20 kW磁控管頻率推移特性的功率合成實(shí)驗(yàn)研究

劉臻龍，唐正明，劉長(zhǎng)軍

1.西華師范大學(xué) 電子信息工程學(xué)院, 四川 南充 637002

2.西南電子技術(shù)研究所, 四川 成都 610036

3.四川大學(xué) 電子信息學(xué)院, 四川 成都 610064

磁控管以其高轉(zhuǎn)化效率和巨大的低成本優(yōu)勢(shì)，在深空通信、空間太陽能電站和微波加熱領(lǐng)域有著無法替代的地位。然而，在能源流和信息流深度結(jié)合的今天，隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，對(duì)微波源的輸出（連續(xù)波）功率提出了更高的要求[1]。例如，高功率微波等離子體化學(xué)氣相沉積法制造金剛石膜，要求S波段連續(xù)波功率達(dá)到60 kW以上[2]。遺憾的是，目前并沒有能滿足這一條件且高效廉價(jià)的微波源，S波段連續(xù)波磁控管最高輸出功率僅可以達(dá)到30 kW，其主要的產(chǎn)商有美國理查森和布洛（S94610E，Richardson & Burle）和中國南京三樂（CK-2 121），中國南京三樂生產(chǎn)的磁控管在穩(wěn)定性和壽命等方面與國外還存在一定的差距[3]。單只磁控管微波源功率容量遠(yuǎn)不能滿足目前的需求。對(duì)多個(gè)廉價(jià)的磁控管進(jìn)行功率合成，是滿足當(dāng)下應(yīng)用需求的最佳選擇。但磁控管的輸出幅相特性差，難以直接合成，必須對(duì)磁控管的幅相進(jìn)行有效控制后再進(jìn)行功率合成。從目前磁控管功率合成技術(shù)的研究中我們發(fā)現(xiàn)其存在以下2個(gè)方面的難題：通常采用基于外注入的注入鎖定功率合成技術(shù)[4?8]需要增加高純度的注入鎖定信號(hào)，成本高；而采用非相干功率合成方法[9?10]，由于磁控管的一致性差造成功率合成效率低，非相干功率合成的互耦設(shè)計(jì)不合理甚至?xí)绊懳⒉ㄔ吹墓ぷ鞣€(wěn)定性和工作壽命。針對(duì)上述的問題，本文并提出了一種基于磁控管推移特性的互注入功率合成技術(shù)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該技術(shù)不僅為低成本磁控管大功率微波功率合成的技術(shù)難題提供一種通用技術(shù)解決方案，還能為工業(yè)微波能、空間無線能量傳輸系統(tǒng)、深空通信高功率微波應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展起到重大推動(dòng)作用。

1 磁控管推移特性的功率合成結(jié)構(gòu)

圖1為本文所提出的兩路基于磁控管推移特性的功率合成系統(tǒng)框圖，2只磁控管通過環(huán)行器輸出高功率微波至三端口功率合成器，環(huán)行器剩余的1個(gè)端口與負(fù)載相連，由于三端口功率合成器與現(xiàn)實(shí)的環(huán)行器隔離度有限，磁控管1輸出的部分功率會(huì)透射過三端口功率合成器，反向注入磁控管2；同理，磁控管2的部分輸出功率也將注入磁控管1。這樣的互耦方式保證了2只磁控管的穩(wěn)定工作，當(dāng)磁控管滿足鎖定條件與特定的幅相特性時(shí)，2只磁控管可以相互鎖定，將在同一頻率上振蕩，完成2只磁控管的功率合成，輸出至最終的負(fù)載端。

圖1 基于推移特性磁控管系統(tǒng)框圖

2 功率合成效率因素分析

圖1 中的2只磁控管輸出信號(hào)經(jīng)過環(huán)行器入射H-T功率合成器，兩路磁控管入射到H-T合成器參考平面的信號(hào)分別為和，則根據(jù)HT合成器的S參數(shù)矩陣[11]，可得H-T合成器的合成輸出為

式中 Δ? = ?1 ??2。

引入功率比k，令k=P1/P2，則通過式(1)可計(jì)算得出H-T功率合成效率為

式(2)的估算為無耗條件下H-T功率合成器合成效率與兩路輸入信號(hào)幅相不平衡之間的關(guān)系，為了更直觀地表述這種關(guān)系，將式(2)映射成圖2。

圖2 H-T 功率合成器效率分析

從圖2中可以看出，當(dāng)兩路磁控管入射H-T功率合成器的幅度相等、相位差為0°時(shí)，合成效率達(dá)到最大，無耗合成的效率高達(dá)100%。隨著相位差和功率比進(jìn)一步增大，合成效率逐漸降低，當(dāng)磁控管等幅入射H-T功率合器時(shí)，相位差為90°時(shí)也無合成效應(yīng)。當(dāng)磁控管同相位入射H-T功率合器時(shí)，功率比k= 5.8時(shí)，合成器無合成效應(yīng)。即使兩路磁控管入射信號(hào)的功率比達(dá)到3 dB、相位差達(dá)到15°，無耗H-T功率合成器的合成效率也能達(dá)到95%以上。

3 磁控管幅相控制分析

從上面的分析中可以知道，為了達(dá)到H-T合成器的高效合成條件，磁控管的幅度和相位必須進(jìn)行控制。磁控管的輸出功率（幅度）很容易通過調(diào)節(jié)陽極電流來實(shí)現(xiàn)；所以本節(jié)重點(diǎn)分析在圖1的系統(tǒng)中如何實(shí)現(xiàn)磁控管的相位控制。

圖1的2個(gè)磁控管是相同的，每個(gè)磁控管既是注入源，又是受控振蕩器。磁控管之間通過信號(hào)的互相耦合來相互控制并實(shí)現(xiàn)互相鎖定，從而實(shí)現(xiàn)頻率和相位的控制。磁控管互注入鎖定滿足Slater的理論[12]，因此定義表征兩只磁控管之間的復(fù)耦合系數(shù)和，則圖1中2只磁控管滿足式（3）和式（4）[12]：

式中： ω1和 ω2、Q1e和Q2e分別為2只磁控管單獨(dú)的自由振蕩頻率和外觀品質(zhì)因數(shù)， φ1和 φ2為2只磁控管 的 輸 出 相 位 ， ξ12(ξ21)表 示 自 由 振 蕩 頻 率 為ω2(ω1)的磁控管對(duì)自由振蕩頻率為 ω1(ω2)的磁控管的耦合強(qiáng)度， Φ12和 Φ21則表示互注入路徑上帶來的相位超前或者滯后。

為了描述互注入磁控管之間的相位差，用式(3)減去式 (4)，得

式中： ? φ=φ1?φ2， ? ω=ω1?ω2。

由于圖1的系統(tǒng)中合成系統(tǒng)的2只單管系統(tǒng)完全對(duì)稱，假設(shè) ξ12ejΦ12 ≈ ξ21ejΦ21 ≈ ξejΦ，Q1e=Q2e=Qe，在穩(wěn)態(tài)情況下， d ?φ/dt=0，則實(shí)現(xiàn)雙管高效功率合成 ? φ=0的條件為

磁控管的一致性通常比較差，而控制磁控管的頻率的辦法之一為磁控管的推移特性。

4 20 kW 磁控管頻率推移特性

磁控管的頻率推移通常是指磁控管的振蕩頻率隨著陽極電流變化而變化，根據(jù)Chen等[13]理論，瞬時(shí)磁控管的自由振蕩頻率ω?為

式中b描述了頻率推移效應(yīng)。b應(yīng)遵循關(guān)系為

式中：Vdc為A-K間隙，b0為常數(shù)，α為推移因子。B描述了頻率牽引效應(yīng)。

磁控管的推移曲線并不是單調(diào)曲線。我們直接在功率合成系統(tǒng)中對(duì)磁控管的推移特性進(jìn)行了測(cè)試。

5 20 kW 磁控管功率合成系統(tǒng)

根據(jù)上述分析，依照?qǐng)D1所示的原理圖，完成了20 kW基于磁控管推移特性的功率合成系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖3所示。圖3中大箭頭指示磁控管產(chǎn)生的微波大功率信號(hào)傳輸方向，小箭頭指示磁控管之間互相耦合的信號(hào)傳輸通道。此處說明一點(diǎn)，圖3中通過最終負(fù)載功率控制磁控管陽極電流的反饋支路未在圖中表示。完成后的整個(gè)系統(tǒng)測(cè)試如圖4所示。

圖3 20kW 磁控管功率合成框圖

圖4 磁控管功率合成系統(tǒng)測(cè)試

首先挑選其中1只磁控管，測(cè)試其20 kW磁控管的推移特性，如圖5所示。圖5描述了20 kW磁控管輸出功率高于5.0 kW時(shí)，磁控管自由振蕩輸出頻譜隨陽極電流的變化。隨著磁控管輸出平均功率從5.7 kW增加至20.0 kW，磁控管自由振蕩輸出頻譜越來越尖銳，磁控管輸出基底噪聲也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且隨著陽極電流的增加，磁控管自由振蕩的中心頻率也隨之增加。然而，當(dāng)磁控管輸出功率達(dá)到20.0 kW時(shí)，磁控管的中心頻率比功率為18.9 kW的中心頻率回退了550 kHz，這是由于20 kW磁控管的推移特性受到陽極塊溫升的影響。因此，為了實(shí)現(xiàn)雙管的功率合成，只需要選擇不受陽極塊溫升影響的頻率區(qū)域，適當(dāng)降低頻率高的一只管子的陽極電流，隨著陽極電流的下降，其振蕩頻率也隨之下降，實(shí)現(xiàn)2只磁控管的自由振蕩頻率區(qū)域一致，達(dá)到高效的功率合成。

圖5 20 kW 磁控管推移特性

首先同時(shí)把兩路磁控管開啟，并將雙管功率分別推至19.0 kW，測(cè)量該系統(tǒng)不進(jìn)行頻率推移自由振蕩合成端的輸出頻譜，測(cè)量結(jié)果如圖6所示。2只磁控管館分別在2.447 GHz和2.449 GHz自由振蕩，并存在交調(diào)產(chǎn)物，2管之間的相對(duì)相位顯然在劇烈抖動(dòng)，我們?cè)跍y(cè)試其平均功率時(shí)發(fā)現(xiàn)，雙管輸出功率及合成功率都存在較大的抖動(dòng)，無穩(wěn)定輸出，這是由于雙管之間的周期牽引引起的。

圖6 雙管自由振蕩合成頻譜圖

為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的合成輸出，根據(jù)上述分析，依次開啟一路頻率較高的磁控管，并關(guān)閉另外一路，調(diào)節(jié)陽極電流，使得磁控管的自由振蕩頻率接近另外一只管子的自由振蕩頻率，將兩路磁控管的自由振蕩頻率牽引至近似相等。經(jīng)過調(diào)節(jié)后，如圖7所示，一路磁控管的自由振蕩中心頻率牽引至2.447 6 GHz，此時(shí)調(diào)節(jié)后的磁控管傳輸至H-T的入射功率為17.8 kW；另外一路開啟后頻率和功率和原來保持一致，因磁控管外接環(huán)行器的微小差異，2只磁控管之間互注入的功率分別為150.0 W和 185.0 W，兩路磁控管共同振蕩在 2.447 5 GHz。此時(shí)，相對(duì)于單管磁控管振蕩頻譜頻率抖動(dòng)和顫噪基本消失了，并且振蕩頻譜比自由振蕩的頻譜明顯收窄，其頻率穩(wěn)定性明顯提高，但因缺少外注入信號(hào)，輸出頻譜的略差與外注入功率合成方式[4]。如圖7所示，合成之后的頻譜質(zhì)量獲得一定的提升，H-T功率合成器輸出端測(cè)得合成輸出的平均功率為34.0 kW，計(jì)算得出功率合成器的合成效率為92.3%，接近理論估算的效率。迄今尚未見到S波段磁控管以互注入的方案合成達(dá)到這個(gè)功率和效率的報(bào)道。最后，測(cè)量了30 min該功率合成系統(tǒng)的總功率波動(dòng)情況，兩路20 kW磁控管的合成功率基本維持在34.0 kW左右，即使受到市電和電源自身波動(dòng)的干擾，通過利用磁控管的推移特性，兩路合成總功率的最大抖動(dòng)在整個(gè)30 min 僅僅為 0.30 dB。

圖7 磁控管功率合成實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)論

本文提出了一種無需外部信號(hào)注入的基于20 kW磁控管推移特性的互注入低成本功率合成技術(shù)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：

1）完整表征了20 kW了磁控管的推移特性；

2）基于推移特性實(shí)現(xiàn)雙管合成功率大于34 kW，合成效率高于92%；

3）功率合成穩(wěn)定高，功率抖動(dòng)小于0.3 dB。