統(tǒng)需考慮耐功率容量為1.2 MW。50或75型號(hào)同軸線的理論功率容量仍然是實(shí)際工作峰值功率的13倍,它能夠承受本方案對(duì)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(gè)同軸線相互疊加形成信號(hào)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(gè)定向耦合器的總長(zhǎng)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(yáng)極電位約為20 k V,而該管和腔體在17 k V就會(huì)打火,需要充氮?dú)?氣壓不能過(guò)高;控制柵極、簾柵極、陰極、燈絲、陽(yáng)極需要五路去離子水進(jìn)行冷卻,在陽(yáng)極部位采用分水器,如果漏水則會(huì)引起輸出腔打火。本系統(tǒng)水冷設(shè)計(jì)五路水冷,采用去離子水冷卻,需要加樹(shù)脂筒進(jìn)行過(guò)濾,與管子的連接管采用塑料絕緣水管,獨(dú)立機(jī)柜,整體的耗散功率不超過(guò)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(yàn)結(jié)果

本文所論述的高功率四極管發(fā)射機(jī),經(jīng)調(diào)試,各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求,發(fā)射機(jī)的最高功率達(dá)310 k W,發(fā)射機(jī)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(guò)程中四極管曾發(fā)生管內(nèi)打火現(xiàn)象,通過(guò)對(duì)輸出腔充0.2 MPa氮?dú)?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(jī)輸出RF脈沖功率信號(hào)的包絡(luò)波形。

圖10 發(fā)射機(jī)輸出包絡(luò)

5 結(jié)束語(yǔ)

高功率微波四極管以前沒(méi)用過(guò),是國(guó)內(nèi)首次進(jìn)口,所以對(duì)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(shí)需要按部就班進(jìn)行調(diào)諧,防止自激;管子輸出射頻通過(guò)陽(yáng)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(guò)大就經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)打火現(xiàn)象,時(shí)間一長(zhǎng),情況會(huì)越嚴(yán)重,最終導(dǎo)致管子被打壞。

四極管發(fā)射機(jī)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(yáng)極電壓、簾柵電壓、控柵電壓、輸入激勵(lì)等。這些參數(shù)之間相互影響,在某個(gè)工作點(diǎn)調(diào)試結(jié)束后換個(gè)工作點(diǎn)又需要重新調(diào)試,同時(shí)由于腔體的Q值很高,諧振和耦合的微小調(diào)節(jié)都會(huì)導(dǎo)致輸出功率有巨大差異,如果可能,設(shè)計(jì)一個(gè)可精密調(diào)節(jié)的調(diào)諧機(jī)構(gòu)至關(guān)重要。

解決低頻大功率時(shí)的干擾問(wèn)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(jī)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(duì)陰極用無(wú)感電容并聯(lián)。

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

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