CN104102192B - 一种宽带高功率射频发射机调机方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带高功率射频发射机调机方法，在宽带高功率射频发射机短脉冲运行时，利用数据采集系统监控发射机各级电子管放大器工作状态，通过分析采集到的电子管各参数来反馈调整发射机的各调谐元件，使发射机电子管放大器达到最佳的工作状态和最大功率输出。该方法采用短脉冲运行模式调试发射机，具有耗能低的优点；同时数据采集系统以数据图表的形式科学准确地反映发射机电子管放大器的工作状态，有效保证电子管放大器的安全运行；另外若发射机出现故障，短脉冲模式可保证发射机部件损耗度降到最低，通过数据采集系统的数据可明确故障原因，并针对性地拟定解决方案。采用该方法调机，其安全性和准确性较传统方式都大大提高。

Description

一种宽带高功率射频发射机调机方法

技术领域

本发明属于宽带高功率射频发射机技术领域，特别涉及了一种宽带高功率射频发射机的调机方法。该方法是在宽带高功率射频发射机短脉冲运行时，利用数据采集系统采集发射机电子管放大器各极电压电流参数，以数据图表形式科学准确地反映发射机电子管放大器的工作状态，进而制定方案通过调整发射机各调谐元件，最终使发射机电子管达到最佳的工作状态和最高的功率输出。

背景技术

EAST装置是我国独立设计建造的具有先进位型的全超导托卡马克装置，它主要用于探索研究在稳态运行模式下的相关前沿物理问题，为未来聚变堆的建立提供技术基础。离子回旋波加热是EAST装置中等离子体最有效的辅助加热手段之一，它对获得高参数等离子体起关键作用。EAST离子回旋波加热系统主要包括高功率射频发射机及其高压电源、阻抗匹配网络、天馈系统、数据采集与监控。高功率射频发射机是整个射频加热系统的核心，它根据发射功率的要求，采用三级功率放大器：即5kW固态功率放大器、100kW电子管放大器和1.5MW电子管放大器，三级功率放大器之间的高频输入输出用50管同轴馈线连接，它们相互独立，级联使用，可将10mW高频振荡信号放大至1.5MW。

该高频高功率发射机系统的主要技术指标为：

最大输出功率：1.5MW

VSWR：小于1.5

频率范围：24-70MHz

运行模式：脉冲运行(脉宽可调)和CW模式

输入输出阻抗：50欧姆

谐波抑制：优于-30dB

传统的宽带高功率射频发射机调机方法是在高频发射机连续短脉冲运行状态下，通过观察多个电压表、电流表，反复调节发射机各调谐部件，最终完成调机工作，该种调机方式主要依赖专业的工程技术经验，根据电压表和电流表的变化趋势来试探性的调试发射机输入和输出回路的匹配状态，调机比较盲目；另外，因为没有详细准确的参考数据，在发射机出现故障时，依赖经验的调机方式容易出现故障的误判，从而造成发射机部件损坏。

发明内容

本发明针对上述调机方式的不足，提出一种宽带高功率射频发射机调试方法。本方法利用数据采集系统在宽带高功率射频发射机脉冲运行时采集电子管放大器的各极电流电压参数以及耦合输出功率，采集数据可科学准确地反映发射机电子管放大器短脉冲运行时的工作状态，进而通过调整发射机各调谐元件，使发射机电子管达到最佳的工作状态和最高的功率输出，调试方法安全可靠。

一种宽带高功率射频发射机调机方法，所述的射频发射机包括固态放大器以及依次连接的A定向耦合器、前级电子管放大器、B定向耦合器、同轴开关、匹配调节器、末级电子管放大器，采用脉冲数据采集系统、上位机以及网络分析仪对射频发射机进行调试，其特征在于：在宽带高功率射频发射机短脉冲运行时，利用脉冲数据采集系统监控前级电子管放大器和末级电子管放大器工作状态并采集相关信号参数，上位机处理信号参数并根据处理结果调整发射机的其它元件，使发射机各级电子管放大器达到最佳的工作状态和发射机的最大功率输出，具体包括以下步骤：

1)射频发射机各级电子管放大器冷态测试：所述的射频发射机各级电子管放大器不加电，利用外接电路模拟所述的射频发射机各级电子管放大器输入或输出等效阻抗和极间电容，利用网络分析仪对输入回路或输出回路进行测量和预置，使得输入、输出回路在冷态能够达到匹配状态；

2)射频发射机各级电子管放大器热态测试：输入和输出回路预匹配完成后，所述的射频发射机各级电子管放大器加电测试，使其接近正常工作状态，再利用网络分析仪对输入和输出回路再次进行调整，使其在工作频率点的输入、输出阻抗达到50欧姆，从而满足匹配条件；

3)上述工作完成后，正常运行射频发射机和脉冲数据采集系统，输入回路上加载射频激励信号和幅度控制短脉冲信号，利用短脉冲信号控制各级电子管放大器的栅极电压，使各级电子管放大器工作在短脉冲输出状态；

4)当射频发射机接收触发信号产生功率输出时，脉冲数据采集系统快速采集并存储发射机各级电子管放大器输出功率、反射功率、灯丝电压和电流、阳极电压和电流、帘栅极电压和电流、栅极电压和电流等信号；

5)对采集到的各信号进行数据分析，根据分析结果判断发射机各级放大器电子管的工作状态和输入、输出回路的匹配情况，进而微调各级放大器的输入、输出回路参数，优化电子管放大器的工作状态和级间匹配；

6)再次触发得到采集数据，如果射频发射机的工作状态满足要求，输入、输出匹配状态良好，则停止调整射频发射机，否则重复上述步骤，直至射频发射机满足设定要求。

所述的步骤1)中在所述的射频发射机各级电子管放大器不加电的情况下对其输入和输出回路在24-70MHz频带内各频率点在冷态状况下进行阻抗匹配调试，预置各频率点的输入输出回路匹配参数。

所述的步骤2)中在所述的射频发射机各级电子管放大器热态状态下，利用网络分析仪S11模式测量电子管放大器的输入回路的输入阻抗和S21模式测量电子管放大器输出回路的频率响应特性。

所述的射频发射机调机运行模式为耗能低的短脉冲运行。

所述的脉冲数据采集系统包括功率耦合与检波模块、电压电流传感器模块、线性光电隔离模块、射频跟随模块、PXI数据采集模块以及具有LabVIEW开发平台的计算机，采集数据可存储以作为故障分析依据。

本发明针对传统调机方法中观察多个电压和电流表的不足之处，提出建立宽带高功率射频发射机数据采集监控系统，上位机采集的数据可实时显示并存储到本地。该数据采集系统包括功率耦合与检波模块、电压电流传感器模块、线性光电隔离模块、射频模块、PXI数据采集模块以及具有LabVIEW开发平台的工控机。功率耦合与检波模块用于耦合发射机放大器输出的功率信号并对其进行检波，检波器将射频信号转换为电压信号输入线性光电隔离模块；电压传感器和电流传感器用于检测高频发射机宽放级、驱动级和末级电子管放大器各极(灯丝、栅极、帘栅、阳极)的电压和电流信号并送入线性光电隔离模块；线性光电隔离模块将输入的多路模拟信号经射频模块输送给PXI数据采集模块；PXI数据采集模块将输入的模拟信号进行A/D转换，并将数字信号传送给具有LabVIEW开发平台的工控机，工控机运行采用LabVIEW语言编写的数据采集程序处理接收的数字信号并以图表的形式显示。当发射机接收触发信号后产生功率输出时，脉冲数据采集系统对发射机各级电子管放大器输出功率、反射功率、灯丝电压和电流、阳极电压和电流、帘栅极电压和电流、栅极电压和电流等24路信号进行快速采集并存储。在发射机调试运行时，采集所得的数据可科学准确地反映发射机各级电子管放大器的工作状态，在此基础上进行调机操作，保证发射机安全可靠运行。

本发明的优点：

1、提出建立一套脉冲数据采集系统，在发射机脉冲运行时采集发射机各级电子管放大器的工作参数，可实时准确的了解电子管放大器的工作状态，解决了传统调机方式中无科学准确数据作为发射机电子管放大器运行状态分析依据的问题；

2、本发明中发射机在接收触发信号后才产生短脉冲功率输出，相比传统调机方法的连续脉冲运行大大降低能耗且延长了电子管使用寿命；

3、依据采集数据，可有效分析调机过程中出现的问题，提出针对性的解决措施；相比传统试探性的调机方式，本方法避免了故障原因的误判，保证发射机各部件的安全可靠运行，大大提高了调机工作效率；

附图说明：

图1为本发明的宽带高功率射频发射机构成框图；

图2为本发明的前级电子管放大器高频等效电路示意图；

图3为本发明的末级电子管放大器高频等效电路示意图；

图4为本发明的脉冲数据采集系统组成框图。

具体实施方式

一种宽带高功率射频发射机调机方法，如图1所示，所述的射频发射机包括固态放大器以及依次连接的A定向耦合器、前级电子管放大器、B定向耦合器、同轴开关、匹配调节器、末级电子管放大器，采用脉冲数据采集系统、上位机以及网络分析仪对射频发射机进行调试，在宽带高功率射频发射机短脉冲运行时，利用脉冲数据采集系统监控前级电子管放大器和末级电子管放大器工作状态并采集相关信号参数，上位机处理信号参数并根据处理结果调整发射机的其它元件，使发射机各级电子管放大器达到最佳的工作状态和发射机的最大功率输出，具体包括以下步骤：

1)射频发射机各级电子管放大器冷态测试：所述的射频发射机各级电子管放大器不加电，利用外接电路模拟所述的射频发射机各级电子管放大器输入或输出等效阻抗和极间电容，利用网络分析仪对输入回路或输出回路进行测量和预置，使得输入、输出回路在冷态能够达到匹配状态；

2)射频发射机各级电子管放大器热态测试：输入和输出回路预匹配完成后，所述的射频发射机各级电子管放大器加电测试，使其接近正常工作状态，再利用网络分析仪对输入和输出回路再次进行调整，使其在工作频率点的输入、输出阻抗达到50欧姆，从而满足匹配条件；

3)上述工作完成后，正常运行射频发射机和脉冲数据采集系统，输入回路上加载射频激励信号和幅度控制短脉冲信号，利用短脉冲信号控制各级电子管放大器的栅极电压，使各级电子管放大器工作在短脉冲输出状态；

4)当射频发射机接收触发信号产生功率输出时，脉冲数据采集系统快速采集并存储发射机各级电子管放大器输出功率、反射功率、灯丝电压和电流、阳极电压和电流、帘栅极电压和电流、栅极电压和电流等信号；

5)对采集到的各信号进行数据分析，根据分析结果判断发射机各级放大器电子管的工作状态和输入、输出回路的匹配情况，进而微调各级放大器的输入、输出回路参数，优化电子管放大器的工作状态和级间匹配；

6)再次触发得到采集数据，如果射频发射机的工作状态满足要求，输入、输出匹配状态良好，则停止调整射频发射机，否则重复上述步骤，直至射频发射机满足设定要求。

如图2所示为前级电子管放大器的高频等效电路示意图，调试前级电子管放大器具体步骤如下：

a)、校准网络分析仪，把驱动级的输入馈管断开，接入Φ41.3/N的变径，用N型同轴电缆将前级输入端与网络分析仪的信号输出端相连接，用另一根N型头同轴电缆将网络分析仪的信号输入端相与前级输出定向耦合器的入射口相连接。

b)、将发射机前级同轴开关转到假负载位置，开机使前级正常加电状态。调节偏压电源，将电子管阳极电流设置到0.5A左右。

c)、用S11模式测量前级的输入匹配，分别调整图2中电容C1、电感L2、电感L3等各参数值，使得在工作频率范围内的输入回路阻抗为50欧姆。

d)、用S21模式测量发射机的输出频率响应特性，分别调整图2中电感L4电容C5参数值，将输出回路谐振点调谐到工作频率处。

如图3所示为末级电子管放大器的高频等效电路示意图，调试末级电子管放大器具体工作如下：

a)、校准网络分析仪，用变径通过同轴开关与末级输入口相连，用N型同轴电缆将末级输入同轴开关与网分信号输出端口相连接；用另一根N型头同轴电缆将网分的信号输入端口与末级输出定向耦合器的入射口相连接。

b)、将发射机末级同轴开关转到假负载位置，断开前级帘栅馈电并将前级帘栅极接地，开机使末级处于正常工作状态，末级板压设定15KV，末级阳极电流过流设定值30A过流。调节偏压电源回正，使电子管的静态阳极电流出为6-10A。

c)、用S11模式测量电子管的输入匹配，通过分别调整图3中1路、2路短路支节及3路电子管放大器输入调谐腔的传动器位置，使得工作频率点的输入回路阻抗为50欧姆。

d)、用S21模式测量末级输出回路的频率响应特性，分别调整图3中内腔和外腔传动器的位置，将输出回路谐振点调到工作频率处。

3)上述工作完成后，正常运行宽频带高功率发射机和脉冲数据采集系统，加载激励信号，利用短脉冲信号控制电子管放大器的栅极电压，使电子管放大器工作在短脉冲输出状态。

4)当发射机接收触发信号产生功率输出时，脉冲数据采集系统对发射机各级电子管放大器输出功率、反射功率、灯丝电压和电流、阳极电压和电流、帘栅极电压和电流、栅极电压和电流等信号进行快速采集并存储。

5)根据上位机采集显示的数据分析判断发射机各级放大器电子管的工作状态及输入输出回路的匹配情况，微调各级放大器的输入、输出回路，改善电极管工作状态和级间匹配情况。

6)再次触发得到采集数据，如发射机的工作状态满足要求，输入、输出匹配状态良好，则停止调整发射机，否则重复上述步骤，直至发射机满足设定要求。

如图4所示，为本发明采用的脉冲数据采集系统，包括线性光电隔离模块、射频跟随模块、PXI数据采集模块以及具有LabVIEW开发平台的计算机，采集数据可存储以作为故障分析依据，在宽带高功率射频发射机与光电隔离模块之间还依次连接有功率耦合与检波模块、电压电流传感器模块。

2013年5月-2013年08月，EAST装置ICRF系统4部1.5MW高功率发射机采用上述调机方法，短短三个月时间完成发射机24-70MHz全频带高功率输出调试工作，证明该调机方法是安全可靠和有效的。

Claims (5)

1.一种宽带高功率射频发射机调机方法，所述的射频发射机包括固态放大器以及依次连接的A定向耦合器、前级电子管放大器、B定向耦合器、同轴开关、匹配调节器、末级电子管放大器，采用脉冲数据采集系统、上位机以及网络分析仪对射频发射机进行调试，其特征在于：在宽带高功率射频发射机短脉冲运行时，利用脉冲数据采集系统监控前级电子管放大器和末级电子管放大器工作状态并采集相关信号参数，上位机处理信号参数并根据处理结果调整发射机的其它元件，使射频发射机各级电子管放大器达到最佳的工作状态和射频发射机的最大功率输出，具体包括以下步骤：

1）射频发射机各级电子管放大器冷态测试：所述的射频发射机各级电子管放大器不加电，利用外接电路模拟所述的射频发射机各级电子管放大器输入或输出等效阻抗和极间电容，利用网络分析仪对输入回路或输出回路进行测量和预置，使得输入、输出回路在冷态能够达到匹配状态；

2）射频发射机各级电子管放大器热态测试：输入和输出回路预匹配完成后，所述的射频发射机各级电子管放大器加电测试，使其接近正常工作状态，再利用网络分析仪对输入和输出回路再次进行调整，使其在工作频率点的输入、输出阻抗达到50欧姆，从而满足匹配条件；

3）上述工作完成后，正常运行射频发射机和脉冲数据采集系统，输入回路上加载射频激励信号和幅度控制短脉冲信号，利用短脉冲信号控制各级电子管放大器的栅极电压，使各级电子管放大器工作在短脉冲输出状态；

4）当射频发射机接收触发信号产生功率输出时，脉冲数据采集系统快速采集并存储发射机各级电子管放大器输出功率、反射功率、灯丝电压和电流、阳极电压和电流、帘栅极电压和电流、栅极电压和电流信号；

5）对采集到的各信号进行数据分析，根据分析结果判断发射机各级放大器电子管的工作状态和输入、输出回路的匹配情况，进而微调各级放大器的输入、输出回路参数，优化电子管放大器的工作状态和级间匹配；

6）再次触发得到采集数据，如果射频发射机的工作状态满足要求，输入、输出匹配状态良好，则停止调整射频发射机，否则重复上述步骤，直至射频发射机满足设定要求。

2.权利要求1中所述的一种宽带高功率射频发射机调机方法，其特征在于：所述的步骤1）中在所述的射频发射机各级电子管放大器不加电的情况下对其输入和输出回路在24-70MHz频带内各频率点在冷态状况下进行阻抗匹配调试，预置各频率点的输入输出回路匹配参数。

3.权利要求1中所述的一种宽带高功率射频发射机调机方法，其特征在于：所述的步骤2）中在所述的射频发射机各级电子管放大器热态状态下，利用网络分析仪S11模式测量电子管放大器的输入回路的输入阻抗和S21模式测量电子管放大器输出回路的频率响应特性。

4.权利要求1中所述的一种宽带高功率射频发射机调机方法，其特征在于：所述的射频发射机调机运行模式为耗能低的短脉冲运行。

5.权利要求1中所述的一种宽带高功率射频发射机调机方法，其特征在于：所述的脉冲数据采集系统包括功率耦合与检波模块、电压电流传感器模块、线性光电隔离模块、射频跟随模块、PXI数据采集模块以及具有LabVIEW开发平台的计算机，采集数据存储以作为故障分析依据。