CN102800916A - 射频宽带高功率电子管放大器同轴输出谐振腔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种射频宽带高功率电子管放大器同轴输出谐振腔。用于为射频宽带高功率电子管放大器输出回路进行调谐调配，包括：谐振腔内导体、谐振腔外导体、输出调谐电容、输出调谐电容调整装置、输出耦合电容、输出耦合电容调谐装置、射频输出同轴馈线、同轴薄膜隔直电容、输出调谐匹配腔板、以及输出调谐匹配腔板调整装置；借助于本发明的技术方案，能够很好地解决波段为6~34MHz、功率为10~120kW级别的射频宽带功率放大输出，为SSC重粒子加速器科学试验提供了必要的条件。

Description

射频宽带高功率电子管放大器同轴输出谐振腔

技术领域

本发明涉及谐振腔技术领域，特别是涉及一种射频宽带高功率电子管放大器同轴输出谐振腔。

背景技术

在现有技术中，输出谐振腔的常规技术方案为谐振腔+耦合电容的结构，由于物理尺寸的常规谐振腔高度无法满足频率低端覆盖，所以难以实现6~30MHz全频段覆盖。

发明内容

本发明提供一种射频宽带高功率电子管放大器同轴输出谐振腔，以解决现有技术难以实现6~30MHz全频段覆盖的问题。

本发明提供一种射频宽带高功率电子管放大器同轴输出谐振腔，用于为射频宽带高功率电子管放大器输出回路进行调谐调配，包括：谐振腔内导体、谐振腔外导体、输出调谐电容、输出调谐电容调整装置、输出耦合电容、输出耦合电容调谐装置、射频输出同轴馈线、同轴薄膜隔直电容、输出调谐匹配腔板、以及输出调谐匹配腔板调整装置；谐振腔内导体与谐振腔外导体为同轴结构；谐振腔内导体的内部为内谐振腔，谐振腔内导体与谐振腔外导体之间为外谐振腔；外谐振腔内设置有输出调谐匹配腔板，输出调谐匹配腔板用于根据射频功率输出频率对谐振腔进行调谐；输出调谐匹配腔板调整装置与输出调谐匹配腔板相连接，用于调节输出调谐匹配腔板的位置；谐振腔内导体通过底部的同轴薄膜隔直电容与电子管放大器的阳极相连接，用于对电子管放大器发送的射频功率进行传输；输出耦合电容设置于谐振腔内导体和谐振腔外导体之间的谐振腔中与射频输出同轴馈线相对应的位置上，用于对射频功率输出进行调配；输出耦合电容谐装置的一端与输出耦合电容连接，并穿过射频输出同轴馈线的内部，使其另一端暴露于谐振腔外导体外，用于调节输出耦合电容的大小；输出调谐电容连接于输出耦合电容，用于对射频功率输出进行调谐，输出调谐电容调整装置连接于输出调谐电容，用于调节输出调谐电容的大小；射频输出同轴馈线设置于谐振腔外导体上，用于进行射频功率输出。

优选地，谐振腔内导体为同轴管。

优选地，谐振腔外导体为正方形框架结构。

优选地，外谐振腔采用1/4λ波长短路垂直腔体形式。

优选地，输出调谐匹配腔板为气动式输出调谐匹配腔板.

优选地，所述输出调谐匹配腔板调整装置为腔板调节丝杠，所述腔板调节丝杠通上设置有缩放气动触点。

优选地，射频输出同轴馈线在6MHz至30MHz频率范围之内，进行120KW的射频功率输出。

本发明有益效果如下：

通过可调谐谐振内腔，可调谐腔体并联真空电容，可调谐输出耦合电容，射频输出以同轴馈线方式，根据频率调整腔长和调谐电容，满足覆盖6~34MHz的工作带宽。解决了现有技术中难以实现6~30MHz全频段覆盖的问题，能够很好地解决波段为6~34MHz、功率为10~120kW级别的射频宽带功率放大输出，为SSC重粒子加速器科学试验提供了必要的条件。

附图说明

图1是本发明实施例的射频宽带高功率电子管放大器同轴输出谐振腔的结构示意图；

图2是本发明实施例的宽带同轴输出腔等效电路示意图；

图3是本发明实施例的120kW输出腔放输出回路原理示意图；

图4是本发明实施例的6.5MHz输出腔ADS仿真结果示意图；

图5是本发明实施例的6.5MHz输出腔CST仿真结果的实物示意图；

图6是本发明实施例的6.5MHz输出腔CST仿真结果的图表示意图。

具体实施方式

为了解决现有技术难以实现6~30MHz全频段覆盖的问题，本发明提供了一种射频宽带高功率电子管放大器同轴输出谐振腔，它包括有可调节谐振内腔，可调谐腔体并联真空电容，可调结输出耦合电容15；射频输出以同轴馈线方式，根据频率调整腔长和调谐电容，满足覆盖6~34MHz的工作带宽。上述内谐振腔的内导体为同轴管，腔体的外导体为正方形框架结构；所述的内腔的内导体通过同轴薄膜隔直电容18与电子管阳极相连接，用于传输高频功率。本发明实施例解决了射频大功率输出米波低频段6~30MHz频段范围内120kW级输出全覆盖，起到了决定性的作用。以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

根据本发明的实施例，提供了一种射频宽带高功率电子管放大器同轴输出谐振腔，用于为射频宽带高功率电子管放大器输出回路进行调谐调配，图1是本发明实施例的射频宽带高功率电子管放大器同轴输出谐振腔的结构示意图，如图1所示，根据本发明实施例的射频宽带高功率电子管放大器同轴输出谐振腔包括：谐振腔内导体11、谐振腔外导体12、输出调谐电容13、输出调谐电容调整装置14、输出耦合电容15、输出耦合电容调谐装置16、射频输出同轴馈线17、同轴薄膜隔直电容18、输出调谐匹配腔板19、以及输出调谐匹配腔板调整装置20；以下对本发明实施例的各个模块进行详细的说明。

具体地，所述谐振腔内导体11与所述谐振腔外导体12为同轴结构；优选地，所述谐振腔内导体11为同轴管，可以采用圆形铜管，所述谐振腔外导体12为正方形框架结构。

所述谐振腔内导体11的内部为内谐振腔，所述谐振腔内导体11与所述谐振腔外导体12之间为外谐振腔；优选地，所述外谐振腔采用1/4λ波长短路垂直腔体形式，外谐振腔有效调节范围在大于1m，腔体调节电机带动丝杠的控制方式。内谐振腔通过弹簧触点采用气动控制方式；

所述外谐振腔内设置有所述输出调谐匹配腔板19，所述输出调谐匹配腔板19用于根据射频功率输出频率对所述谐振腔进行调谐；

所述输出调谐匹配腔板调整装置20与所述输出调谐匹配腔板19相连接，用于调节所述输出调谐匹配腔板19的位置；优选地，所述输出调谐匹配腔板19为气动式输出调谐匹配腔板19。所述输出调谐匹配腔板调整装置20为腔板调节丝杠，所述腔板调节丝杠通上设置有缩放气动触点，其中，在腔板调节丝杠进行调节时，缩放气动触点为收缩状态，以便腔板调节丝杠进行调节；在腔板调节丝杠调节到位后，将缩放气动触点转换为充盈状态，以固定所述腔板调节丝杠。

所述谐振腔内导体11通过底部的所述同轴薄膜隔直电容18与所述电子管放大器的阳极相连接，用于对所述电子管放大器发送的射频功率进行传输；

所述输出耦合电容15设置于所述所述谐振腔内导体11和所述谐振腔外导体12之间的谐振腔中与所述射频输出同轴馈线17相对应的位置上，用于对射频功率输出进行调配；

输出耦合电容调谐装置16的一端与所述输出耦合电容15连接，并穿过所述射频输出同轴馈线17的内部，使其另一端暴露于所述谐振腔外导体12外，用于调节所述输出耦合电容15的大小；

所述输出调谐电容13连接于所述输出耦合电容15，用于对射频功率输出进行调谐，所述输出调谐电容调整装置14连接于所述输出调谐电容13，用于调节所述输出调谐电容13的大小；

所述射频输出同轴馈线17设置于所述谐振腔外导体12上，用于进行射频功率输出。所述射频输出同轴馈线17在6MHz至30MHz频率范围之内，进行120KW的射频功率输出。

优选地，本发明实施例的射频宽带高功率电子管放大器同轴输出谐振腔使用的材质包括：铜板、镀银铜板、角铝、铝板、铜弹簧触点、以及金属丝杠。

综上所述，同轴腔体短路板随频率调节所采用的气动+丝杠模式，解决触点与腔板磨损问题；采用并联真空可调电容，实现频率低至6MHz~30MHz频率覆盖。

以下结合附图，对本发明实施例的技术方案进行详细说明，以下描述SSC加速器120kW高频功率源末级电子管腔体放大器的设计方法，主要包括腔体放大器调谐匹配计算过程，结构设计思路，工程实现途径以及三维实体模型CST仿真设计验证等方面的内容。

本发明实施例是为金属陶瓷四极管电子管放大器输出回路使用设计的，完成输出回路调谐调配功能，典型应用为美国EMIAC的4CW150000E电子管，要求在6MHz至30MHz频率范围内，输出120kW射频连续波功率，由于频率较低，波长长，普通谐振腔物理尺寸无法满足实际应用的需要。

图2是本发明实施例的宽带同轴输出腔等效电路示意图，如图2所示，由于腔体体积的限制，谐振输出腔体需采用1/4波长短路垂直腔体形式，由于频率低端需要覆盖6MHz，必须增加腔体调谐电容才能实现全范围调谐。真空可调电容器从容量、体积、射频电流等诸多方面因素考虑，因此阳极阻抗不能设计过高，需牺牲一定的阳极转换效率，达到电子管状态与腔放设计相结合，取得折中的理想设计值。

如图2所示，其右侧腔体部分并联阻抗计算如下：

$Z=\frac{(R-j{X}_{C108})j{X_{L101}}^{\′}}{R+j({X_{L101}}^{\′}-X_{C108})},$ 其中， ${L_{101}}^{,}=\frac{{X_{L101}}^{\′}}{2\mathrm{\π}.f},$ $C_{108}=\frac{1}{2\mathrm{\π}.f{X}_{C108}},$ R=50。

其中：Co是电子管阳极输出电容，C102是阳极隔直电容，Roe阳极谐振时的等效阻抗，R是负载等效阻抗。通过匹配谐振条件：从虚线端向负载端的阻抗Z，其实部应等于电子管输出负载阻抗Roe，根据电子管手册Co约为65pF，C102为3000p对6~30MHz射频信号来说可视为短路，并联调谐电容C103为由4只真空可调电容通过同步带联调实现。C108是输出匹配电容，L101同轴腔等效电感，C101是等效Co与C103并联电容，所以当回路并联谐振时：上式阻抗Z实部为纯阻Roe电子管屏极阻抗，虚部为零，则：

$\frac{{{\mathrm{RX}}_{L101}}^{\′2}}{R^2+{({X_{L101}}^{\′}-X_{C101})}^2}=\mathrm{Roe}$ 公式1；

R²-X_L101'X_C101+X_C101 ²=0                            公式2；

设Q=X_C101/R，则公式2可以转化为：X_L101’=R（Q+1/Q）；公式1可以转化为：

设R／Roe=K，则解：

因此可解得X_C101、X_L101，最终输出腔感抗：X_L101=X_L101’／／X_Lo。

EXCEL计算结果如表1所示：

表1

设计输出功率	120.00	120.00	120.00	120.00		kW
							Roe引用	760.85	760.85	760.85	760.85		Ω
Zo特性阻抗	94.04	99.75	99.75	99.75		Ω
							f工作频率	6.50	6.50	18.00	26.00		MHz
λ对应波长	46.15	46.15	16.67	11.54		m
							Coplus(C103)	1200.00	1200.00	240.00	100.00		pF
Co'	1265.00	1265.00	305.00	165.00		pF
							C108	129.94	129.94	46.92	32.49		pF
L101	0.43	0.43	0.22	0.19		μH
							L对应腔长	1.37	1.29	0.66	0.56		m

表中腔长变化从0.56米到1.37米，而电容C108从32到130pF，C103从最大1200到最小100pF，在6.5M时单只电容射频电流最大值124A，腔高1.29米基本满足设计要求。但理论计算与实际情况会有一定的误差，因此在设计过程当中需要考虑一定的余量，另外还应结合三维实体模型电磁场仿真做设计验证。

因为腔体的输出方式电容耦合，在选择C108时，除了考虑电容器的容量和耐压以外，其射频电流容限值及射频功率容量是至关重要的因素。此外采用1/4波长模式的短路腔进行调配，最高工作频率受分布参数的影响，初步分析计算，短路腔的工作频率下限频率在6MHZ稍高一点，系统调试时可以通过分布参数的实际情况和实际调试来最终确定腔体位置。图3是本发明实施例的120kW输出腔放输出回路原理示意图，如图3所示，它主要由以下几个部分组成：输出调谐电容C103及自动调整装置M3、输出调谐匹配腔L101及自动调整装置M4、输出调配电容C108及自动调整装置M5、薄膜电容C105是帘栅对地电容、薄膜电容C106是栅极对地电容。

图4是本发明实施例的6.5MHz输出腔ADS仿真结果示意图，图5是本发明实施例的6.5MHz输出腔CST仿真结果的实物示意图，图6是本发明实施例的6.5MHz输出腔CST仿真结果的图表示意图，如图4、图5、图6所示，借助于本发明实施例的技术方案，通过可调节谐振内腔，可调谐腔体并联真空电容，可调结输出耦合电容，射频输出以同轴馈线方式，根据频率调整腔长和调谐电容，满足覆盖6~34MHz的工作带宽。解决了现有技术中难以实现6~30MHz全频段覆盖的问题，能够很好地解决波段为6~34MHz、功率为10~120kW级别的射频宽带功率放大输出，为SSC重粒子加速器科学试验提供了必要的条件。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。

Claims (7)

1.一种射频宽带高功率电子管放大器同轴输出谐振腔，用于为射频宽带高功率电子管放大器输出回路进行调谐调配，其特征在于，包括：谐振腔内导体、谐振腔外导体、输出调谐电容、输出调谐电容调整装置、输出耦合电容、输出耦合电容调谐装置、射频输出同轴馈线、同轴薄膜隔直电容、输出调谐匹配腔板、以及输出调谐匹配腔板调整装置；

所述谐振腔内导体与所述谐振腔外导体为同轴结构；所述谐振腔内导体的内部为内谐振腔，所述谐振腔内导体与所述谐振腔外导体之间为外谐振腔；所述外谐振腔内设置有所述输出调谐匹配腔板，所述输出调谐匹配腔板用于根据射频功率输出频率对所述谐振腔进行调谐；所述输出调谐匹配腔板调整装置与所述输出调谐匹配腔板相连接，用于调节所述输出调谐匹配腔板的位置；所述谐振腔内导体通过底部的所述同轴薄膜隔直电容与所述电子管放大器的阳极相连接，用于对所述电子管放大器发送的射频功率进行传输；所述输出耦合电容设置于所述所述谐振腔内导体和所述谐振腔外导体之间的谐振腔中与所述射频输出同轴馈线相对应的位置上，用于对射频功率输出进行调配；所述输出耦合电容谐装置的一端与所述输出耦合电容连接，并穿过所述射频输出同轴馈线的内部，使其另一端暴露于所述谐振腔外导体外，用于调节所述输出耦合电容的大小；所述输出调谐电容连接于所述输出耦合电容，用于对射频功率输出进行调谐，所述输出调谐电容调整装置连接于所述输出调谐电容，用于调节所述输出调谐电容的大小；所述射频输出同轴馈线设置于所述谐振腔外导体上，用于进行射频功率输出。

2.如权利要求1所述的谐振腔，其特征在于，所述谐振腔内导体为同轴管。

3.如权利要求2所述的谐振腔，其特征在于，所述谐振腔外导体为正方形框架结构。

4.如权利要求3所述的谐振腔，其特征在于，所述外谐振腔采用1/4λ波长短路垂直腔体形式。

5.如权利要求1所述的谐振腔，其特征在于，所述输出调谐匹配腔板为气动式输出调谐匹配腔板。

6.如权利要求5所述的谐振腔，其特征在于，所述输出调谐匹配腔板调整装置为腔板调节丝杠，所述腔板调节丝杠通上设置有缩放气动触点。

7.如权利要求1所述的谐振腔，其特征在于，所述射频输出同轴馈线在6MHz至30MHz频率范围之内，进行120KW的射频功率输出。

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