寬帶脈沖行波管放大器功率管理技術研究

蔣洪衛

(中國船舶重工集團公司第723研究所,揚州 225001)

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寬帶脈沖行波管放大器功率管理技術研究

蔣洪衛

(中國船舶重工集團公司第723研究所,揚州 225001)

介紹了一種寬帶脈沖行波管放大器，闡述了行波管放大器的基本工作原理，分析了影響行波管輸出功率的主要因素，并提出了一種切實可行的寬帶行波管放大器的功率管理技術。

行波管放大器；增益；柵極；螺旋線；飽和輸出功率；功率管理

0 引 言

行波管的應用非常廣泛，幾乎所有的衛星通訊都使用行波管作為末級放大器。在大多數雷達系統中都要使用一只或若干只行波管作為產生高頻發射脈沖的大功率放大器。螺旋線行波管的帶寬可以達到2個倍頻程以上，因而在很多大功率寬帶脈沖信號模擬器中也經常采用行波管放大器。

1 寬帶行波管放大器的工作原理

行波管放大器是通過電磁場與電子注發生能量交換使高頻信號得以放大的微波真空器件。行波管在結構上包括電子槍、慢波電路(螺旋線)、衰減器、能量耦合器(微波信號輸入、微波功率輸出)、磁場(聚焦系統)和收集極等部分(如圖1所示)。電子槍的作用是形成符合設計要求的電子注。聚焦系統使電子注保持所需形狀，保證電子注順利穿過慢波電路并與微波場發生有效的相互作用，最后由收集極接收電子注。待放大的微波信號經輸入能量耦合器進入慢波電路，并沿慢波電路行進。電子與行進的微波場進行能量交換，使微波信號得到放大。放大后的微波功率經輸出能量耦合器送至負載。

在行波管中，電子注與慢波電路中的微波場發生相互作用。為了使電子注同微波場產生有效的相互作用，電子的直流運動速度應比沿慢波電路行進的微波場的相位傳播速度(相速)略高，稱為同步條件。

2 寬帶行波管放大器的輸出功率

行波管放大器的輸出功率主要由放大器選用的行波管特性所決定。在寬帶放大器中，通常要求放大器具備倍頻程甚至2個倍頻程的帶寬，如1～2 GHz，2～4 GHz，4～8 GHz，6～18 GHz等，在如此寬的頻率范圍內，在寬帶行波管的設計和制造時，通常采用無源均衡器對行波管的增益進行均衡。即使如此，行波管的增益通常仍然會出現較大幅度的變化，進而導致輸出功率的變化。

由于超寬帶脈沖行波管在整個頻帶范圍內增益變化較大[1]，因而常規的寬帶行波管放大器在整個頻帶范圍內的飽和輸出功率波動較大，有些可達到3 dB。究其原因，主要是行波管電源所提供的螺旋線同步電壓通常都是一個定值。

例如，某行波管工作頻率范圍為6.5～18 GHz，其脈沖輸出功率為1 kW，行波管制造商通常給出的螺旋線同步電壓為10.5 kV，很顯然，假定這個電壓是行波管工作于12 GHz時的理想同步電壓，那么該電壓顯然不能滿足在6.5 GHz或18 GHz時行波管工作于理想同步狀態。

通過對該行波管的測試發現，在行波管各極電壓為行波管制造商給定的銘牌值時，在整個頻率范圍內行波管飽和輸出功率會在1.05～2.1 kW內變化,而行波管的飽和增益波動則達到10 dB。

3 寬帶行波管放大器功率管理

基于行波管的基本工作原理，本文設計了這樣一套行波管饋電系統：根據行波管的工作頻率，自動調整行波管的工作電氣參數。

就柵極控制脈沖行波管而言，其柵極正偏電壓的幅值直接決定了行波管電子槍發射電子的能力，而行波管螺旋線同步電壓則對行波管高頻增益影響較大。因而在不同的頻率范圍內，可以通過行波管的柵極正偏電壓和螺旋線同步電壓，實時調節行波管的增益特性，從而實現行波管輸出功率的管理。柵控行波管饋電系統如圖2所示。

圖2中，行波管電源為行波管提供工作所需的各極電源，主要包括螺旋線電源Uh、收集極電源、熱絲電源、柵極負偏壓電源、柵極脈沖調制電源Ug。場效應放大器、數控衰減器、寬帶隔離器等構成行波管射頻輸入饋電系統。采用寬帶定向耦合器對行波管輸出功率進行檢測，檢測結果饋送至控制中心。

圖2 柵控行波管饋電系統組成框圖

控制中心通過數控衰減器控制行波管射頻輸入信號的幅值，同時控制中心通過改變螺旋線電源Uh、柵極脈沖調制電源Ug的電壓基準信號，對螺旋線電源Uh、柵極脈沖調制電源Ug進行動態調節。

控制中心可設置多組行波管參數(Ug和Uh)，針對不同的工作頻率，進行如下實驗：即依次通過行波管電源將各組行波管參數設置到行波管，在行波管工作于每組行波管電氣參數時，控制中心調整數控衰減器的衰減倍數G1，并采集行波管的輸出功率Pout，根據輸出功率是否跟隨衰減倍數G1的變化而變化，獲得行波管的動態范圍。針對每個頻率點，選取出現最大動態范圍時的行波管參數和衰減倍數，并形成關系表。

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在實際放大工作過程中，根據射頻輸入信號的頻率在關系表中查找最合適的Ug、Uh和衰減系數G1，從而能夠使得整個放大器在更大的范圍內實現線性放大，提高行波管放大器的動態范圍。

4 應用實例

放大器主要技術指標：

(1) 頻率范圍：6.5～18 GHz；

(2) 飽和輸出功率Pout：≥1 kW(60 dBm)；

(3) 放大器增益：≥60 dB;

(4) 工作比：6%;

(5) 輸出線性調節范圍：≥30 dB。

其中表1為常規行波管放大器功率輸出特性，表2為采用功率管理技術后放大器輸出特性測試數據。

表1 常規模式行波管放大器功率輸出特性

表1中：Pin=0dBm，場應放大器增益為30dB，Uh=10.5kV，Ug=138.5V。

表2給出了行波管工作于制造商給定的電參數額定值時放大器的功率輸出特性。表2中：Pin=0dBm，場應放大器增益為30dB。

從表1和表2的數據可以看出，在選用相同的行波管條件下，常規模式寬帶脈沖行波管放大器，在行波管各極電壓為行波管制造商給定的銘牌值時，在整個頻率范圍內行波管飽和輸出功率會在1.05～2.1kW內變化,行波管的飽和增益波動則達到10dB。

采用本文介紹的功率管理技術，在不同的頻率范圍內微調行波管螺旋線同步電壓，并根據行波管射頻輸入信號的幅度調整行波管柵極正偏電壓的幅度，行波管的飽和輸出功率波動范圍只有0.8dB，而且在整個頻帶內，放大器輸出的線性度都很好。

表2 行波管放大器功率輸出特性

5 結束語

采用本文介紹的功率控制技術，可以有效地對寬帶脈沖行波管放大器的功率特性進行管理。該技術已成功應用于某型大功率信號環境模擬器。

如何在未知射頻輸入信號頻率和幅度的情況下，實現行波管工作參數的高速自適應控制，還有待進一步探討和研究。

[1] Gilmour Jr AS.Principles of Travelling Wave Tubes[M].Noewood:Artechhouse,INC,1994.

Research into Power Management Technology for Broadband Pulse TWT Amplifier

JIANG Hong-wei

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

This paper introduces a broadband pulse travelling wave tube(TWT) amplifier，expatiates the basic operating principle of TWT amplifier，analyzes the main factors influencing the output power of TWT,and presents a kind of feasible power management technology of broadband TWT amplifier.

travelling wave tube amplifier;gain;grid;helix;saturated power output;power management

2013-07-23

TN722.1

A

CN32-1413(2015)02-0042-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.02.012