S波段2kW连续波功率合成技术

第１９卷第１期　２００７年１月　强　激　光　与　粒　子　束　ＨＩＧＨ　ＰＯＷＥＲ　ＬＡＳＥＲ　ＡＮＤ　ＰＡＲＴＩＣＬＥ　ＢＥＡＭＳ　ＶｏＩ．１９，ＮＯ．１　Ｊａｎ．，２００７　文章编号：　ｉ００１—４３２２（２００７）０１—００９５—０４　Ｓ波段２　ｋＷ连续波功率合成技术　杨永辉，　郑贵强　（中国工程物理研究院电子工程研究所，四川绵阳６２１９００）　摘要：　介绍了Ｓ波段基于行波管放大器的２　ｋＷ连续波功率合成技术。对大功率合成效率以及影响　幅相一致性的原因进行了分析。在分析的基础上设计了２　ｋＷ连续波功率合成放大器，阐述了幅度均衡的实　现方法、相位均衡的实现方法和合成器的击穿保护措施，并开展了实验研究，实验结果表明：采取幅相均衡技术　以后，合成效率大于９５　。　关键词：行波管；放大器；功率合成；均衡；击穿　中图分类号：ＴＮ７３　文献标识码：Ａ　ｓ波段大功率合成技术是电子对抗、卫星测控和深空探测中的关键技术之一。为了在Ｓ波段获取更大的　射频功率，基于行波管放大器的功率合成技术越来越受到关注。相位与幅度的控制技术是基于行波管功率合　成的关键。行波管放大器相位与幅度的不一致将严重影响合成效率，而相位不匹配是行波管的固有特性［１］。　影响行波管放大器相位与幅度的因素很多，其影响程度随频段的变化而变化，因此，不同频段的相位与幅度的　控制技术也不相同。对于基于行波管放大器的Ｓ波段２　ｋＷ连续波的功率合成，采取何种措施尽量保证各路　放大器输出的幅度和相位一致，从而使得在宽带范围内合成效率达到９Ｏ　９／６或者更高，是功率合成的关键所在。　为了获得高的合成效率，从理论分析和幅相不一致的原因分析入手，设计了高效率的功率合成方案。　１合成效率的理论分析　功率合成的实质是多个矢量相加，使得总输出低于多路输出之和。一般情况下，行波管放大器的输出信号　有着不同的幅度和相位。以两管合成为例，　。和　。为单只行波管的电压幅值，它们在某一频率处的相位差为　，根据矢量叠加原理，假设两只行波管的慢波结构具有相同的特性阻抗，则它们的合成功率为　Ｐ　一（Ｐ－＋Ｐｚ）　（１）　式中：点一ＩＶ。／Ｖ。Ｉ＝　Ｐ　－［＂ｏｕｔ　一　一＿表示幅度差，Ｐ。和Ｐ。分别是第一路放大器和第二路放大器的输出功率。由公式　点０＋２ｋｃｏｓｑ￣＋１　（１）可得合成效率（合成功率除以各路输入功率之和）为　．（２）　利用Ｍａｔｌａｂ软件仿真，可以得到合成效率　和两路　放大器幅度差点以及相位差　的关系曲线，如图１所示。　由图１可以看出，行波管放大器的合成效率　和幅度差　点以及相位差　两个变量有关，当幅度差点≥０．９，相位　差　≤３Ｏ。时，合成效率大于８５　９／６，而且相位差比幅度差　对合成效率的影响更明显。所以，在实际应用时，若能很　好地控制行波管放大器之间的相位差和幅度差，则可以　获得比较理想的输出功率。　～　：。．．．．　Ｆｉｇ．１　Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ａｎｄ　ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ／ｐｈａｓｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　图１　合成效率与幅度差、相位差的关系　２幅相不一致的原因分析　行波管放大器在工作频带内的幅度变化是由于电子束对螺线和阻抗的依赖性引起的。调幅／调幅（ＡＭ／　＊收稿日期：２００６—０８—２４；　修订日期：２００６—１２—１４　基金项目：国家８６３计划项目资助课题　作者简介：杨永辉（１９７３一），副研究员，硕士，从事发射机和电子对抗研究工作Ｉ　ｙｏｕｎｐｈｙ＠１６３．ｃｏｒｎ。　维普资讯 http://www.cqvip.com

强　激　光　与　粒　子　束　第１９卷　ＡＭ）转换是影响幅度不一致的重要原因，ＡＭ／ＡＭ转换是测量射频输入驱动的变化（例如传输曲线斜率变化）　引起射频输出功率变化情况的指标。通常用输出功率与输入功率关系曲线的斜率来表示，单位为ｄＢ。文献　［１］中示出了行波管的典型高频输出与输入的关系曲线，并且示出了增益和ＡＭ／ＡＭ转换与高频输入功率的　关系。在线性区，ＡＭ／ＡＭ转换系数为１　ｄＢ／ｄＢ；在饱和区，ＡＭ／ＡＭ转换系数为０　ｄＢ／ｄＢ。具有较高变换效　率的行波管工作在频带高端时增益将扩展，这是由于螺线在全频带范围内无法匹配减速下的电子束引起的，这　时行波管处于过驱动状态，使得电子束散焦，是非理想状态。　行波管可以看成一个非线性的双口慢波网络，为了达到小体积、高增益和高效率的目标，行波管的高频电　路往往设计为正常色散和高阻抗的螺旋线型慢波结构，这种结构将会引起很大的相位变化。任何影响电子束　速度的因素都将使射频输出信号的相位变化。当射频驱动电平增加达到非线性区后，由于激励信号的增大，引　起从电子束中拉出的能量增大，使电子束速率下降，导致行波管的相移量增加。这种现象称作调幅／调相　（ＡＭ／ＰＭ）转换。文献［１－１示出了相移量随输入功率变化的典型曲线。在线性区，相移相对输入功率不十分敏　感；当行波管饱和后，相移量的变化随之增大。ＡＭ／ＰＭ的峰值在低于饱和输出几ｄＢ时出现，同时和频率有　关（对于一个给定的螺旋线设计，其值随频率增加而增加）。　如果影响电子束速率的因素随时间而变，结果会造成在射频输出信号上出现调相，影响电子束速率的主要　因素是阴极电压，其它电压或外部因素（例如：由于风机摆放离行波管太近感应的电压）的影响是次要的。典型　的行波管相位推移指标为：阴极电压为１００。／１　；阳极电压（开发射状态）为１Ｏ。／１　；收集极电压为０．０００　５＊／　１　。　这些指标数据为近似值，对任何特定的行波管，其相位推移指数的实际值由电子导流系数、增益、效率等　决定。对于正弦纹波，其低于载波的杂散抑制度　（用ｄＢ表示）可粗略估计为　≈　。ｌｇ（　（３）　式中：Ｌ为行波管射频输入到输出的长度；Ｆ为射频信号频率，单位为ＧＨｚ；Ｖ　为阴极纹波的峰峰值；Ｖ为阴　极电压值。相位波纹的峰峰值（用△　表示，单位为（。））与小信号增益纹波有关（用ｄＧ表示，单位ｄＢ），其表达　式为　△　≈５７．３（１０￣ａ／∞一１）　（４）　谐波分量也是引起失真的一个重要原因。由于行波管的高增益和宽带特性，行波管工作在非线性区域时　会出现谐波分量。单倍频程的行波管一般有一３　ｄＢ或更低的谐波分量，而双倍频程行波管的谐波分量与基波　一样大或者比基波还要大。在行波管的输出信号中，高阶谐波也存在，但是其幅度较小。宽带行波管对射频驱　动信号的谐波成分有响应，如果信号足够强，这部分谐波将根据输入信号的基波和谐波的相对相位关系增强或　影响输出功率。　３功率合成设计方案　根据上述分析，设计Ｓ波段２　ｋＷ连续波功率合成方案，关键是克服ＡＭ／ＡＭ，ＡＭ／ＰＭ和谐波的影响，补　偿各路行波管放大器的幅度和相位，保证各路输出的幅度和相位基本一致，从而达到较高的合成效率。在Ｓ波　段，目前国内厂家的行波管最大输出连续波功率约１．１　ｋＷ，但行波管的幅相一致性不十分理想。为了实现２　ｋＷ的合成功率，拟采用两路合成的方案。图２是基于行波管放大器的大功率合成的原理和测试框图　引。进　行方案设计时主要考虑幅度均衡技术和相位均衡技术。　３．１魔Ｔ的应用　魔Ｔ是一个理想匹配的双Ｔ接头，为四端口器件，其散射矩阵为　Ｓ１１　Ｓ１２　Ｓ１３　Ｓ１４　Ｓ２１　Ｓ２２　Ｓ２３　Ｓ２４　Ｓ—　厂ｏ　０　１　１　Ｓ３１　Ｓ３２　Ｓ３３　Ｓ３４　Ｓ４１　Ｓ４２　Ｓ４３　Ｓ４４　一　｛ｌ１　１　ｏ　ｏ　１　—１　ｏ　ｏ　１　ｌ　０　０　１—１　Ｊ　（５）　由式（５）可见，魔Ｔ既是一个３　ｄＢ耦合器，又是一个理想的３　ｄＢ合路（功分）器。根据互易原理，将３和‘４端Ｉ：Ｉ　接匹配负载，１和２端Ｉ：１分别输入同相或反相信号，则可以分别从３或４端Ｉ：Ｉ获得合成输出功率。３端Ｉ：Ｉ称为　维普资讯 http://www.cqvip.com

第１期　杨永辉等：Ｓ波段２　ｋＷ连续波功率合成技术　ＲＦ　２　ｋＷ　Ｆｉｇ．２　Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｔｅｓｔ　ｂｌｏｃｋ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｒａｖｅｌｉｎｇ　ｗａｖｅ　ｔｕｂｅ　ａｍｐｌｉｉｆｅｒ　图２基于行波管放大器的大功率合成的原理和测试框图　和路端口，４端口称为差路端口。当两输入信号幅度相等、相位相同或相反时，可以从和路端口或差路端口获　得最大合成输出功率。因此，魔Ｔ本身的指标如插损、相位不平衡度、幅度不平衡度同样也影响合成效率或合　成损耗的高低。　３．２增益均衡的实现方法　在功率合成方案中，通常情况下不同行波管的输入信号是相同的，所以幅度的均衡可认为是等激励条件下　增益的均衡。一般将幅度均衡网络接在输入端，这样可以降低均衡网络所需要承受的功率容量。均衡网络对　一路行波管放大器的功率／频率曲线进行补偿，使得两路行波管放大器的功率／频率曲线趋于一致。行波管幅　度均衡的步骤如下：在工作频带内逐点测试第一个行波管放大器饱和工作时的输入功率、输出功率和增益；将　第一个行波管放大器饱和工作时的输入功率／频率曲线作为基准输入功率／频率曲线；按基准输入功率／频率曲　线激励第二个行波管放大器，测试其输出功率和增益；比较两个行波管放大器的增益／频率曲线，找出满足增益　失配度的偏移值；按照偏移值与频率的关系设计增益均衡网络接入第二个行波管放大器的输入端［３－　。　３．３相位均衡的实现方法　相位均衡的实现前提是对行波管之间的相位差进行测量。相位差的测量主要有如下几种方法：一是通过　矢量网络分析仪测量和比较；二是通过一个移相器和魔Ｔ进行四种状态的测量；三是通过衰减器和魔Ｔ进行　测量，详见文献Ｉｓ］。在倍频程的行波管放大器中　］，若工作在频带的低端，行波管的相位差很小，不需相位均　衡即可达到较高的合成效率；若工作在频带的高端，行波管之间的相位不一致十分严重，必须引入相位均衡技　术口　］。为了实现倍频程但较窄瞬时工作带宽的应用背景，相位均衡采用鉴相和移相相结合的方法。此方法中　两路行波管放大器输出都经耦合器送到鉴相器，根据鉴相器的结果实时调整某一路的相位，使得两路的行波管　放大器输出的相位基本保持一致，从而实现相位均衡。　另外，进行功率合成方案设计时还应考虑：为了获得最大的输出功率，在满足相位增益一致性的要求下，行　波管应尽量加大输入功率，将行波管推到过饱和状态；行波管电源电压波动对放大器输出造成的影响。行波管　的工作电压越高电子束的速度越快，注波互作用的时间越短，造成能量交换不充分、增益降低和相位滞后，为了　满足相位一致性的技术指标，则要求电压的波动必须在±１　的范围内；工作电流对放大器输出造成的影响，为　了同时满足增益和相位一致性的技术指标，必须将工作电流的波动控制在±９　。　４实验研究　现有功率计无法对发射机输出功率进行直接测量。采用的方法是在行波管和波导魔Ｔ之后加入大功率　高方向性波导耦合器进行间接功率测试，同时在耦合端口加入同轴低通滤波器，将发射机的２次和３次谐波分　量抑制掉。在实际测试中，需要将耦合器的插损和耦合度以及滤波器的插损折算到功率计的偏移量中，从而进　行比较准确的输出功率测量。另外，魔Ｔ隔离端输出可以用来定性监测行波管输出幅度不平衡度、相位不平　衡度等指标以及输出频谱监测。用三台功率计分别监测两个放大器输出和功率合成输出的功率（测量框图如　图２所示），功率计连接在耦合器的耦合端进行测量，测试结果见表１。测试结果表明：２　ｋＷ连续波功率合成　器可以在２～４　ＧＨｚ的频率范围内工作，且合成效率大于９５　。　维普资讯 http://www.cqvip.com

９８　强　激　光　与　粒　子　柬　表１功率合成的测试结果　Ｔａｂｌｅ　１　Ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　第１９卷　５　结　论　经过对Ｓ波段２　ｋＷ连续波功率合成的分析、设计和实验，结果表明：各路行波管放大器的幅度差和相位　差是影响合成效率的最主要的原因，但相位差的影响更明显；采用上述的幅度均衡和相位均衡技术，能够较好　地使得各路放大器输出信号的幅度和相位基本一致，从而实现功率合成的效率大于９５　９，６。　采用幅度均衡和相位均衡技术设计的功率合成器已成功应用在某电子对抗系统中，其功率合成效率高，工　作稳定可靠。　参考文献：　［１］Ｇｉｌｍｏｕｒ　Ａ　Ｓ．Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　ｔｒａｖｅｌｉｎｇ　ｗａｖｅ　ｔｕｂｅｓ［Ｍ］．Ｎｏｒｗｏｏｄ，ＭＡ：Ａｒｔｅｃｈ　Ｈｏｕｓｅ，１９９４．　［２］李镇远．连续波行波管放大器功率／增益与相位自动扫频测量系统［Ｊ］．真空电子技术，１９９８，９（６）：３３—３９．（Ｌｉ　ｚ　Ｙ．Ａ　ｐｏｗｅｒ／ｇａｉｎ　ａｎｄ　ｐｈａｓｅ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｔｅｓｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ＣＷ　ＴＷＴｓ．Ｖａｃｕｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，１９９８，９（６）：３３—３９）　［３］　王衡军，周东方，牛宗霞，等．大功率行波管均衡器的仿真研究［Ｊ］．信息工程大学学报，２００３，４（１）：８－１０．（Ｗａｎｇ　Ｈ　Ｊ，Ｚｈｏｕ　ＤＦ，Ｎｉｕ　ｚ　ｘ，ｅｔ　ａ１．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ—ｐｏｗｅｒ　ＴＷＴ　ｅｑｕａｌｉｚｅｒ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００３，４（１）：８－１０）　［４］　吕昌，牛宗霞，周东方，等．大功率行波管用微波均衡器［Ｊ］．信息工程学院学报，１９９８，１７（４）：３４—３６．（ＬＵ　Ｃ，Ｎｉｕ　Ｚ　ｘ，Ｚｈｏｕ　Ｄ　Ｆ，ｅｔ　ａ１．Ｍｉ—　ｃｒｏｗａｖｅ　ｅｑｕａｌｉｚｅｒ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｔｒａｖｅｌｌｉｎｇ－ｗａｖｅ　ｔｕｂｅ．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，１９９８，１７（４）：３４—３６）　［５］　方大纲，孙，张文梅，等．一种微波相位测试的新方法［Ｊ］．微波学报，１９９５，１１（１）：１４—１８．（Ｆａｎｇ　Ｄ　Ｇ，Ｓｕｎ　Ｊ　Ｔ，Ｚｈａｎｇ　Ｗ　Ｍ，ｅｔ　ａ１．Ａ　ｎｅｗｍｅｔｈｏｄ　ｏｆｍｉｃｒｏｗａｖｅ　ｐｈａｓｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏ，Ｍ　ｃｒｏ￣ｖｅ，１９９５，１１（１）：１４—１８）　［６］　徐福锴，丁武．一种高功率宽带回旋行波放大器［Ｊ］．强激光与粒子束，２００３，１５（９）：８８９—８９４．（Ｘｕ　Ｆ　Ｋ，Ｄｉｎｇ　Ｗ．Ａ　ｈｉｇｈ　ｐｏｗｅｒ　ｗｉｄｅｂａｎｄ　ｇｙｒｏ－ＴＷＴ　ａｍｐｌｉｉｅｒｆ．Ｈｉｇｈ　Ｐｏｗｅｒ　Ｌａｓｅｒ　ａｎｄ　Ｐａｒｔｉｃｌｅ　Ｂｅａｒｎｓ，２００３，１５（９）：８８９－８９４）　［７］　刘庆想，葛名立，袁成卫，等．一种新型高功率微波相移器［Ｊ］．强激光与粒子束，２００５，１７（４）：５６９—５７４．（Ｌｉｕ　Ｑ　ｘ，Ｇｅ　Ｍ　Ｌ，Ｙｕａｎ　Ｃ　Ｗ，ｅｔ　ａ１．　Ａ　ｎｅｗ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｐｏｗｅｒ　ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　ｐｈａｓｅ　ｓｈｉｆｔｅｒ．Ｈｉｇｈ　Ｐｏｗｅｒ　Ｌａｓｅｒ　ａｎｄ　Ｐａｒｔｉｃｌｅ　Ｂｅａｒｎｓ，２００５，１７（４）：５６９－５７４）　［８］　Ｅｖｅｎ　Ｂ．Ｂｒｏａｄｂａｎｄ　ｐｈａｓｅ　ｅｑｕａｌｉｚｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｆｏｒ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｈｉｇｈ　ｐｏｗｅｒ　ＴｗＴｓ［Ｊ］．ＭｉｃｒｏｗａｖｅＪｏｕｒｎａｌ，１９９８，３１（１２）：１０７—１１６．　２　ｋＷ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｗａｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｉｎ　Ｓ　ｂａｎｄ　ＹＡＮＧ　Ｙｏｎｇ－ｈｕｉ，　ＺＨＥＮＧ　Ｇｕｉ－ｑｉａｎｇ　Ｐ．ｏ．Ｂｏｘ　９１９—５１７．Ｍｉａｎｙａｎｇ　６２１９００，Ｃｈｉｎａ）　（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣＡＥＰ，　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　２　ｋＷ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｗａｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＴＷＴｓ．Ｉｔ　ｍａｉｎｌｙ　ｐｒｏｃｅｅｄｓ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍａｇｎｉｔｕｄｅ　ａｎｄ　ｐｈａｓｅ．Ａ　２　ｋＷ　ｐｏｗｅｒ　ａｍ—　ｐｌｉｆｉｅｒ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅ　ｍａｇｎｉｔｕｄｅ　ｅｑｕａｌｉｚｉｎｇ，ｐｈａｓｅ　ｅｑｕａｌｉｚｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｏｍｂｉｎｅｒ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇ　ａｒｅ　ａｌｓｏ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．　Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｏｍｂｉｉｎｇ　ｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｃａｎ　ｂｅ　ｇｒｅａｔｅｒ　ｔｈａｎ　９５％ｗｉｔｈ　ｍａｇｎｉｔｕｄｅ　ａｎｄ　ｐｈａｓｅ　ｅｑｕａｌｉｚｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ　ｗａｖｅ　ｔｕｂｅ；Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ；Ｐｏｗｅｒ　ｃｏｍｂｉｎｅｒ；Ｅｑｕａｌｉｚｉｎｇ；Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ