用于微放電測試的S波段注入鎖頻磁控管試驗研究

陳瀟杰，劉臻龍，劉長軍

四川大學 電子信息學院，成都 610064

用于微放電測試的S波段注入鎖頻磁控管試驗研究

陳瀟杰，劉臻龍，劉長軍*

四川大學 電子信息學院，成都 610064

針對微放電測試所需大功率微波源的需求，試驗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方法。基于注入鎖頻連續(xù)波磁控管的理論，試驗得到了磁控管的注入鎖頻帶寬與注入比成正比關系。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12.6 MHz的注入鎖頻帶寬。在同時注入雙頻參考信號的鎖頻試驗中，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。該試驗的結果為用于微波大功率微放電的微波源提供了試驗依據。

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，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會造成衛(wèi)星微波系統(tǒng)增益下降、傳輸性能變壞，信號噪聲增大，使得微波系統(tǒng)工作失常。近年來，國內外微波大功率微放電的研究日趨活躍。2008年文獻[2]提出了基于多載波合成峰包功率千瓦量級的大功率微波器件微放電的試驗方法，2012年文獻[3]對輸出功率500 W以上的微波大功率組件微放電檢測與防護做了研究。2016年文獻[4]提出的空間太陽能電站(Space Solar Power Station，SSPS)應用，即衛(wèi)星將太陽能轉化為微波能，以無線能量傳輸的方式輸送到地面電網系統(tǒng)，使得對衛(wèi)星天線和微波部件微波大功率放電防護的研究日趨緊迫。盡管從20世紀七八十年代開始對微放電進行了研究，由于工作器件工藝缺陷和微放電機測試系統(tǒng)不完善等方面原因，導致設計閾值往往達不到實際防護的要求。為了給防護設計提供依據，帶有大功率微波系統(tǒng)載荷的航天器均要進行地面微放電試驗[5]，且一般要求微放電設計閾值高于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備的設計當中，適當的大功率微波源是設備不可或缺的部分。

大功率部件的微放電測試，有時需要上千瓦，甚至幾十千瓦功率的微波源，而微波固態(tài)源要產生千瓦級別的連續(xù)波功率輸出，對成本和穩(wěn)定性的要求極高。磁控管因其效率高、使用壽命長、質量小、成本低等優(yōu)點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[7-8]。

注入鎖頻技術是改善磁控管輸出特性的重要技術。文獻[9-11]報道了國內外學者對波磁控管注入鎖頻進行研究，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備微波源的相關報告。本文以一款民用S波段磁控管作為研究對象，通過參考信號注入，實現(xiàn)輸出頻譜穩(wěn)定，鎖頻帶寬拓寬，還通過注入雙音信號進行鎖頻，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，可實現(xiàn)經濟、頻率可調且輸出穩(wěn)定的微波源，對大功率微波微放電地面測試設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世紀五六十年代Adler等就對微波振蕩器的鎖頻進行了理論方面的研究，此后各國學者對微波振蕩器注入鎖頻產生了濃厚的興趣。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低功率的高穩(wěn)定外部參考微波信號,該信號頻率接近于磁控管的固有振蕩頻率f0，經過環(huán)行器直接注入到連續(xù)波磁控管。當注入信號幅度達到相當數量級時，連續(xù)波磁控管振蕩頻率與被注入信號的頻率一致，相位同步。在鎖頻范圍內，磁控管的輸出頻率直接由注入信號頻率控制，圖1為磁控管注入鎖頻系統(tǒng)。

磁控管供電網絡使磁控管工作在自由振蕩狀態(tài)下，外部微波注入信號通過環(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。Adler公式給出了一般情況下注入鎖頻帶寬與鎖頻信號功率的關系[12-13]：

Δf=2f0ρ/QE

2 磁控管注入鎖頻試驗

1 kW連續(xù)波磁控管注入鎖頻試驗的系統(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)壓直流電源驅動。注入信號由矢量信號源(HMC-T2220，Hittite)和

增益超過50 dB的功率放大器(ZHL-30W-262-S+，Mini-Circuits)產生。兩個三端口串聯(lián)是為了更高的隔離度，其作用是構建注入信號的通路和保護磁控管免于大功率反射的損壞。磁控管耦合出的微波經激勵腔和波導后被大功率水負載(WR340，Euler)吸收。外部注入信號功率和水負載端的功率由功率計(AV2433)檢測。注入信號和鎖頻磁控管輸出信號的頻譜特性由頻譜分析儀(FSV7，Rohde & Schwarz)檢測。系統(tǒng)實物布局如圖3所示。

3 試驗結果與分析

3.1 自由振蕩時穩(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致電子發(fā)射過剩，嚴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，其中頻譜分析儀設置為最大保持，記錄磁控管在自由振蕩時的頻譜漂移狀態(tài)。磁控管燈絲電流分別為If=10 A和0 A時，輸出頻帶動態(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，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，圖5給出了陽極平均電流對磁控管輸出功率的影響，可以發(fā)現(xiàn)，當陽極平均電流Ia為150～400 mA時，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)定工作范圍內基本呈現(xiàn)線性增大的趨勢。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調節(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量級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是實現(xiàn)多路微波功率合成的重要技術之一。

在本文試驗條件下，對自由振蕩磁控管進行注入鎖頻。HMC-T2220信號發(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，經過環(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)定微波信號對磁控管進行注入鎖頻能大幅降低磁控管輸出信號的邊帶噪聲，使得輸出信號頻率穩(wěn)定在一個固定值。

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

圖7(a)中可以看到，當注入功率由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，增大注入信號功率至44dBm可有效地在較大頻率范圍內對磁控管輸出能量進行頻率牽引，且對比圖6自由振蕩的輸出頻譜，在鎖頻頻帶邊帶上對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)中頻率可調的大功率微波源。

3.3 雙頻注入鎖頻

提高單頻外部注入參考信號功率獲得更大的鎖頻帶寬后，進行了雙頻信號的注入試驗。系統(tǒng)框圖如圖8所示，雙頻參考信號經過合路器同時注入三端口環(huán)行器對磁控管進行鎖頻。

當注入信號f1=2 450MHz，PI1=26 dBm，f2=2 449.3MHz，PI2=20 dBm時，兩個信號頻率間隔Δf=700kHz，幅度差異ΔP=6dBm。磁控管進入穩(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，且雙音注入的交調產物頻率上均有功率輸出。當f1=2 450MHz，PI1=26 dBm，f2=2 443MHz，PI2=14 dBm時,對比圖9(b)與圖9(a)，從頻譜鎖定圖研究發(fā)現(xiàn)，雙頻信號功率幅值差異增大時，磁控管輸出功率重新分配回f1，交調效應減輕，同時牽引到交調信號上的功率也減小。

試驗證明，當頻點相異的注入信號增多后，磁控管的注入鎖定從頻譜上來說交調效應將有所增加，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輸出，且在周圍將有多個頻點的穩(wěn)定功率輸出，頻點數量與注入信號的頻率數量相關。隨著注入信號頻率數量的增加，對磁控管的雜散能量匯集作用將更強，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

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。通過調節(jié)陽極電流可以使磁控管輸出功率有近700W的動態(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；通過提高參考信號注入功率將磁控管鎖頻頻帶拓寬至12.6MHz；基于Adler公式對磁控管進行雙音注入，磁控管功率大部分被鎖定在功率較大的頻點上，同時磁控管出現(xiàn)了多路穩(wěn)定輸出的頻點，雜散抑制良好。

4 結束語

本文根據大功率微放電地面測試裝置對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，為獲得更高功率的微波功率合成技術奠定基礎。

試驗結果表明，磁控管燈絲電流和陽極電流分別對輸出頻譜和輸出功率有顯著影響；試驗證明注入比低于-50dB的條件下，Adler公式對于連續(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。雙音信號的注入鎖頻試驗得到了鎖頻磁控管非線性特性，其注入雙音信號鎖頻后產生了多個穩(wěn)定輸出的頻點，并具有雜散抑制的特性。但是鎖頻后的磁控管輸出信號相位會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還需要進一步研究。本文表明了鎖頻磁控管作為經濟、穩(wěn)定的微放電測試大功率微波源的可行性，也為實現(xiàn)更大功率輸出的功率合成技術提供了參考依據。

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(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；

時間：2017-03-21 15:59:59

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

973計劃(2013CB328902)；國家自然科學基金(61271074)

陳瀟杰(1991—)，男，碩士研究生，xjchen9112@163.com，研究方向為電磁場與微波技術

*通訊作者：劉長軍(1973—)，男，教授，cjliu@scu.edu.cn，研究方向為微波理論與技術

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研究[J].中國空間科學技術，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