CN113485515B - 一种大功率射频功率源输出功率线性控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大功率射频功率源输出功率线性控制系统和方法，所述系统包括射频信号产生单元、射频功放模块组、功率合成单元、控制信号源、信号处理单元、功率控制单元；射频功放模块组的每个射频功放模块连接至功率合成单元中功率合成变压器的初级；功率合成单元对各个射频功放模块的功率进行合成输出；控制信号源是给定的用于控制输出功率的模拟电压信号；所述功率控制单元根据信号处理单元得到的数字信号，通过协同调整功率模块数量以及供电单元电压控制射频功放模块组的功率输出。本发明实现了模拟信号对射频功率源输出功率的线性控制，保证了输出功率的线性叠加，从根本上解决了功率调节精度下降的问题，提高了在高功率输出条件下的功率调节精度。

Description

一种大功率射频功率源输出功率线性控制系统和方法

技术领域

本发明应用于射频负离子源中性束注入器领域，具体涉及一种大功率射频功率源输出功率线性控制系统和方法。

背景技术

射频负离子源中性束注入器需要大功率射频功率源为电感耦合方式的驱动线圈提供射频功率产生等离子体。应用于该领域的射频功率源需要具有大功率输出以及高线性、高精度的特点，为了获得足够大的射频功率，现有的技术是利用功率合成变压器对多个射频功放模块进行功率叠加输出，每个射频功放模块在次级叠加的电压是固定的。通过研究发现，这样的设计使得输出功率和打开的射频功放模块数量呈现二次增长关系。因此为了实现对输出功率的线性控制，需要在拥有足够多的射频功率源功率等级的条件下，进行非线性补偿，即设置模拟控制信号相对射频功放模块数量的反函数关系，从而实现模拟控制信号和射频输出功率的线性对应。

由于射频输出功率相对射频功放模块的二次增长关系，意味着随着打开射频功放模块数量的增加，每多增加一块射频功放模块带来的输出功率增幅都会增加，这就导致随着射频功率的增加，其功率调节精度呈下降趋势。应用于中性束注入器的射频功率源通常工作在高功率条件下，同时希望能够拥有较高的功率调节精度。然而，与调节精度固定的线性增长模式相比，二次关系增长在功率较小的时候获得更高的精度，在功率较大的时候获得更低的精度。

在上面所述的功率控制方法中，对输出功率的线性控制是通过非线性补偿的形式来实现的，这样的方式没有改变功率调节的本质，没有改善输出功率调节精度下降的特性。

发明内容

为了克服现有射频功率源功率调节精度随着射频输出功率的增加呈现下降趋势的缺点，本发明提出了一种输出功率线性控制系统和方法，可以用于实现输出功率的线性叠加，以获得较高的功率调节精度，实现了控制信号对大功率射频功率源输出功率的线性控制。

本发明的技术方案为：一种大功率射频功率源输出功率线性控制系统，用于实现模拟信号对射频功率源输出功率的线性控制，所述系统包括射频信号产生单元、射频功放模块组、功率合成单元、控制信号源、信号处理单元、功率控制单元；

所述射频信号产生单元是大功率全固态射频功率源射频通路，射频通路产生的射频信号作为射频功放模块组的输入信号；

所述射频功放模块组包括多个完全相同的射频功放模块，每个射频功放模块根据其负载等效阻抗的变化产生相应的射频功率，并且能够通过控制信号决定模块的开通或者关断；每个射频功放模块连接至功率合成单元中功率合成变压器的初级；

所述功率合成单元利用功率合成变压器对各个射频功放模块的功率进行合成输出，并且所述功率合成单元配有相应的阻抗匹配和滤波电路；

所述控制信号源是给定的用于控制输出功率的模拟电压信号；

所述信号处理单元对输入的控制信号进行预处理，输出数字信号；

所述功率控制单元根据信号处理单元得到的数字信号，通过协同调整功率模块数量以及供电单元电压控制射频功放模块组的功率输出。

进一步的，所述信号处理单元包括电压转化电路、数模转换电路，其中：

所述电压转化电路将信号转化为AD转换模块所需要的电压域；

所述数模转换电路将模拟控制信号转化为数字信号。

进一步的，所述功率控制单元包括使能单元和供电单元，根据信号处理单元所得到的数字信号进行使能和电源调整，其中：

所述使能单元根据当前需要打开射频功放模块的数量控制各个射频功放模块的通断；

所述供电单元通过调节给各个射频功放模块供电的连续可调直流电源，来实现对模块输出功率的调节。

进一步的，所述使能单元采用控制器I/O拓展的方案实现，采用I2C通讯，I/O总线上挂载多个I/O扩展芯片。

进一步的，所述供电单元需要实现对射频功放模块的电源控制：根据打开模块数量，调整电源输出电压，所述电压控制采用多种方式，包括USB，CAN总线，数字I/O口，GPIB，模拟量。

根据本发明的另一方面，提出一种利用上述系统进行大功率射频功率源输出功率线性控制的方法，功率控制电路根据信号处理单元所得到的数字信号，进行射频功放模块数量的使能控制和电源电压调整，实现功率线性控制，具体包括如下步骤：

(1)确认射频功率源额定输出功率P₀和额定输出功率下打开射频功放模块数量N₀；

(2)根据P₀和N₀得到每个射频功放模块在额定功率下所产生的功率为P；

(3)根据信号处理单元所得到的数字信号得到对应的输出功率为P_m；

(4)根据公式：

计算得到应该打开的射频功放模块数为m；

(5)根据公式：

计算得到射频功放模块的供电电压U，其中n为合成变压器初级和次级匝数比，R为合成变压器等效负载；

(6)功率控制模块基于上述计算得到的功放模块数为m以及射频功放模块的供电电压U，协同调整实现功率线性控制。

进一步的，利用控制器I/O拓展的方法实现对多个射频功放模块的使能控制。

进一步的，通过设置第二射频功放模块组，拓展出更多的功率等级，从而增加功率调节连续性，减少量化失真；其中第二射频功放模块组同样由多个相同的射频功放模块组成，其单个射频功放模块的功率参数小于第一射频功放模块组，所述的功率参数为P的1/N，其中N>1。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明通过调节开通的射频功放模块数量以及模块供电电压，实现了射频功率源输出功率的线性叠加，从根本上解决了射频功率调节精度下降的问题，提高了在高功率输出条件下的功率调节精度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是为本发明在一个具体实施例中输出功率线性控制系统的结构示意图；

图2是为功率合成电路原理图；

图3是为本发明在一个具体实施例中功率控制单元率控制方法的流程示意图；

图4是为本发明在一个具体实施例中射频功放模块使能控制示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，是一种大功率射频功率源输出功率线性控制系统，所述系统包括控制信号源、信号处理单元、功率控制单元，以及射频信号产生单元、射频功放模块组、功率合成单元；

具体的，如图1所示，所述控制信号源发出的控制信号是给定的用于控制输出功率的模拟电压信号；所述信号处理单元对输入的控制信号进行预处理，输出数字信号；

所述功率控制单元根据信号处理单元得到的数字信号控制射频功放模块组的功率输出；

所述射频信号产生单元是大功率全固态射频功率源射频通路，射频通路产生的射频信号是射频功放模块组的输入信号；所述射频功放模块组由多个完全相同的射频功放模块组成，每个射频功放模块连接至功率合成单元中功率合成变压器的初级；所述功率合成单元利用功率合成变压器对各个射频功放模块的功率进行合成输出，是射频功率源的功率输出器件，并且配有相应的阻抗匹配和滤波电路。

根据本发明的一个实施例，实现利用0-10V的模拟量控制信号实现对0-100kW射频输出功率的线性控制。首先输入的模拟控制信号需要经过信号处理单元进行预处理并输出数字信号，功率控制单元会根据信号处理单元得到的数字信号调整开通的射频功放模块数量以及模块供电电压，最终由功率合成单元对各射频功放模块的输出功率进行合成并输出。

示例性的，常用的射频功放模块采用桥式放大电路，桥式电路四个桥臂的通断分别由场效应管控制，并且由射频信号控制场效应管的导通，其中对角桥臂上的场效应管受同一射频信号控制，两组射频信号相位相差180度。对角桥臂上的场效应管同时导通，且一组场效应管开通的同时另一组关闭，电路工作在全桥模式下，射频功放模块输出电压为双极性方波，其幅值为射频功放模块的供电电压V。同时，射频功放模块的输出受到使能信号的控制，高低电平对应着模块是否进行输出。

示例性的，所述信号处理单元包含电压转化电路、数模转换电路、其他功能电路。电压转化电路主要用于匹配控制信号和AD转换芯片的电压域，本方案采用电压域为5V的数模转换芯片，则需要将控制信号按照一半的比例缩小，电压转化电路输出的信号经过电压钳位电路会直接进入AD转换芯片，因此电压转化电路的输出电阻需要尽可能的小，因此建议采用运放电路去实现而不是分压电阻方案；数模转换电路将模拟信号转换为数字信号，该数字信号直接和功率线性对应；其他功能电路针对不同使用场合设计特定功能电路，比如针对高功率射频工作环境下设计的滤波电路，比如为了应对负载等效阻抗发生变化造成功率失准而设计的闭环反馈电路。

示例性的，所述功率控制单元包括射频功放模块使能单元和供电单元，用于实现射频功放模块使能和射频功放模块供电电源电压调整，通过协同调整，实现线性功率控制。其中射频功放模块使能指的是功率控制单元根据信号处理单元所得到的数字信号控制相应数量的射频功放模块工作，从而使得功率合成变压器能够输出相应的功率；射频功放模块电源调整指的是功率控制单元根据信号处理单元所得到的数字信号对射频功放模块的供电电压进行调整，通过调节电压来实现对模块输出功率的调节，从而保证输出功率的线性叠加。

一种传统的功率合成方法是利用功率合成变压器进行功率合成，其功率合成原理如图2所示，图中每个变压器的初级连接着一个射频功放模块，变压器将加载在初级上功率合成后在次级上进行输出。变压器等效负载包括变压器阻抗以及真实负载，为了实现最大功率传输，阻抗匹配电路会保证负载阻抗和变压器阻抗相等，这样会有一半的阻抗损失在合成变压器内阻上，这是不可避免的，根据图示，变压器等效负载阻抗为R。

利用功率合成变压器只能实现对射频功放模块的功率进行累加，对单个模块而言，开通射频功放模块数量不同，其输出功率也不一样，因此仅仅调节开通模块数是无法实现输出功率线性控制的。已有的方法是利用功率控制电路进行非线性补偿，这种方法在精度上还是有一定的缺陷；为了实现功率的线性控制，本发明改进的方案，采用功率控制单元进行线性输出控制，如下所述。

示例性的，图3展示了本发明功率控制单元的主要功率控制逻辑，其中额定功率P₀为功率源的设计指标，数字信号为信号处理单元根据控制信号转化得到的结果，得到当前射频功放模块数量m和模块供电电压U之后，可反过来进行额定功率下模块数量N₀的调整。根据信号处理单元所得到的数字信号可以按照以下步骤确认当前应该打开的射频功放模块数量m以及模块供电电压U：

(1)射频功率源额定输出功率为100kW，额定输出功率下打开射频功放模块数量为160；

(2)可以计算得到每个射频功放模块所产生的功率P为625W；

(3)当控制信号给出的模拟信号为5V时，信号处理单元所产生的数字信号为0x7FFF，则当前应当输出功率P_m为：

(4)则根据公式：

可以求得当前应该打开的射频功放模块数为m为80；

(5)则根据公式：

将初级线圈和次级线圈匝数比n＝15，变压器等效负载R＝20Ω带入，得到U≈294.52V；

(6)功率控制模块基于上述计算得到的功放模块数为m以及射频功放模块的供电电压U，协同调整实现功率线性控制。

对上面结果展开验证，以射频功放模块为研究对象，根据图4原理图可知其在开通模块数量为m时等效阻抗R_m为：

将n＝15，R＝20Ω，m＝80代入上式，得到R_m＝56.25Ω，将高次谐波去除只保留基波分量，可以得到当前模块所产生的功率为1250W，合成变压器上总功率为100kW，直接加载在负载阻抗的功率为50kW，即在m＝80，U＝294.52V的条件下实现了50kW的功率输出，和控制信号实现了对应。

示例性的，功率控制单元需要设计专用的功率控制器实现功率控制逻辑，控制器可以采用比较常用的ARM单片机STM32。功率控制单元需要实现对射频功放模块的使能控制：在上述实例中，需要实现对160个射频功放模块的控制，实际上可能需要控制的模块数量会更多。

图4为射频功放模块使能控制示意图,采用控制器I/O拓展的方案实现，即利用MCP23017实现I/O拓展，MCP23017采用I2C通讯，每个芯片上可以挂载16个模块，因为MCP23017的地址线为3位，所以每个I2C总线上可以搭8个MCP23017芯片，因此能够利用一个I2C总线拓展出128个I/O口，实现对128个射频功放模块的使能控制，多路I2C接口可以拓展出更多的I/O口，实现更多模块的使能控制；

另外，功率控制单元需要实现对射频功放模块的电源控制：在上述实例中，当打开模块数量为160时，电压为208.26V；当打开模块数量为1时，电压为2634.3V，因此需要输出电压在0-2634.3V连续可调，额定功率200kW的直流电源作为供电单元，电压控制可采用多种方式，常见的有USB，CAN总线，数字I/O口，GPIB，模拟量等。

示例性的，可以设置功率参数较小的第二射频功放模块组，从而拓展更多的功率等级，达到提高功率调节精度的目的。假设第一射频功放模块组单个模块的输出功率为P，根据本发明的可选实施例，所述的较小的功率参数可以是P的1/N(N>1)，本发明对此不作限定；同时，第二射频功放模块组的数量跟其功率参数选择相关，其组合输出的功率应为(N-1)P/N。在上述案例中，第一射频功放模块组单个模块的输出功率P为625W，可以设置第二射频功放模块组单个模块的输出功率为P的1/10即62.5W，则第二射频功放模块需要射频功放模块数量为9块，其组合输出功率为0.9P，以此将原本625W的功率调节步长缩小为原来的1/10。在此应用中需要为第二功率射频功放模块按照相似的逻辑设计专用的供电单元。例如，对于射频模块组所具有的160个相同的射频功放模块，每个模块输出功率为P，能调节的功率阶梯为161阶(0,P,2P,…,160P)。通过额外设置9个功率参数为P/9的模块，便可以将功率调节幅度减小由P减小为P/9，功率阶梯增加至1610阶。可大幅增加功率调节连续性，减少量化失真。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种利用大功率射频功率源输出功率线性控制系统进行大功率射频功率源输出功率线性控制的方法，所述的大功率射频功率源输出功率线性控制系统包括射频信号产生单元、射频功放模块组、功率合成单元、控制信号源、信号处理单元、功率控制单元；

所述射频信号产生单元是大功率全固态射频功率源射频通路，射频通路产生的射频信号作为射频功放模块组的输入信号；

所述射频功放模块组包括多个完全相同的射频功放模块，每个射频功放模块根据其负载等效阻抗的变化产生相应的射频功率，并且能够通过控制信号决定模块的开通或者关断；每个射频功放模块连接至功率合成单元中功率合成变压器的初级；

所述功率合成单元利用功率合成变压器对各个射频功放模块的功率进行合成输出，并且所述功率合成单元配有相应的阻抗匹配和滤波电路；

所述控制信号源是给定的用于控制输出功率的模拟电压信号；

所述信号处理单元对输入的控制信号进行预处理，输出数字信号；

所述功率控制单元根据信号处理单元得到的数字信号，通过协同调整射频功放模块数量以及供电单元电压控制射频功放模块组的功率输出；其特征是：

功率控制单元根据信号处理单元所得到的数字信号，进行射频功放模块数量的使能控制和电源电压调整，实现功率线性控制，具体包括如下步骤：

(1)确认射频功率源额定输出功率P₀和额定输出功率下打开射频功放模块数量N₀；

(2)根据P₀和N₀得到每个射频功放模块在额定功率下所产生的功率为P；

(3)根据信号处理单元所得到的数字信号得到对应的输出功率为P_m；

(4)根据公式：

计算得到应该打开的射频功放模块数为m；

(5)根据公式：

计算得到射频功放模块的供电电压U，其中n为合成变压器初级和次级匝数比，R为合成变压器等效负载；

(6)功率控制单元基于上述计算得到的功放模块数为m以及射频功放模块的供电电压U，协同调整实现功率线性控制。

2.根据权利要求1所述的大功率射频功率源输出功率线性控制的方法，其特征是：利用控制器I/O拓展的方法实现对多个射频功放模块的使能控制。

3.根据权利要求1所述的大功率射频功率源输出功率线性控制的方法，其特征是：通过设置第二射频功放模块组，拓展出更多的功率等级，从而增加功率调节连续性，减少量化失真；其中第二射频功放模块组同样由多个相同的射频功放模块组成，其单个射频功放模块的功率参数小于第一射频功放模块组的功率参数，所述的功率参数为P的1/N，其中N>1。

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