CN114446739A - 一种基于灯丝注入的新型磁控管注入锁定系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于灯丝注入的新型磁控管注入锁定系统，包括激励腔、磁控管和负载；所述磁控管设置在激励腔上，并与激励腔连通，所述激励腔与负载可拆卸连接；所述磁控管上设置有与外界连通的天线；外界连通的天线将外部注入信号耦合进磁控管中，实现注入锁定；本发明中信号由单极子天线注入，经过单极子天线通过磁控管灯丝耦合进入磁控管腔中，磁控管输出信号则通过波导激励腔输出，经定向耦合器最终由负载吸收；从而实现磁控管输出信号能够被从外部信号输入处注入的信号锁定，频率在锁定带宽内完全跟随。

Description

一种基于灯丝注入的新型磁控管注入锁定系统
技术领域
本发明涉及磁控管控制技术领域，尤其是一种基于灯丝注入的新型磁控管注入锁定系统。
背景技术
磁控管是一种重要的工业微波源，它的输出特性较差，输出频带较宽且相位不可控，注入锁频技术则可以有效改善磁控管的输出特性。磁控管注入锁定技术是指将一个高稳定度的小功率外部信号注入至低稳定度大功率磁控管中，当注入信号的功率与频率满足一定条件时，磁控管的输出信号的频率与相位将跟随注入信号。该技术能够利用一个小信号实现对大功率振荡器相位、频率的控制，并且能降低磁控管输出的边带噪声。1947年，Adler对振荡器注入锁定进行了理论方面的研究，提出了注入信号需要满足的条件，即Δf≤2f0ρ/Qext，其中Δf为注入信号与磁控管信号的频率差，ρ为注入比，即注入信号与磁控管输出功率比的平方根，f0磁控管自由振荡频率，Qext为磁控管外部品质因数，这被称为Adler条件。
目前已有的技术实现方案是利用波导环行器隔离注入信号源与磁控管，通过环行器将外部信号引入磁控管输出端，外部信号经过波导后通过磁控管输出天线耦合进入磁控管腔体，达到注入锁定的目的。
1989年，William C.Brown提出了注入锁定磁控管的系统原型。其将采样而得的参考信号与磁控管输出信号的相位进行了比较，并将此比较信息输入移相器进行相位补偿以实现精准锁频。此后，众多学者对磁控管注入锁定技术开展了大量的研究。自2003年开始，日本N.Shinohara等采用环路反馈技术对2.45G磁控管进行了注入锁定的研究，采用锁相环控制电流来提高性能。2005年，T.Tahir等采用类似技术对磁控管进行了数字信号的注入锁定。2008年，Hae Jin kIm等人提出了磁控管自注入锁定技术，利用信号回注改善磁控管输出。2020年，陈潇杰提出一种新的磁控管注入锁定及功率合成系统，其利用一个魔T代替了波导环行器，减少了系统的损耗，并且通过该魔T同时实现两路磁控管的注入锁定和功率合成；
现有的技术中必须使用一个大体积的波导器件间隔离外部信号注入回路与磁控管输出回路，不管是波导环行器还是魔T，它们的体积和重量都很大，且制造成本高，这使得整个注入锁定系统庞大且昂贵。同时，环行器与魔T的引入也会造成系统的损耗提高，系统尺寸也增加不少。
发明内容
本发明目的在于：针对上述问题，提供一种基于灯丝注入的新型磁控管注入锁定系统，解决了现有技术中对于必须使用大体积的波导器件隔离外部信号注入回路与磁控管输出回路，占用空间大，制造成本高、插入损耗高的问题。
本发明是通过下述方案来实现的：
一种基于灯丝注入的新型磁控管注入锁定系统，包括激励腔、磁控管、注入天线和负载；所述磁控管设置在激励腔上，并与激励腔连通，所述激励腔与负载可拆卸连接；所述磁控管上设置有与外界连通的天线；外界连通的天线将外部注入信号耦合进磁控管中，实现注入锁定。
基于上述一种基于灯丝注入的新型磁控管注入锁定系统的结构，所述磁控管包括磁控管灯丝、灯丝腔、注入天线、磁控管腔、磁控管供电端；所述磁控管供电端和注入天线设置在灯丝腔外侧位置。
基于上述一种基于灯丝注入的新型磁控管注入锁定系统的结构，所述灯丝腔内设置有供注入天线贯穿的通孔，所述注入天线通过通孔与灯丝腔内部连通设置，所述磁控管灯丝馈电端设置在灯丝腔中
基于上述一种基于灯丝注入的新型磁控管注入锁定系统的结构，所述注入天线与同轴传输线连接。
基于上述一种基于灯丝注入的新型磁控管注入锁定系统的结构，所述磁控管供电端输入电压为4000V直流电压。
基于上述一种基于灯丝注入的新型磁控管注入锁定系统的结构，所述激励腔和负载通过法兰盘进行固定连接，所述磁控管整体上通过螺栓与激励腔连接。
基于上述一种基于灯丝注入的新型磁控管注入锁定系统的结构，所述注入天线为单极子，偶极子、环天线中的一种或多种。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明中信号由注入天线注入，经过注入天线通过磁控管灯丝耦合进入磁控管腔中，磁控管输出信号则通过波导激励腔输出，经定向耦合器最终由负载吸收；从而实现磁控管输出信号能够被从外部信号输入处注入的信号锁定，频率在锁定带宽内完全跟随。
2、通过本发明可以使得系统的波导器件数量降低，共节省了两个大功率三端口环行器、一个负载及一个波导同轴转换器，占用空间大幅度减少，整体的成本也大幅减小。
附图说明
图1是本发明整体的主视结构的示意图；
图2是本发明整体的侧视结构的示意图；
图3是本发明中注入锁定测试框图；
图4是本发明中测试过程中周期牵引频谱图；
图5是本发明中测试过程中注入锁定频谱；
附图说明：1、激励腔；2、磁控管；3、波导定向耦合器；4、负载；201、磁控管灯丝；202、单极子天线；203、磁控管灯丝腔；204、磁控管供电端；205、第一冷水供应端；206、磁控管腔；401、第二水冷供应端。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或隐含地包括一个或多个该特征。
实施例1
如图1～5所示，一种基于灯丝注入的新型磁控管注入锁定系统，包括激励腔1、磁控管2、波导定向耦合器3和负载4；所述磁控管2设置在激励腔1上，并与激励腔1连通，所述波导定向耦合器3与激励腔1可拆卸连接，所述波导定向耦合器3与负载4定向可拆卸连接；所述磁控管2上设置有与外界连通的天线；外界连通的天线将外部注入信号耦合进磁控管腔体中，实现注入锁定；
所述磁控管2包括磁控管灯丝201、灯丝腔206、单极子天线202、磁控管腔203、磁控管供电端204和第一冷水供应端205；所述磁控管供电端和单极子天线设置在灯丝腔外侧位置；
所述磁控管供电端和第一冷水供应端205设置在磁控管腔203外侧位置，磁控管供电端和第一冷水供应端205可以设置在磁控管腔203外侧的同侧位置；
所述灯丝腔206内设置有供单极子天线202贯穿的通孔，所述单极子天线202通过通孔与灯丝腔206内部连通设置，所述磁控管灯丝201设置在灯丝腔206中；
所述磁控管腔外侧设置有冷却组件，本实施例中冷却组件将磁控管腔环绕设置，通过第一水冷供应端与冷却组件进行冷却介质供给，对磁控管腔进行冷却。
在其他是实施例中冷却组件可以用冷却气体进行冷却。
所述单极子天线202经同轴传输线连接；
所述负载4上设置有第二水冷供应端401；
基于上述结构，通过激励腔1在波导中激励起基模输出能量的作用，定向耦合器用于检测磁控管2频谱输出情况，4000V直流电压输入由磁控管2电源输入处提供，之后经过灯丝腔206中，通过为了防止磁控管2射频信号泄露的电感线圈进入磁控管腔203，因此灯丝腔206内的部分可以作为一个耦合天线将外部注入信号耦合进腔体中，实现注入锁定，因此，本方案中，信号由单极子天线202注入，经过单极子天线202通过磁控管灯丝201耦合进入磁控管腔203中，磁控管2输出信号则通过波导激励腔1输出，经定向耦合器最终由负载4吸收；从而实现磁控管2输出信号能够被从外部信号输入处注入的信号锁定，频率在锁定带宽内完全跟随。
在传统注入锁定技术是由波导注入经激励腔1耦合，而本方案中通过在磁控管灯丝201腔体处打孔，将一个单极子天线202通过孔放入腔体，进而实现注入锁定。
所述波导激励腔1、定向耦合器5与负载4通过法兰盘进行固定连接，所述磁控管2整体上通过螺栓与激励腔1连接。
针对于本方案，发明人进行了验证性实验，不引入波导环行器的情况下实现了S波段磁控管2的灯丝注入锁定，最终能够达到的注入锁定效果如表1所示
Figure BDA0003413519870000061
表1
本方案测试框图如图3所示，磁控管2连接至激励腔1上，通过激励腔1在波导中激励起基模输出能量；定向耦合器用于检测磁控管2频谱输出情况；该系统使用负载4吸收微波能量；单极子天线202经同轴传输线连接并接入磁控管灯丝201腔体。波导激励腔1、定向耦合器与负载4通过法兰盘固定连接；磁控管2用螺丝固定在波导激励腔1上；信号流向如图中箭头所示。
在本次测试实验中，通过一个矢量信号源及高增益功率放大器提供注入信号；可以通过频谱仪清楚的观测到磁控管2输出信号被外部注入信号锁定，随着注入功率的增大与频率的改变，可以观测到注入锁定前的周期牵引频谱与成功锁定后的频谱如图4和图5所示；
最终测得的不同注入比下锁定带宽如上文表1所示。该结果表明本发明所提出的系统是切实可行的。
锁定带宽较窄的原因有：1)在注入频率天线不是良好匹配的；2)磁控管灯丝201腔体与磁控管腔203之间有一定的隔离，不是完全耦合进入。在未来将天线完全与灯丝完全匹配后，有望在低系统成本与更小体积的情况下实现媲美传统方案的注入锁定带宽。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于灯丝注入的新型磁控管注入锁定系统，其特征在于：包括磁控管、注入天线、激励腔和负载；所述磁控管设置在激励腔上，并与激励腔连通，所述激励腔与负载可拆卸连接；所述磁控管上设置有与外界连通的天线；外界连通的天线将外部注入信号耦合进磁控管中，实现注入锁定。
2.如权利要求1所述的一种基于灯丝注入的新型磁控管注入锁定系统，其特征在于：所述磁控管包括磁控管灯丝、灯丝腔、注入天线、磁控管腔、磁控管供电端；所述磁控管供电端和注入天线设置在灯丝腔外侧位置。
3.如权利要求2所述的一种基于灯丝注入的新型磁控管注入锁定系统，其特征在于：所述灯丝腔内设置有供注入天线贯穿的通孔，所述注入天线通过通孔与灯丝腔内部连通设置，所述磁控管灯丝馈电端设置在灯丝腔中。
4.如权利要求3所述的一种基于灯丝注入的新型磁控管注入锁定系统，其特征在于：所述注入天线与同轴传输线连接。
5.如权利要求4所述的一种基于灯丝注入的新型磁控管注入锁定系统，其特征在于：所述磁控管供电端输入电压为4000V直流电压。
6.如权利要求5所述的一种基于灯丝注入的新型磁控管注入锁定系统，其特征在于：所述激励腔和负载通过法兰盘进行固定连接，所述磁控管整体上通过螺栓与激励腔连接。
7.如权利要求1～6任意一项所述的一种基于灯丝注入的新型磁控管注入锁定系统，其特征在于：所述注入天线为单极子，偶极子、环天线中的一种或多种。
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