CN101969298B

CN101969298B - 宽带大功率行波管放大器

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Publication number: CN101969298B
Application number: CN2010102972300A
Authority: CN
Inventors: 蒋洪卫; 沙亮; 张彦
Original assignee: NO 723 RESEARCH INSTITUTE OF CHINA SHIPBUILDING INDUSTRY Corp
Current assignee: NO 723 RESEARCH INSTITUTE OF CHINA SHIPBUILDING INDUSTRY Corp
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2030-09-30
Also published as: CN101969298A

Abstract

本发明公开了一种宽带大功率行波管放大器，包括场效应放大器、数控衰减器、行波管、行波管电源和控制中心。控制中心设置多组行波管参数Ug和Uh，针对每个频率点都进行如下实验：即依次通过行波管电源将各组行波管参数设置到行波管中，在行波管工作在每组行波管参数时，控制中心调整数控衰减器的衰减倍数G3，并采集行波管的输出功率，根据输出功率是否跟随衰减倍数G3的变化而变化，获得行波管的动态范围。针对每个频率点，选取出现最大动态范围时的行波管参数和衰减倍数，并形成关系表。在实际放大工作过程中，根据输入信号的频率在关系表中查找相应Ug、Uh和G3，从而能够使得整个放大器在更大的范围内实现线性放大。

Description

宽带大功率行波管放大器

技术领域

本发明涉及大功率信号模拟器技术领域，尤其涉及一种宽带大功率行波管放大器。

背景技术

现有场效应行波管放大链式放大器(GFET-TWT)包括场效应放大器(FET)和行波管(TWT)，输入信号Pin分别经过FET和TWT的放大输出Pout。

现有链式放大器的放大倍数为FET和TWT的放大倍数G1和G2之和。其中FET的放大倍数G1通常不会改变，但是，TWT的功率特性曲线不是全范围呈线性，当TWT的输入功率超出一定范围时，输入功率与输出功率之间失去线性关系。可见，如果采用图1所示的放大器结构，整个放大器的动态范围较小。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种宽带大功率行波管放大器，能够提高整个放大器的动态范围。

该行波管放大器包括场效应放大器、数控衰减器、行波管、行波管电源和控制中心；

场效应放大器的输入端接收射频输入信号Pin，场效应放大器的输出端连接数控衰减器的输入端，数控衰减器的输出端连接行波管的功率输入端，行波管的功率输出端射频输出信号Pout；控制中心向场效应放大器提供射频输入信号Pin，通过向数控衰减器发送控制字调整数控衰减器的衰减频率G3，控制中心还通过行波管电源控制行波管的栅极电压Ug和同步电压Uh，并且采集行波管的输出射频信号Pout；

控制中心设置n组行波管参数，每组行波管参数包括Ug和Uh；

针对每组行波参数进行测试；每次测试时，控制中心通过行波管电源将当前组的行波管参数通过行波管电源加载到行波管，进行饱和特性测试和线性特性测试；较佳地，还可以包括谐波特性测试；

在饱和特性测试中，控制中心依次向场效应放大器输入各种频率的输入射频信号Pin，针对每个频率点的输入射频信号Pin，控制中心通过向数控衰减器发送控制字，令数控衰减器的衰减倍数G3从其固有最大衰减值减小；控制中心采集行波管的输出射频信号Pout，通过检查Pout的变化量是否跟随G3的变化，判断行波管是否进入饱和；在判定进入饱和时，将前一个G3的值作为保持线性允许的最小数控衰减值G3min记录下来；

通过对每个频率点进行相同的饱和特性测试，得到各频率点对应的最小数控衰减值G3min，形成饱和特性曲线；

在线性特性测试中，控制中心依次向场效应放大器输入各种频率的射频输入信号Pin，针对每个频率点的射频输入信号Pin，控制中心通过向数控衰减器发送控制字，令数控衰减器的衰减倍数从当前频率点对应的G3min开始增大，控制中心采集行波管的输出信号Pout，通过检查Pout的变化量是否跟随G3的变化，判断行波管是否进入退出线性区域；在判定退出线性区域时，将前一个G3的值作为保持线性允许的最大数控衰减值G3max记录下来；

通过对每个频率点进行相同的线性特性测试，得到各频率点对应的最大数控衰减值G3max，进一步计算各频率点对应的动态范围ΔG3＝G3max-G3min，形成线性特性曲线；

为了使得本发明获得的行波管参数和衰减倍数更为准确，本发明还进行谐波特性测试。在谐波特性测试中，控制中心依次向场效应放大器输入各种频率的射频输入信号Pin，针对每个频率点的射频输入信号Pin，采用频谱分析仪，读取输出射频的频谱图，从频谱图中获取谐波特性，即主波和谐波峰值之差；

通过对每个频率点进行相同的谐波特性测试，得到各频率点的谐波特性；

通过采用n组行波管参数进行上述测试，得到9组数据；

从n个线性特性曲线中，查找每个频率点对应的最大动态范围ΔG3，将最大ΔG3对应的Ug和Uh作为相应频率点的行波管最佳工作参数Ug’、Uh’；如果针对某个频率点，选取的行波管工作最佳参数值所对应的谐波特性较差，则应该从排除当前Ug’和Uh’的其他参数中重新选取行波管工作最佳参数。

针对每个频率点，从行波管使用最佳工作参数时的饱和特性曲线中查找该频率点对应的G3min，作为该频率点的数控衰减器最佳衰减倍数G3’；

记录各频率点对应的G3’、Ug’、Uh’，形成关系表；

该宽带大功率行波管放大器在实际工作时，控制中心根据射频输入信号的频率f1查找关系表，找到f1对应的衰减倍数G3’，向数控衰减器发送查找到的衰减倍数G3对应的控制字，找到频率f1对应的Ug’和Uh’，通过接口发送到行波管电源，由行波管电源向行波管实施相应的栅极电压和同步电压；数控衰减器和行波管工作在设定参数下，进行信号放大。

根据以上技术方案可见，应用本发明针对多组行波管进行饱和特性测试、线性特性测试、甚至谐波特性测试，从而得到各种频率对应的最佳衰减倍数和行波管工作参数，在该工作参数下，行波管的动态范围可以得到大幅度提升。

附图说明

图1为本发明宽带大功率行波管放大器的结构示意图。

图2为饱和特性曲线的示意图。

图3为线形特性曲线的示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种宽带大功率行波管放大器，该行波管放大器在常规的GFET-TWT的FET和TWT之间增加数控衰减器，采用计算机向数控衰减器输入控制码，以实现衰减倍数的控制，从而控制输入到TWT的信号功率大小，以便将TWT的输入功率控制在线形区域范围内。

此外，根据行波管工作原理，在频率低端和高端，为保证行波管的饱和输出功率，其所需的同步电压(Uh)是不尽相同的。为了更好地控制行波管的高频增益，本发明通过试验找出不同频段上行波管的最佳同步电压，形成表格并在实际工作时使用。

行波管栅极又称控制栅，其正偏电压的大小直接决定了行波管电子枪发射电子的能力，因而通过栅极电压(Ug)的调整，可以调节行波管阴极工作电流，从而调节行波管对微波信号的放大能力。为保证行波管的饱和输出功率，其所需的栅极电压也是不尽相同的，因此本发明还找出不同频段上行波管的最佳同步电压，形成表格并在实际工作时使用。

图1为本发明宽带大功率行波管放大器的结构示意图。如图1所示，该宽带大功率行波管放大器包括场效应放大器、数控衰减器、行波管、行波管电源和控制中心。

场效应放大器的输入端接收输入射频信号Pin，场效应放大器的输出端连接数控衰减器的输入端，数控衰减器的输出端连接行波管的功率输入端，行波管的功率输出端输出射频信号Pout；控制中心向场效应放大器输入射频信号Pin，通过向数控衰减器发送控制字调整数控衰减器的衰减频率，控制中心还通过行波管电源控制行波管的栅极电压(Ug)和同步电压(Uh)，并且采集行波管的输出射频信号Pout。

本发明的主要原理是：控制中心设置多组行波管参数(Ug和Uh)，针对每个频率点都进行如下实验：即依次通过行波管电源将各组行波管参数设置到行波管中，在行波管工作在每组行波管参数时，控制中心调整数控衰减器的衰减倍数G3，并采集行波管的输出功率Pout，根据输出功率是否跟随衰减倍数G3的变化而变化，获得行波管的动态范围。针对每个频率点，选取出现最大动态范围时的行波管参数和衰减倍数，并形成关系表。在实际放大工作过程中，根据输入信号的频率在关系表中查找最合适的Ug、Uh和衰减倍数G3，从而能够使得整个放大器在更大的范围内实现线性放大，提高了行波管放大器的动态范围。

下面针对本发明的实现进行详细描述。

步骤一、控制中心设置多组行波管参数，每组行波管参数包括Ug和Uh，多组参数中Ug和Uh均在其铭牌值(Ug0，Uh0)前后变化。本实施例中设置9组参数，分别为：

(Ug0，Uh0)，

(95％Ug0，Uh0)，

(90％Ug0，Uh0)，

(Ug0，99％Uh0)，

(95％Ug0，99％Uh0)，

(90％Ug0，99％Uh0)，

(Ug0，101％Uh0)，

(95％Ug0，101％Uh0)，

(90％Ug0，101％Uh0)。

预先设定场效应放大器的放大倍数，以及场效应放大器输入预设的射频信号Pin，射频信号经场效应放大器的放大后，需要满足行波管的激励要求。

步骤二、针对每组行波参数进行测试。

每次测试时，控制中心通过行波管电源将当前组的行波管参数通过行波管电源加载到行波管；然后进行饱和特性测试、线性特性测试、谐波特性测试。下面针对每个测试进行详细描述。

●饱和特性测试

在饱和特性测试中，控制中心依次向场效应放大器输入各种频率的射频信号Pin，针对每个频率点的射频信号，控制中心通过向数控衰减器发送控制字，调节数控衰减器的衰减倍数G3，从而改变行波管的激励信号，令G3从大到小的变化，G3的初始值选择数控衰减器的固有最大衰减值。控制中心采集行波管的输出信号Pout，通过检查Pout的变化量是否跟随G3的变化，判断行波管是否进入饱和。具体来说判定进入饱和的条件例如为：当G3变化量与Pout变化量之差的绝对值大于预设值0.5dB，则确定进入饱和。在判定其进入饱和时，将前一个G3的值作为保持线性允许的最小数控衰减值G3min记录下来。

通过对每个频率点进行相同的饱和特性测试，得到各频率点对应的最小数控衰减值G3min，从而得到饱和特性曲线，即频率点与G3min的对应关系A。图2为饱和特性曲线的示意图。

●线性特性测试

在线性特性测试中，控制中心依次向场效应放大器输入各种频率的射频信号Pin，针对每个频率点的射频信号，控制中心通过向数控衰减器发送控制字，令数控衰减器的衰减倍数从G3min开始依次增大，控制中心采集行波管的输出信号Pout，通过检查Pout的变化量是否跟随G3的变化，判断行波管是否进入退出线性区域。具体来说，退出线性区域的条件例如为：当G3变化量与Pout变化量之差的绝对值大于预设值0.3dB，则确定进入饱和。在判定其退出线性区域时，将前一个G3的值作为保持线性允许的最大数控衰减值G3max记录下来。

通过对每个频率点进行相同的线性特性测试，得到各频率点对应的最大数控衰减值G3max。进一步计算各频率点对应的动态范围ΔG3＝G3max-G3min。根据各频率点对应的动态范围ΔG3得到线性特性曲线，即频率点与ΔG3的对应关系B。图3为线性特性曲线的示意图。

●谐波特性测试

较佳地，为了使得本发明获得的行波管参数和衰减倍数更为准确，本发明还进行谐波特性测试。在谐波特性测试中，控制中心依次向场效应放大器输入各种频率的射频信号Pin，针对每个频率点的射频信号，采用频谱分析仪，读取输出射频的频谱图，从图中获取谐波特性，即主波和谐波峰值之差。

通过对每个频率点进行相同的线性特性测试，得到各频率点的谐波特性。

本步骤通过采用9组行波管参数进行上述测试，得到9组数据，每组包括饱和特性曲线、动态范围、谐波特性。

步骤三、根据9个线性特性曲线，查找每个频率点对应的最大动态范围ΔG3，将最大ΔG3对应的Ug和Uh作为当前频率点的行波管最佳工作参数(Ug’和Uh’)。

如果对于某个频率点，选取的行波管工作最佳参数值所对应的谐波特性较差，即主波和谐波峰值之差低于预设值，则应该从排除当前Ug’和Uh’的其他参数中重新选取行波管工作最佳参数值。在实际中，如何对谐波特性要求不严格，则可以不进行谐波特性测试，并在本步骤中不考虑谐波特性。

步骤四、针对每个频率点，从行波管使用最佳工作参数时的饱和特性曲线中查找该频率点对应的G3min，作为该频率点的衰减倍数G3’。

假设，步骤三查找到当频率点f0产生最大动态范围时，行波管参数为(95％Ug0，99％Uh0)；那么在步骤四中，从(95％Ug0，99％Uh0)对应的饱和特性曲线中查找频率点f0对应的G3min。

步骤五、经过上述一系列测试，记录各频率点对应的数控衰减器的衰减倍数G3’、Ug’、Uh’，形成关系表。

步骤六、该宽带大功率行波管放大器在实际工作时，控制中心根据当前输入射频信号的频率f1查找关系表，找到f1对应的衰减倍数G3’，向数控衰减器发送查找到的衰减倍数G3’对应的控制字，找到频率f1对应的Ug’和Uh’，通过接口发送到行波管电源，由行波管电源向行波管实施相应的Ug’和Uh’。数控衰减器和行波管工作在设定参数下，进行信号放大。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种宽带大功率行波管放大器，其特征在于，该行波管放大器包括场效应放大器、数控衰减器、行波管、行波管电源和控制中心；

场效应放大器的输入端接收射频输入信号Pin，场效应放大器的输出端连接数控衰减器的输入端，数控衰减器的输出端连接行波管的功率输入端，行波管的功率输出端输出射频输出信号Pout；控制中心向场效应放大器提供射频输入信号Pin，通过向数控衰减器发送控制字调整数控衰减器的衰减频率G3，控制中心还通过行波管电源控制行波管的栅极电压Ug和同步电压Uh，并且采集行波管的射频输出信号Pout；

控制中心设置n组行波管参数，每组行波管参数包括Ug和Uh；

针对每组行波管参数进行测试；每次测试时，控制中心通过行波管电源将当前组的行波管参数通过行波管电源加载到行波管，进行饱和特性测试和线性特性测试；

在饱和特性测试中，控制中心依次向场效应放大器输入各种频率的射频输入信号Pin，针对每个频率点的射频输入信号Pin，控制中心通过向数控衰减器发送控制字，令数控衰减器的衰减频率G3从其固有最大衰减值减小；控制中心采集行波管的射频输出信号Pout，通过检查射频输出信号Pout的变化量是否跟随G3的变化，判断行波管是否进入饱和；在判定进入饱和时，将前一个G3的值作为保持线性允许的最小数控衰减频率G3min记录下来；

通过对每个频率点进行相同的饱和特性测试，得到各频率点对应的最小数控衰减频率G3min，形成饱和特性曲线；

在线性特性测试中，控制中心依次向场效应放大器输入各种频率的射频输入信号Pin，针对每个频率点的射频输入信号Pin，控制中心通过向数控衰减器发送控制字，令数控衰减器的衰减频率从当前频率点对应的G3min开始增大，控制中心采集行波管的射频输出信号Pout，通过检查射频输出信号Pout的变化量是否跟随G3的变化，判断行波管是否退出线性区域；在判定退出线性区域时，将前一个G3的值作为保持线性允许的最大数控衰减频率G3max记录下来；

通过对每个频率点进行相同的线性特性测试，得到各频率点对应的最大数控衰减频率G3max，进一步计算各频率点对应的动态范围ΔG3=G3max-G3min，形成线性特性曲线；

通过采用n组行波管参数进行上述测试，得到n组数据；

根据n个线性特性曲线，查找每个频率点对应的最大动态范围ΔG3，将产生最大ΔG3所使用的Ug和Uh作为相应频率点的行波管最佳工作参数Ug’、Uh’；

针对每个频率点，从行波管使用最佳工作参数时的饱和特性曲线中查找该频率点对应的G3min，作为相应频率点的数控衰减器最佳衰减倍数G3’；

记录各频率点对应的G3’、Ug’、Uh’，形成关系表；

该宽带大功率行波管放大器在实际工作时，控制中心根据射频输入信号的频率f1查找关系表，找到f1对应的衰减倍数G3’，向数控衰减器发送查找到的衰减倍数对应的控制字，找到频率f1对应的Ug’和Uh’，通过接口发送到行波管电源，由行波管电源向行波管实施相应的栅极电压和同步电压；数控衰减器和行波管工作在设定参数下，进行信号放大。

2.如权利要求1所述的宽带大功率行波管放大器，其特征在于，所述针对每组行波管参数进行测试还包括谐波特性测试；

在谐波特性测试中，控制中心依次向场效应放大器输入各种频率的射频输入信号Pin，针对每个频率点的射频输入信号Pin，采用频谱分析仪，读取输出射频的频谱图，从频谱图中获取谐波特性，即主波和谐波峰值之差；

所述最大ΔG3对应的Ug和Uh作为相应频率点的行波管最佳工作参数Ug’、Uh’之后，该测试进一步包括：如果选取的行波管工作最佳参数值所对应的谐波特性较差，则应该从排除当前Ug’和Uh’的其他参数中重新选取行波管工作最佳参数。

3.如权利要求1所述的宽带大功率行波管放大器，其特征在于，控制中心设置的n组行波管参数分别为：（Ug0，Uh0），（95%Ug0，Uh0），（90%Ug0，Uh0），（Ug0，99%Uh0），（95%Ug0，99%Uh0），（90%Ug0，99%Uh0），（Ug0，101%Uh0），（95%Ug0，101%Uh0），（90%Ug0，101%Uh0），其中，Ug0为行波管的栅极电压铭牌值，Uh0为行波管的同步电压铭牌值。

4.如权利要求1所述的宽带大功率行波管放大器，其特征在于，所述数控衰减器和行波管之间进一步包括宽带隔离器。