電源調(diào)制器電路對(duì)脈沖行波管功率放大器相位穩(wěn)定性影響研究

董 戈 胡波雄 肖 曦

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電源調(diào)制器電路對(duì)脈沖行波管功率放大器相位穩(wěn)定性影響研究

董 戈*①胡波雄②肖 曦③

①(清華大學(xué)航天航空學(xué)院 北京 100084)②(中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所 北京 100190)③(清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系 北京 100084)

行波管放大器(TWTA)廣泛應(yīng)用在雷達(dá)、通訊等領(lǐng)域。相位穩(wěn)定性影響傳輸信號(hào)質(zhì)量、目標(biāo)參數(shù)檢測(cè)精度、電磁兼容性等指標(biāo)。該文在定量分析電源調(diào)制器(EPC)電路參數(shù)對(duì)TWTA相位穩(wěn)定性影響的基礎(chǔ)上，提出提高TWTA相位穩(wěn)定性的EPC電路的幾種設(shè)計(jì)方案：選擇合理的供電電路，利用低壓儲(chǔ)能高頻高壓電源提高陰極電壓的穩(wěn)定性，利用調(diào)節(jié)控制脈沖幅度補(bǔ)償陰極電壓脈沖頂降造成的相位不穩(wěn)定性。該文成果為研制體積小、功率大、相位穩(wěn)定性高的TWTA提供了依據(jù)。

行波管放大器；電源調(diào)制器；相位穩(wěn)定性

1 引言

微波和毫米波大功率發(fā)射機(jī)中廣泛地應(yīng)用行波管功率放大器(Traveling Wave Tube Amplifier, TWTA)。隨著信號(hào)相干處理方法的普遍運(yùn)用，對(duì)發(fā)射機(jī)相位穩(wěn)定性的要求也不斷地提高[1,2]。此外，發(fā)射機(jī)相位穩(wěn)定性的提高可以提高傳輸信號(hào)的質(zhì)量，提高目標(biāo)參數(shù)確定的精度，亦會(huì)促進(jìn)日趨重要的電磁兼容性問(wèn)題的解決[1]。對(duì)影響TWTA輸出信號(hào)相位穩(wěn)定性的電源調(diào)制器(Electric Power Conductor, EPC)電路參數(shù)進(jìn)行定量分析，提出提高TWTA相位穩(wěn)定性的EPC工程解決方案具有重要的工程應(yīng)用意義。

行波管各電極電壓的不穩(wěn)定性、輸入功率的不穩(wěn)定性、負(fù)載阻抗的變化等是造成行TWTA輸出信號(hào)相位不穩(wěn)定的主要因素。此外，工作環(huán)境的變化、機(jī)械作用等因素同樣會(huì)造成TWTA輸出信號(hào)相位的不穩(wěn)定性。但是，目前行波管及其功率放大器的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝水平使它們的影響微乎其微。在功率放大器的設(shè)計(jì)過(guò)程中可以不考慮這些因素。

2 影響行波管放大器輸出相位穩(wěn)定性主要因素的分析

根據(jù)行波管線性理論，對(duì)于大多數(shù)大功率行波管，由于加速電壓(或陰極電壓)U不穩(wěn)定性造成TWTA相位增量的變化和由于控制極電壓U不穩(wěn)定性造成TWTA相位增量的變化工程估算公式表示為[6]

(2)

其中，為慢波線的電長(zhǎng)度，為皮爾斯(Pierce)增益系數(shù)。

不失一般性，文獻(xiàn)[3]以輸出功率10 kW，增益60 dB，帶寬5％的TWTA為例，給出了TWTA輸出信號(hào)相位穩(wěn)定性表主要影響因素的計(jì)算值和實(shí)際值，見(jiàn)表1。

表1 影響TWTA相位穩(wěn)定性的主要因素

由表1可以看到影響TWTA輸出信號(hào)相位穩(wěn)定性的最主要因素是供電(陰極、控制極)電壓的不穩(wěn)定性、輸入和輸出功率的不穩(wěn)定性。為保證的相位穩(wěn)定性，行波管微波輸出端和負(fù)載的駐波系數(shù)應(yīng)該控制在1.5以內(nèi)。輸入功率的穩(wěn)定度要求也并不是非?？量蹋@些在TWTA設(shè)計(jì)中相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。

綜上所述，保證TWTA輸出信號(hào)相位穩(wěn)定性的關(guān)鍵是保證供電電壓的穩(wěn)定性，特別是陰極和控制電壓的穩(wěn)定性。下面進(jìn)一步研究EPC電路對(duì)TWTA微波輸出信號(hào)相位穩(wěn)定性的影響。

3 EPC電路對(duì)TWTA微波輸出信號(hào)相位穩(wěn)定性的影響

3.1 選擇合理的EPC供電電源電路

供電電源電路可分為兩大類(lèi)：陰極和收集極電源串聯(lián)和并聯(lián)電路。從保證脈沖TWTA相位穩(wěn)定性的角度，并聯(lián)電路具有優(yōu)越性。這是由于雖然收集極電壓并不影響相位穩(wěn)定性，但是串聯(lián)電路陰極電源的等效負(fù)載小于并聯(lián)電路，儲(chǔ)能電容的放電時(shí)間常數(shù)小，加速電壓脈沖內(nèi)頂降大，相位穩(wěn)定性差。在相同的條件下，采用并聯(lián)電路可以將相位穩(wěn)定性提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。為了提高功率放大器的效率，可以采用降壓收集極的方案，也就是說(shuō)收集極電壓在數(shù)值上低于陰極電壓。圖1是考慮到供電電路影響，推薦采用的EPC電原理框圖。

圖1 并聯(lián)供電電路EPC電原理框圖

圖中1~5分別表示行波管的燈絲、陰極、控制極(柵極)、慢波系統(tǒng)和收集極。PS1是燈絲電源；PS2提供控制極的截止電壓電源；C1是旁路電容；M為調(diào)制器；PS3是陰極電源，大功率脈沖TWTA中通常是104~105V高壓，C2是PS3的儲(chǔ)能電容；PS4為收集極電源。選取相應(yīng)的收集極電壓可以提高行波管的電效率。收集極可以采取多級(jí)降壓技術(shù)。由于這并不是問(wèn)題所在，所以這里給出簡(jiǎn)化的電原理框圖。

3.2 采用低壓儲(chǔ)能高頻高壓電源保證陰極電壓的穩(wěn)定性

上述分析表明，提高TWTA相位穩(wěn)定性的關(guān)鍵是保證EPC陰極輸出電壓的穩(wěn)定性。優(yōu)化設(shè)計(jì)EPC的陰極電源是整個(gè)EPC設(shè)計(jì)的核心之一。

圖2給出了低壓儲(chǔ)能高頻高壓EPC陰極電源電原理框圖。其主要特點(diǎn)在于將高壓儲(chǔ)能電容器移至電壓較低的輸入端。圖2中1為輸入模塊。它的作用是保證電源與供電網(wǎng)的隔離，提供高頻交流轉(zhuǎn)換器2輸入電壓及其初步穩(wěn)壓。這一電壓值應(yīng)保證400 V左右，這樣可以使用廉價(jià)電解質(zhì)電容器。諧振高頻交流變換器2、濾波電路3、高頻高壓變壓器4和橋式高壓整流器5共同完成輸入電壓的高頻高壓轉(zhuǎn)換。輸出頻率應(yīng)在105Hz數(shù)量級(jí)。這樣可以降低輸出端濾波電容容值。電源有穩(wěn)壓回路。它包括分壓器6和反饋回路模塊7。它們與模塊2~5以及和高壓濾波電容器C3共同完成穩(wěn)定輸出電壓的任務(wù)。圖2中R是陰極電源的等效電阻。K是等效開(kāi)關(guān)。

其中，K為升壓系數(shù)，即陰極電路輸出U和輸入端電壓和in之比，R為行波管陰極電路的等效電阻，/U為行波管陰極輸出電壓的相對(duì)穩(wěn)定性，為脈沖寬度。

利用低壓儲(chǔ)能電容的另一優(yōu)勢(shì)在于低壓儲(chǔ)能電容的能量不會(huì)在打火時(shí)通過(guò)輸出回路釋放，從而不會(huì)對(duì)行波管造成破壞。這是由于當(dāng)輸出回路出現(xiàn)打火現(xiàn)象的瞬間，輸出回路瞬態(tài)電流很大，由于電源內(nèi)阻圖2中A點(diǎn)的電壓下降，而B(niǎo)點(diǎn)的電壓由于濾波電容的作用仍然維持在標(biāo)稱輸出電壓，也就是說(shuō)B點(diǎn)電壓高于A點(diǎn)，這樣整流二極管電橋開(kāi)路電源變壓器原邊的能量不能傳輸?shù)捷敵龆?，從而起到了保護(hù)行波管的作用。雖然儲(chǔ)能電容的儲(chǔ)能往往遠(yuǎn)大于電真空管的擊穿能量，但是采用圖2的設(shè)計(jì)使的能量在行波管火花放電時(shí)由5截止，形成了對(duì)行波管的保護(hù)，避免了真空放電器件的使用，縮小了放大器體積，提高了可靠性，工藝更為簡(jiǎn)單。除此以外，低壓電容雖然在數(shù)值上大于高壓電容，但其體積和價(jià)格均遠(yuǎn)小于。這些都為研制小體積、高電壓穩(wěn)定性和高可靠性的全固態(tài)高壓電源奠定了基礎(chǔ)。

圖2 低壓儲(chǔ)能高頻高壓陰極電源的電原理框圖

采用此電路的優(yōu)點(diǎn)是高頻紋波的性能好；避免高壓儲(chǔ)能電路中必須使用的保護(hù)行波管的真空放電器；大大縮小了電源的體積和質(zhì)量。

脈沖TWTA中EPC的調(diào)制器由控制極的截止電壓電源和保證行波管導(dǎo)通的正偏壓調(diào)制器組成，它提供具有相應(yīng)幅度和寬度的脈沖電壓以開(kāi)關(guān)TWTA。

仔細(xì)研究式(1)和式(2)可以發(fā)現(xiàn)，陰極和控制極電壓的變化會(huì)造成符號(hào)相反，數(shù)值相差一個(gè)數(shù)量級(jí)的輸出信號(hào)相位變化。脈沖式TWTA脈沖時(shí)儲(chǔ)能電容放電造成的陰極電壓的不穩(wěn)定性是遵循冪指數(shù)函數(shù)規(guī)律變化。因此可以利用脈沖內(nèi)控制極電壓相應(yīng)的調(diào)節(jié)對(duì)陰極電壓脈沖內(nèi)頂降造成的相位不穩(wěn)定性進(jìn)行補(bǔ)償。這一變化規(guī)律可近似的表示為

其中，()為控制極時(shí)刻的電壓，M為控制極行波管的導(dǎo)通電壓，2為控制極行波管的截止電壓，為脈沖重復(fù)頻率，為脈沖寬度，為儲(chǔ)能電容充電電路時(shí)間常數(shù)，為行波管皮爾斯增益系數(shù)。

實(shí)現(xiàn)這一思路的調(diào)制器M電路見(jiàn)圖3。輸出端1接行波管的控制極，輸出端2接行波管的陰極。在脈沖行波管兩個(gè)脈沖間隔期間變壓器將控制脈沖形成兩路，一路控制VT4，其柵極電壓高于源極電壓，VT4導(dǎo)通。另一路控制VT1，其柵極電壓低于源極電壓，VT1截止。VT2和VT3也處于截止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)，調(diào)制器M輸出端電壓()2，保障脈沖行波管處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)調(diào)制器M輸入處于脈沖期間，VT1~VT3導(dǎo)通，而VT4截止。此時(shí)，調(diào)制器M輸出端電壓()=M+M()。改變VT3柵極電壓可以實(shí)現(xiàn)對(duì)M()的調(diào)整。這一調(diào)整由VT2和電阻R3~R8實(shí)現(xiàn)，其中R3遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于R4~R8的阻值。當(dāng)K處于滑動(dòng)電阻的上半部分時(shí)，電容C2的放電將造成VT2基極電流下降，通過(guò)R10的電流也下降，VT3柵極的電壓也下降，其規(guī)律遵循指數(shù)變化，時(shí)間常數(shù)，當(dāng)脈沖寬度>(3~5)時(shí)，脈沖末期，調(diào)制器M輸出端電壓值為

當(dāng)K處于滑動(dòng)電阻的下半部分時(shí)，電容C1放電將造成VT2基極電流增加，通過(guò)R10的電流也增加，VT3柵極的電壓也增加，其規(guī)律遵循指數(shù)變化，時(shí)間常數(shù)，當(dāng)脈沖寬度> (3~5)時(shí)，脈沖末期，調(diào)制器M輸出端電壓值為

(6)

這一電路優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)脈沖內(nèi)控制極電壓的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)功率放大器輸出信號(hào)的相位穩(wěn)定。需要說(shuō)明的是這一方案有一定的局限性，控制極電壓調(diào)整應(yīng)在(1%~10%)M的范圍內(nèi)，過(guò)大的調(diào)整會(huì)影響行波管的正常工作。過(guò)小的調(diào)整會(huì)由于控制極電壓紋波的原因難以實(shí)現(xiàn)。因此，可以補(bǔ)償?shù)南辔徊环€(wěn)定性對(duì)應(yīng)陰極電壓的不穩(wěn)定性有一定的范圍，它由Pierce放大系數(shù)確定。

5.并購(gòu)價(jià)值的效應(yīng)體現(xiàn)。一個(gè)是效益效應(yīng)，據(jù)某些資料顯示，對(duì)于雙方融資成立的新公司，首次融資已經(jīng)超33億元，融資后公司的估值可超180億元，這是全球范圍最大的私募融資之一，這有利于新企業(yè)在未來(lái)的時(shí)間內(nèi)上市。兩家的合并重構(gòu)使得用戶數(shù)量急劇上升，覆蓋的群體范圍以及地域范圍也擴(kuò)大。新公司覆蓋了超過(guò)2800個(gè)縣、市、區(qū)，日訂單量突破1000萬(wàn)單，移動(dòng)端月度活躍用戶超1.5 億人，年購(gòu)買(mǎi)用戶近2億人，2015年總交易額超過(guò)1700億元人民幣。另一個(gè)是戰(zhàn)略效應(yīng)，對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，拿下O2O市場(chǎng)，就有在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的主動(dòng)權(quán)，未來(lái)發(fā)展的潛力不可限量，美團(tuán)與大眾點(diǎn)評(píng)的戰(zhàn)略整合，兩家企業(yè)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，有利于公司的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

圖3 可實(shí)現(xiàn)控制極電壓調(diào)節(jié)的EPC脈沖調(diào)制器電原理圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用上述理論完成脈沖行波管EPC的電路方案設(shè)計(jì)。行波管工作頻段為S波段，頻帶寬度不小于62 MHz，輸出峰值功率不小于2400 W，最大脈沖寬度40ms，最大工作比12.5%，效率不小于28.5%。行波管陰極電壓，慢波線平均電流，根據(jù)輸出信號(hào)相位穩(wěn)定性小于5o的要求，電壓穩(wěn)定性/U達(dá)到數(shù)量級(jí)，2級(jí)降壓收集極一次電源電壓標(biāo)稱值42 V，總功耗。脈沖行波管EPC的照片見(jiàn)圖4。

主要參數(shù)的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。采用本方案的EPC 陰極電壓穩(wěn)定性，紋波小于3 V，相位穩(wěn)定性5o。同時(shí)大大降低了電源體積、重量和研制成本，具備很好的打火保護(hù)功能，提高了TWA的可靠性。

5 結(jié)論

本文在定量分析EPC電路參數(shù)對(duì)TWTA相位穩(wěn)定性影響的基礎(chǔ)上，提出了保證TWTA相位穩(wěn)定性的EPC設(shè)計(jì)方案。通過(guò)EPC研制驗(yàn)證了所提方案的有效性。本文提出的提高相位穩(wěn)定性的方法為研制體積小、功率大、相位穩(wěn)定性高的TWTA提供了依據(jù)。微波技術(shù)的發(fā)展還需要我們對(duì)TWTA輸出信號(hào)相位穩(wěn)定性作進(jìn)一步的研究，尤其是相位不穩(wěn)定性與其因素解析關(guān)系的理論研究。此外，本文提到的穩(wěn)定TWTA相位的方法也可以應(yīng)用在行波管相控陣天線系統(tǒng)各單元相位的控制過(guò)程中。

圖4 脈沖行波管EPC照片

表2 EPC主要參數(shù)測(cè)試結(jié)果

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Study on Influence of Electric Power Conductor Circuits on Traveling Wave Tube Amplifier Phase Stability

DONG Ge①HU Boxiong②XIAO Xi③

①(,,100084,)②(,,100190,)③(,,100084,)

Traveling Wave Tube Amplifier (TWTA) is used extensively in the fields of radars and communication. And its phase stability could exert influence upon the quality of transmission signals, the detection accuracy of target parameters and the electromagnetic compatibility. This paper quantitatively analyses the effects of Electric Power Conductor (EPC)’s circuit parameters upon the phase stability of TWTA, and proposes further advanced three designing schemes on the EPC to improve the phase stability of TWTA,.. selecting a reasonable power supply circuit; adopting low-voltage-charging, high-frequency, high-voltage source to raise the stability of high-cathode voltage; compensating the phase instability from the cathode voltage pulse top fall effect through the adjusting of the amplitude of control pulse. This paper provides theoretical basis for the researching of TWTAs with compact size, high power, and high phase stability.

Traveling Wave Tube Amplifier (TWTA); Electric Power Conductor (EPC); Phase stability

TN124

A

1009-5896(2017)02-0504-05

10.11999/JEIT160876

2016-08-24；改回日期：2016-11-07；

2016-12-29

董戈 dongge@tsinghua.edu.cn

中國(guó)科技部政府間科技合作項(xiàng)目(CR20-09)

Program of International Science and Technology Cooperation (CR20-09)

董 戈： 男，1971年生，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事航空航天電子技術(shù)、微波遙感技術(shù)和星載TWTA等方面的研究工作.

胡波雄： 男，1979年生，工程師，主要從事雷達(dá)發(fā)射機(jī)方面的研究工作.

肖 曦： 男，1973年生，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事電機(jī)控制與電力電子方面的研究工作.