CN103199855B - 一种多路注入锁定磁控管相干功率合成微波源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微波辐射源，本发明公开了一种多路注入锁定磁控管相干功率合成微波源，采用功率注入的方法对多个支路的磁控管进行微波注入锁频调相。本发明的多路注入锁定磁控管相干功率合成微波源，包括N个独立信号源、N个磁控管、N个环行器、N个耦合器、N个混频器、N个滤波器、控制装置。本发明使用高稳定度信号源产生频率接近磁控管固有谐振频率的注入信号，该信号经过环行器直接注入到磁控管中，当注入信号幅度达到相当数量级时，磁控管振荡频率与注入信号相位同步。本发明提高了磁控管的输出微波的频率和相位稳定性，能够满足微波相干功率合成的要求，特别适合用于微波传输能量和微波能工业应用的技术领域。

Description

一种多路注入锁定磁控管相干功率合成微波源

技术领域

本发明涉及微波辐射源，特别涉及利用独立信号源微波注入进行锁频调相（频率锁定和相位调整）的磁控管组合构成的相干微波发射系统。主要用于微波能量传输和微波能工业应用领域的微波相干功率合成技术。

背景技术

在微波能量传输和微波能工业应用等高功率微波技术领域中，常常需要获得尽可能高的微波功率。由于单个微波源的输出功率受器件本身功率容量限制，采用微波功率合成技术是解决此难题的有效途径。在现有微波功率合成技术中，分为相干功率合成与非相干功率合成技术两大类。微波相干功率合成技术，要求系统中各个微波功率源的发射频率、相位必须一定的条件，通常要求各个微波功率源的微波发射频率和相位相同，这就需要使用大功率的微波锁相、移相等技术。常用的微波发生器主要有固态器件和电真空管两大类。目前获得大功率微波主要采用固态器件逐级合成的方法。由于受到单个固态器件功率偏低的限制，固态器件多级合成的微波输出功率仅达到千瓦量级。而目前微波能量传输等特殊领域常常需要兆瓦量级的微波源。考虑到寿命、成本等诸多因素，美国科学家首先在微波能量传输中提出采用价格低廉的商用连续波磁控管（简称为磁控管）来实现合成。为了提高合成效率，往往希望满足微波相干合成的要求。

磁控管是一种具有复杂幅相特性的微波器件。商用磁控管虽然具有价格低廉、单管输出功率大、寿命长、功质比高等优点，但却存在频谱范围较宽、相位不稳定的缺点。其工作频率在较大范围内随机变化（如中心频率为2450MHz和5800MHz的磁控管，其频率范围通常分别为2450±25MHz和5800±30MHz），相位也在0～2π范围内随机变化。因此必须对商用磁控管增加外围辅助系统进行改造和控制，实现锁频调相后才能满足多个磁控管微波源进行相干功率合成的要求，随之出现了相位控制磁控管(PCM)。目前相位控制磁控管实现方法主要有两种，一种是由美国科学家Brown提出的分别采用频率和相位两条反馈回路，通过增加的“buck boost”线圈控制磁控管外磁场进行锁频调相的方法；另一种是日本京都大学研究提出的，通过控制高压电源改变磁控管阳极电流达到锁频调相的方法。这两种方法都是通过改变磁控管工作参数来实现锁频调相的，都涉及到磁控管本身结构的改造，结构复杂，实现困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种多路注入锁定磁控管相干功率合成微波源，采用功率注入的方法对系统中的磁控管进行微波注入锁频调相。

本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，一种多路注入锁定磁控管相干功率合成微波源，包括N个独立信号源、N个磁控管、N个环行器、N个耦合器、N个混频器、N个滤波器、控制装置，所述独立信号源输出的注入信号通过环行器注入磁控管，调整磁控管输出的功率信号频率，所述功率信号通过环行器和耦合器输出，所述耦合器输出的一部分信号通过混频器产生混频信号，所述混频信号经过滤波器输入控制装置，所述控制装置根据混频信号与标准信号的差异输出控制信号，分别控制N个独立信号源输出的注入信号频率和相位，所述标准信号由信号发生器提供，所述信号发生器与N个独立信号源和控制装置连接；N为整数，N≥2。

本发明的技术方案，使用高稳定度信号源产生频率接近磁控管固有谐振频率的注入信号，该信号经过环行器直接注入到磁控管中，当注入信号幅度达到相当数量级时，磁控管振荡频率与注入信号相位同步。在锁频范围内，磁控管的输出频率与注入信号为同一值，磁控管的输出频率直接由注入信号频率控制，实现了通过注入信号的方法对普通商用磁控管进行锁频调相控制。当N个独立信号源在控制装置控制下，将N个磁控管频率锁定到同一频率和相位时，系统就达到了相干微波功率合成的要求，N个磁控管输出的微波可以进行相干合成，得到大功率微波源。N的具体数值可以根据微波总功率和每个磁控管的微波功率决定，理论上几乎不受限制。

具体的，所述控制装置由可编程逻辑控制器和计算机系统构成，所述可编程逻辑控制器具有N+1个输入端，分别连接N个滤波器及信号发生器，所述可编程逻辑控制器输出端与计算机系统连接，所述计算机系统的N+1个输出端分别连接N个独立信号源及信号发生器，对其输出信号频率和相位进行控制。

采用可编程逻辑控制器和计算机系统组成控制装置，是本领域最成熟的方案之一，特别适合用于本发明对多个独立信号源输出信号频率和相位的控制。

进一步的，所述控制装置基于人工智能学习算法，对N个独立信号源输出的注入信号频率和相位进行控制。

由于注入信号经过环行器、磁控管以及定向耦合器各级的延迟影响，加之磁控管工作中受直流高压源、阳极电流、灯丝电压、磁控管温度等诸多因素影响，其输出的功率信号特性参数（频率、相位）在锁定中仍存在动态变化，必须建立反馈回路时刻动态调整其偏差，而且因上述原因存在一个相位的非线性变化过程。为此，本发明控制装置中，采用了控制技术领域非常成熟的人工智能学习算法，进一步提高了锁频调相的精度。

进一步的，每个独立信号源与环行器之间连接有功率放大器，用于放大注入信号到设定功率。

在独立信号源与环行器之间增加功率放大器，可以对独立信号源输出的注入信号功率进行放大，弥补信号功率不足的缺陷，以满足磁控管锁频的要求。

具体的，所述磁控管的直流高压纹波＜1%。

磁控管采用低纹波的直流高压电源，其纹波＜1%，能够降低电源本身噪声对磁控管工作特性的不良影响，提高锁频调相的精度。

推荐的，所述一种多路注入锁定磁控管相干功率合成微波源用于空间微波能量传输和微波能的工业应用。

空间微波能量传输和微波能工业应用往往需要大功率的微波源，采用本发明的微波源可以组成相干微波功率合成系统，从而得到大功率微波，满足空间微波能量传输的大功率要求。

本发明的有益效果是，使用多个独立的高稳定度信号源通过注入信号的方法对多个普通商用磁控管进行注入锁频调相；采用反馈回路通过对高稳定度信号源输出的注入信号的相位控制实现了磁控管的移相功能。本发明提高了磁控管输出微波的频率和相位稳定性，能够满足微波相干功率合成的要求，特别适合用于微波传输能量和微波能工业应用的技术领域。

附图说明

图1是N条支路构成的微波源结构示意图；

图2是支路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。

本发明采用微波注入锁频技术，在磁控管起振前，先注入一个低电平高稳定度的外部基准频率微波信号（本发明称为注入信号），其频率接近于磁控管的固有谐振频率（或称为中心频率）。该信号经过环行器直接注入到磁控管中，当注入信号幅度达到相当数量级时，磁控管振荡频率与注入信号的相位同步。在锁频范围内，磁控管的输出频率与注入信号频率为同一值，磁控管的输出频率直接由注入信号频率控制。

实施例

本发明的多路注入锁定磁控管相干功率合成微波源，可以看成是有N条支路并联构成，如图1所示。每条支路结构相同，如图2所示，包括独立信号源1、功率放大器12、环行器2、耦合器3、磁控管4、混频器5和滤波器7（图2中虚线上面部分），其中控制装置6（图2中虚线下面部分）为系统共有，用于对N个独立信号源进行分别控制。

下面以工作在C波段，频率为5.799GHz的磁控管微波源为例，说明本发明的结构和实现方式。相应的，注入信号频率=5.799GHz，磁控管中心频率=5.800GHz，标准信号频率=100kHz。

本发明的多路注入锁定磁控管相干功率合成微波源由N条支路并联构成，如图1所示，每条支路结构结构如图2所示，包括信号源1、功率放大器12、环行器2、耦合器3、磁控管4、混频器5、滤波器7和控制装置6。信号源1功率大小约为0dBm，输出的注入信号频率设定为5.799GHz。功率放大器12增益为40dB，输出功率约为10W。信号源1输出的注入信号通过环行器2注入磁控管4，调整磁控管4输出的功率信号频率，使其锁定到5.799GHz。磁控管4输出的功率信号通过环行器2进入耦合器3，其大部分作为微波功率输出，耦合器3输出的一部分信号经过混频器5、滤波器7进入控制装置6。混频器5将功率信号进行混频处理，产生一个频率为100kHz的混频信号，该混频信号经过滤波器7滤除带外杂波后输入控制装置6。控制装置6基于人工智能的学习算法，将100kHz的混频信号与标准信号（100kHz）进行比较，产生一个控制信号输出到独立信号源1，控制独立信号源1输出的注入信号频率和相位。100kHz标准信号，可由一个信号发生器（图中未示出）提供，该信号发生器同时为N个信号源提供基准频率信号，并接受控制装置6的控制。通过反复调整，最终使磁控管4的输出频率锁定到5.799GHz，相位与独立信号源1输出的注入信号同步。其他各支路的工作过程与上述过程相同，当N个独立信号源在控制装置6的控制下，将N个磁控管4频率锁定到同一频率5.799GHz时，N条支路输出频率和相位达到同步，系统就达到了相干微波功率合成的要求，N个磁控管输出的微波可以进行相干合成。

本例控制装置6的作用与通信技术中常见的锁相环路（PLL）作用相当。控制装置6基于人工智能的学习算法，产生一个控制信号输出到独立信号源1，控制独立信号源1输出的注入信号频率和相位。

本例中，磁控管4的高压直流电源为纹波小于1%的4200V直流高压电源。低纹波的直流高压电源，能够降低电源本身噪声对磁控管工作特性的不良影响，进一步提高锁频调相的精度。磁控管4在注入信号作用下起到一个放大器的作用，通过环行器2将约650W的微波功率输出到耦合器3中，最终该微波功率通过负载天线系统辐射出。

本发明的连续波磁控管微波源频率稳定度达到10^-8，相位稳定度优于±3°，输出功率约655W，相位可调范围±180°，相位移动步进1°。该微波源满足用于实现相干功率合成的要求。非常适合用于空间微波能量传输和微波能工业应用领域，对于N条支路构成的系统，可以实现大功率的微波输出。

本例控制装置6由可编程逻辑控制器和计算机系统构成，可编程逻辑控制器具有N+1个输入端，分别连接N个滤波器及信号发生器，可编程逻辑控制器输出端与计算机系统连接，计算机系统的N+1个输出端分别连接N个独立信号源及信号发生器，对其输出信号频率和相位进行独立控制。

本发明的控制装置能够对N个独立信号源进行分别控制，互不影响，极大地提高了系统的稳定性和可靠性。

Claims (5)

1.一种多路注入锁定磁控管相干功率合成微波源，包括N个独立信号源、N个磁控管、N个环行器、N个耦合器、N个混频器、N个滤波器、控制装置，所述独立信号源输出的注入信号通过环行器注入磁控管，调整磁控管输出的功率信号频率，所述功率信号通过环行器和耦合器输出，所述耦合器输出的一部分信号通过混频器产生混频信号，所述混频信号经过滤波器输入控制装置，所述控制装置根据混频信号与标准信号的差异输出控制信号，分别控制N个独立信号源输出的注入信号频率和相位，所述标准信号由信号发生器提供，所述信号发生器与N个独立信号源和控制装置连接；N为整数，N≥2；

所述控制装置由可编程逻辑控制器和计算机系统构成，所述可编程逻辑控制器具有N+1个输入端，分别连接N个滤波器及信号发生器，所述可编程逻辑控制器输出端与计算机系统连接，所述计算机系统的N+1个输出端分别连接N个独立信号源及信号发生器，对其输出信号频率和相位进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种多路注入锁定磁控管相干功率合成微波源，其特征在于，所述控制装置基于人工智能学习算法，对N个独立信号源输出的注入信号频率和相位进行控制。

3.根据权利要求1所述的一种多路注入锁定磁控管相干功率合成微波源，其特征在于，每个独立信号源与环行器之间连接有功率放大器，用于放大注入信号到设定功率。

4.根据权利要求1所述的一种多路注入锁定磁控管相干功率合成微波源，其特征在于，所述磁控管的直流高压纹波＜1％。

5.根据权利要求1所述的一种多路注入锁定磁控管相干功率合成微波源，其特征在于，所述一种多路注入锁定磁控管相干功率合成微波源用于空间微波能量传输和微波能的工业应用。