CN109213259B - 行波管螺旋线电压控制方法和控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及行波管螺旋线电压控制方法和控制装置，采集行波管微波信号的实际频率；根据采集到的实际频率以及微波信号频率与最优的螺旋线电压的对应关系确定该实际频率对应的最优螺旋线电压；最后调节螺旋线电压，使其等于确定的最优螺旋线电压。这样的话，不管微波信号的实际频率是多少，都可以提供该频率下的最优的螺旋线电压，进而使行波管在全工作频率范围内，不管实际频率是多少，均能够在该频率下以最大功率输出。所以，该控制方法根据行波管工作时不同微波信号频率需要不同的螺旋线电压才能使输出功率达到最大的特点，使螺旋线电压为最优电压值，提升行波管的工作效率。

Description

行波管螺旋线电压控制方法和控制装置

技术领域

本发明涉及行波管螺旋线电压控制方法和控制装置。

背景技术

行波管是一种真空电子器件，图1所示为典型螺旋线行波管工作原理示意图。阴极通过灯丝加热，在聚焦极控制下发射电子，在高压电场的作用下加速而具有一定的能量，高能量的电子在慢波结构中与微波信号产生能量交换，从而实现微波信号的功率放大。行波管工作时需要多路电源，包括灯丝电源、聚焦极电源、螺旋线电源和多路收集极电源等。

行波管供电如图2所示，包括灯丝电压(V_F)、聚焦极电压(V_G)、阳极电压(V_A)、螺旋线电压(V_h)和三路收集极电压(V_C1、V_C2、V_C3)，螺旋线电压V_h的正极接地，最后一路收集极与阴极(Cathode)相连，从系统供电结构图上可看出，各路电压均与阴极相连，因为螺旋线V_h的电压最高，所以各路输出电压相对于地均为负电压。

行波管的高压电源主要提供螺旋线电压V_h和多路收集极电压。其中，V_h是集成电源难度最大的一路输出，并且，行波管工作时，加入一定的高频输入微波信号P_in，行波管就对信号进行功率放大，负载电流明显增加，所以，螺旋线电压V_h是所有电压中最重要的电压。而且，螺旋线电压V_h还具有以下特点：(1)供电电压最高，小型化行波管的一般要求为-4000V到-5000V左右；(2)精度要求最高；(3)动态负载变化特性，微波信号的有无和信号频率的变化容易引起负载电流的动态变化，从而导致行波管输出功率的变化，当微波信号的频率发生变化时，行波管无法维持最大功率输出，即行波管无法在不同频率下均以最大功率输出；(4)较高的过流保护要求。另外，各收集极的电压是逐步降低的，一般为相对于V_h的60％、40％、25％，各收集极电压的精度要求不是很高。

发明内容

本发明的目的是提供一种行波管螺旋线电压控制方法，用以解决微波信号频率发生变化时行波管无法始终以最大功率输出的问题。本发明同时提供一种行波管螺旋线电压控制装置。

为实现上述目的，本发明的方案包括一种行波管螺旋线电压控制方法，包括以下步骤：

(1)采集行波管微波信号的实际频率；

(2)根据采集到的实际频率以及事先获取的微波信号频率与最优螺旋线电压的对应关系确定该实际频率对应的最优螺旋线电压；

(3)控制调节行波管实际的螺旋线电压，使所述实际的螺旋线电压等于确定的最优螺旋线电压；

所述最优螺旋线电压为行波管在对应频率下能够以最大功率输出的行波管螺旋线电压。

所述微波信号频率与最优螺旋线电压的对应关系为事先测定好的微波信号频率与对应的最优螺旋线电压的对应关系表。

将行波管微波信号的频率分为N个频段，N≥2，各频段分别对应有一个最优螺旋线电压，根据采集到的行波管微波信号的实际频率所处的频段确定最优螺旋线电压。

一种行波管螺旋线电压控制装置，包括控制模块，所述控制模块执行有以下控制策略：根据行波管微波信号的实际频率以及事先获取的微波信号频率与最优螺旋线电压的对应关系确定该实际频率对应的最优螺旋线电压，然后控制调节行波管实际的螺旋线电压，使所述实际的螺旋线电压等于确定的最优螺旋线电压；所述最优螺旋线电压为行波管在对应频率下能够以最大功率输出的行波管螺旋线电压。

所述微波信号频率与最优螺旋线电压的对应关系为事先测定好的微波信号频率与对应的最优螺旋线电压的对应关系表，所述控制模块中存储有所述对应关系表。

将行波管微波信号的频率分为N个频段，N≥2，各频段分别对应有一个最优螺旋线电压，根据采集到的行波管微波信号的实际频率所处的频段确定最优螺旋线电压。

所述控制装置还包括用于采集行波管微波信号频率的频率采集模块以及用于输出螺旋线电压的功率模块，所述控制模块根据频率采集模块采集到的微波信号频率来控制功率模块，以输出对应的最优螺旋线电压。

所述功率模块由依次连接的全桥LLC谐振变换器、变压器和整流电路构成。

在获取到微波信号的实际频率之后，根据微波信号频率与最优的螺旋线电压的对应关系得到与该实际频率对应的最优的螺旋线电压，然后，控制调节螺旋线电压，使其等于确定的最优电压值。其中，微波信号频率与最优的螺旋线电压的对应关系是事先获取的，是发明人根据大量的实验以及获取到的大量的实验数据获得的，具体为：不同的微波信号频率对应有不同的最优的螺旋线电压，最优的螺旋线电压是指：在对应的微波信号频率下，给行波管以对应的最优的螺旋线电压，能够使行波管以最大的功率输出。那么，不管微波信号的实际频率是多少，都可以提供该频率下的最优的螺旋线电压，进而使行波管在全工作频率范围内，不管实际频率是多少，均能够在该频率下以最大功率输出。并且，即便微波信号频率发生变化，也能够根据对应关系找到与频率对应的最优螺旋线电压，使行波管始终以最优螺旋线电压运行，进而始终以最大功率输出。所以，该控制方法根据行波管工作时不同微波信号频率需要不同的螺旋线电压才能使输出功率达到最大的特点，使实际的螺旋线电压始终为最优电压值，不但避免微波信号频率发生变化时导致行波管输出功率发生变化，而且能够使行波管始终以最大功率输出，提升行波管的工作效率。

附图说明

图1是行波管工作原理示意图；

图2是行波管供电示意图；

图3是测量示意图；

图4是行波管螺旋线电压控制装置与行波管的关系示意图；

图5是行波管螺旋线电压控制装置的电路组成框图；

图6是功率模块电路图；

图7是控制驱动电路图。

具体实施方式

行波管螺旋线电压控制装置实施例

本实施例提供一种行波管螺旋线电压控制装置，内部核心部分是一个控制模块，该控制模块可以是常规的控制芯片，比如单片机。控制模块的重点并非在于硬件结构，而是在于内部加载的控制策略，该控制策略为行波管螺旋线电压控制策略，整体为：根据行波管微波信号的实际频率以及微波信号频率与最优的螺旋线电压的对应关系确定该实际频率对应的最优电压值，然后控制调节行波管实际的螺旋线电压，使实际的螺旋线电压等于确定的最优螺旋线电压。

其中，微波信号频率与最优的螺旋线电压的对应关系是发明人根据大量的实验事先测定的。本实施例中，该对应关系为事先测定好的微波信号频率与对应的最优螺旋线电压的对应关系表。测定过程为：测量输入微波信号频率为一定值时螺旋线电压为多大才能使此频率下行波管输出最大功率，记录此时的螺旋线电压为最优的螺旋线电压，然后，改变微波信号的频率，测量输入微波信号频率为该频率时螺旋线电压为多大才能使此频率下行波管输出最大功率，记录此时的螺旋线电压为最优的螺旋线电压，以此类推，建立不同频率下最优螺旋线电压的数据库，该数据库就是微波信号频率与对应的最优螺旋线电压的对应关系表。

因此，该对应关系表分为两部分，一部分是不同的微波信号的频率，另一部分是与各频率一一对应的最优的螺旋线电压，其中，最优的螺旋线电压是指在对应的频率下，行波管在该螺旋线电压下能够输出最大的功率。所以，各最优的螺旋线电压与对应的最大功率密切相关。因此，得到微波信号的实际频率之后，通过与对应关系表进行比较，能够得到该实际频率对应的最优螺旋线电压，行波管以该最优的螺旋线电压运行时能够以该实际频率下对应的最大功率输出。

微波信号频率的范围并非无穷大，而是有一定的数值范围，一般情况下为6GHz～18GHz，那么，为了便于比较，将该数值范围内的微波信号频率分为N个频段，N≥2，N根据具体控制精度进行取值，各频段分别对应有一个最优的螺旋线电压，本实施例给出一种频段划分方式，按照每1GHz一个频段进行划分，即6GHz～7GHz频段内对应一个最优的螺旋线电压，7GHz～8GHz频段内对应另一个最优的螺旋线电压，以此类推。然后根据采集到的行波管微波信号的实际频率所处的频段确定最优的螺旋线电压。

本实施例给出频率与最优螺旋线电压的对应关系的一种测定过程的具体实现步骤，如下所示：

(1)检测所有的测试硬件设备，确保所有设备状态正常。

(2)将电源、行波管、信号发生器、功率计等，按照测试方案进行连接，如图3所示。

(3)检查搭建好的测试平台。

(4)开始测试：首先开启电源，使灯丝预热三分钟，然后开启高压，进行聚焦极切换，测试各极电压。最后将6GHz～18GHz信号依次输入行波管(按照每1GHz一个频段进行划分，即6GHz～7GHz频段内对应一个最优的螺旋线电压，7GHz～8GHz频段内对应另一个最优的螺旋线电压，以此类推)，同时调整螺旋线电压，直到行波管在各频段下的输出功率达到最大，记录此时的螺旋线电压，为各频段对应的最优螺旋线电压。

(5)按上述相反顺序关机，测定结束。

以某批次的行波管为例，说明螺旋线电压对其最大输出功率的影响。在螺旋线电压固定为4.1KV时，行波管输出功率如表1所示。

表1

输入频率(GHz)	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
														螺旋线电压(kV)	4.10	4.10	4.10	4.10	4.10	4.10	4.10	4.10	4.10	4.10	4.10	4.10	4.10
输出功率(W)	116	130	128	125	126	116	110	97	94	88	89	74	80

在各个频率下，调整螺旋线电压，使各频率输出功率达到最大，各频率下最优螺旋线电压和行波管最大输出功率如表2所示。

表2

由表2可知，不同的微波信号频率下对应的最优螺旋线电压并非全部一样，比如：微波信号频率为9GHz时对应的最优螺旋线电压就与微波信号频率为10GHz时对应的最优螺旋线电压不同。而且，不同频率下对应的最大输出功率也并非全部一样，比如：微波信号频率为9GHz时对应的最大输出功率就与微波信号频率为10GHz时对应的最大输出功率不同。

如图4所示，除了控制模块之外，控制装置还主要包括功率模块，其中，控制模块为数字控制电路，功率模块为功率主电路。功率主电路负责将输入的270VDC或28VDC转化为螺旋线电压V_h，除此之外，还可以转化行波管工作时需要的其他电压。数字控制电路通过采集输入行波管微波信号的频率来确定此时行波管工作时的最优V_h，利用隔离采样与闭环控制，实现螺旋线高压的稳定输出。另外，由于行波管具有特殊的工作特性，使得电源设备的保护措施比较复杂，主要包括过压保护、过流保护、温度保护等，这一部分不属于本发明的发明点，这里不再具体说明。

数字控制电路采用DSP芯片TMS320F2812来实现控制方法，TMS320F2812是TI公司生产的DSP数字信号处理器，其作为数字控制电路的核心器件，基本思路就是上述控制策略，即根据采样得到的微波信号的频率，选定此频率下的最优螺旋线电压V_h，然后利用采样到谐振电流过零点信息和输出电压，经过A/D转换得到数字信号，反馈信号在DSP内部进行处理，完成自激移相调制，最终输出开关管的驱动信号，达到稳定变换器输出的目的。

另外，如果数字控制电路本身就有相关的频率检测电路，该控制装置就无需再专门设置频率采集模块，如图5所示，但是，对于常规的控制芯片来说，通常情况下没有相关的频率检测电路，那么，该控制装置就需要专门设置频率采集模块，来采集输入给行波管的微波信号的频率。另外，由于微波信号是行波管输入信号，那么，可以将频率采集模块或者频率采集点设置在行波管微波信号输入端处。

因此，如图5所示，数字控制电路接收微波信号的实际频率，并根据内部存储的最优工作点数据库，即频率与最优螺旋线电压的对应关系表，得到该频率下的最优螺旋线电压，最终通过隔离驱动电路控制功率主电路，使其输出最优螺旋线电压。

本实施例给出功率主电路的具体实施方式，如图5所示，功率主电路由依次连接的全桥LLC谐振变换器、高压平面变压器和多级倍压整流电路构成。输入270V或28V的直流经过逆变、升压、整流后，输出四路高压，分别为行波管的螺旋线和三个收集极供电。

图6为功率主电路的一种电路原理图。其中，开关管选择很重要，直接影响到电路的效率。为了减小导通损耗，应该选择导通电阻小的开关管；为了减小容性损耗，应该选择寄生电容值小的器件。因此，选用了型号为IRF43N50的MOS管，该MOS管的漏源极最大电压为500V，最大漏极电流为47A，导通电阻小于78mΩ，漏源结电容为840pF。Iin和Iout为电流采样端口，与电流检测电路相连接。倍压整流电路的整流二极管选用了耐压为1200V的超快恢复二极管RHR30120，滤波电容选用了1600V/220nF的CBB电容。

另外，图7为隔离驱动电路的一种电路原理图。数字控制器TMS320F2812输出Vr1、Vr2、Vr3三路方波信号，该三路信号需要经过非门74LS14、与非门7400和锁存器74279芯片进行逻辑运算，进而生成四路方波信号LQ1、LQ2、LQ3、LQ4，这四路信号通过由电阻、电容和二极管(比如R1q、C1q和D1q)组成的死区生成电路，进而生成驱动信号传送至驱动芯片Si8235信号输入端口。该隔离驱动电路主要是为了实现自激移相调制方法。

由于微波信号的频率是实时检测的，那么，当微波信号的频率发生变化时，控制模块就会以变化后的实际频率进行控制，具体是：将获取的变化后的实际频率与微波信号频率与最优螺旋线电压的对应关系作比较，得到该频率下的最优螺旋线电压，然后控制调节行波管的螺旋线电压，使其等于得到的最优螺旋线电压。这样的话，不管微波信号的频率如何变化，均能够给行波管最优的螺旋线电压，使行波管不管在什么频率下，也不管频率如何变化，均能够以相应的最大功率输出。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于加载有螺旋线电压控制方法的控制模块。所以，本发明提供的控制装置的核心在于控制模块中的控制策略，对于控制模块的器件选型，以及功率模块和频率采集模块的电路结构，均可以根据实际要求进行选择。并且，加载有控制策略的控制模块还可以以一个独立的器件进行单独保护。

行波管螺旋线电压控制方法实施例

本实施例提供一种行波管螺旋线电压控制方法，包括以下步骤：(1)采集行波管微波信号的实际频率；(2)根据采集到的实际频率以及微波信号频率与最优的螺旋线电压的对应关系确定该实际频率对应的最优电压值；(3)控制调节行波管实际的螺旋线电压，使实际的螺旋线电压等于确定的最优螺旋线电压。其中，最优螺旋线电压为行波管在对应频率下能够以最大功率输出的行波管螺旋线电压。由于该控制方法在上述控制装置实施例中已给出了详细地说明，这里就不再赘述。

Claims (6)

1.一种行波管螺旋线电压控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）采集行波管微波信号的实际频率；

（2）根据采集到的实际频率以及事先获取的微波信号频率与最优螺旋线电压的对应关系确定该实际频率对应的最优螺旋线电压；

（3）控制调节行波管实际的螺旋线电压，使所述实际的螺旋线电压等于确定的最优螺旋线电压；

所述最优螺旋线电压为行波管在对应频率下能够以最大功率输出的行波管螺旋线电压。

2.根据权利要求1所述的行波管螺旋线电压控制方法，其特征在于，所述微波信号频率与最优螺旋线电压的对应关系为事先测定好的微波信号频率与对应的最优螺旋线电压的对应关系表。

3.根据权利要求1所述的行波管螺旋线电压控制方法，其特征在于，将行波管微波信号的频率分为N个频段，N≥2，各频段分别对应有一个最优螺旋线电压，根据采集到的行波管微波信号的实际频率所处的频段确定最优螺旋线电压。

4.一种行波管螺旋线电压控制装置，其特征在于，包括控制模块，所述控制模块执行有以下控制策略：根据行波管微波信号的实际频率以及事先获取的微波信号频率与最优螺旋线电压的对应关系确定该实际频率对应的最优螺旋线电压，然后控制调节行波管实际的螺旋线电压，使所述实际的螺旋线电压等于确定的最优螺旋线电压；所述最优螺旋线电压为行波管在对应频率下能够以最大功率输出的行波管螺旋线电压；

所述控制装置还包括用于采集行波管微波信号频率的频率采集模块以及用于输出螺旋线电压的功率模块，所述控制模块根据频率采集模块采集到的微波信号频率来控制功率模块，以输出对应的最优螺旋线电压；控制模块通过隔离驱动电路控制功率模块，使其输出最优螺旋线电压；

所述功率模块由依次连接的全桥LLC谐振变换器、变压器和整流电路构成；

功率模块中的开关管采用型号为IRF43N50的MOS管，MOS管的漏源极最大电压为500V，最大漏极电流为47A，导通电阻小于78mΩ，漏源结电容为840pF；整流电路的整流二极管采用耐压为1200V的超快恢复二极管RHR30120，滤波电容采用1600V/220nF的CBB电容。

5.根据权利要求4所述的行波管螺旋线电压控制装置，其特征在于，所述微波信号频率与最优螺旋线电压的对应关系为事先测定好的微波信号频率与对应的最优螺旋线电压的对应关系表，所述控制模块中存储有所述对应关系表。

6.根据权利要求4所述的行波管螺旋线电压控制装置，其特征在于，将行波管微波信号的频率分为N个频段，N≥2，各频段分别对应有一个最优螺旋线电压，根据采集到的行波管微波信号的实际频率所处的频段确定最优螺旋线电压。

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