CN116014393B - 一种多路磁控管频控功率功率合成微波源系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多路磁控管频控功率功率合成微波源系统，该系统包括信号源、环行器、N个磁控管、功率合成器、耦合器和负载；信号源连接环行器的一个端口，信号源的注入信号通过环行器注入N个磁控管中的任意一个，该路磁控管的输出端与环行器相连；环行器对应磁控管的输出端与功率合成器中N个端口中的任一端口相连，将磁控管输出的功率信号导入功率合成器；剩余的N‑1个磁控管的输出端与环行器剩余的N‑1个端口相连，将输出功率导入功率合成器；功率合成器与耦合器相连，耦合器与负载相连。本发明通过调节注入频率实现负载传输功率的快速控制，解决磁控管微波源系统复杂、注入支路多、成本高、可靠性差、负载功率稳定性差与难以实现快速功率控制等问题。

Description

一种多路磁控管频控功率功率合成微波源系统

技术领域

本发明涉及微波源技术领域，尤其涉及到一种基于单注入调频快速功率控制的多路磁控管频控功率功率合成微波源系统。

背景技术

磁控管作为微波功率器件以成本低廉和高效节能等优势，垄断了工业加热，是空间太阳能电站和超导直线加速器最有竞争力的微波功率器件，然而，磁控管功率容量受限，限制了工业应用规模，导致磁控管难以满足现代工业能源互联网的需求。多路磁控管功率合成微波源是是解决上述困境的有效途径之一。

然而，磁控管的输出特性往往比较差，最主要缺陷表现为：频率、幅度和相位的随机不可控，若简单将多个独立的磁控管进行非相干功率合成，必然会导致合成效率低，难以消除各个磁控管之间互相耦合的后果，严重影响了磁控管的可靠性和稳定性，甚至将会烧毁磁控管微波源。但若对磁控管注入一个小信号，磁控管的频率和相位可以受到外加信号控制，通常称为注入锁定技术，此时多路磁控管的输出幅度相位可以完全同步，实现高效的相干功率合成。因此，基于注入锁定的多磁控管功率合成技术是目前磁控管功率合成微波源最有效的手段。

基于单注入调频快速功率控制的多路磁控管频控功率功率合成微波源系统，目前尚未见到成熟的设计方案。但国际上对磁控管微波功率合成有深入的研究，现有的注入锁定多路磁控管功率合成微波源实现的技术方案可以归纳为：在微波源系统中的各个磁控管引入一个注入支路，通过多路注入锁定实现所有磁控管的同频振荡和幅度相位控制，后经过引入附加的多路相位调节，使得各个磁控管的输出幅相达到特定的条件，从而实现高效的功率合成微波源。因此，在目前的磁控管微波源系统中，多路磁控管注入锁定功率合成源必须引入多个信号源，或者同一信号源经过固态功放放大后功分为多路注入信号，提供给多个磁控管的注入支路，以实现磁控管的频率与幅相控制；而且相位调节的方式通过移相器调节注入信号的相位实现，在通过鉴相器对各个磁控管信号采样，采样信息通过中央控制器或者相位反馈环路去控制各个磁控管输出信号的相位差，从而实现高效功率合成。从而不难发现，现有的磁控管微波源技术方案中，微波源系统复杂，注入支路多，需要多路信号源或者大功率固态功率放大器，成本高，可靠性低，且外加的调相环节如：鉴相器和移相器等电子器件在高功率微波泄露的复杂电磁环境下易受干扰，产生误码造成最终微波源输出功率不稳定。加之，基于该方案的磁控管微波源系统合成输出功率调节只能通过调节阳极电压获注入信号相位，整个系统基于反馈调节系统输出功率，难以实现负载有效功率加载的快速响应。

鉴于以上现有的磁控管微波功率合成源技术中存在的缺陷，有进一步必要探索与该改进，使其更具备实用性，符合现代工业能源互联网中的实际应用。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于单注入调频快速功率控制的多路磁控管频控功率功率合成微波源系统，且在单注入信号前提下通过调节注入频率负载实现传输功率的快速控制，以解决上述提出的磁控管微波源系统复杂、注入支路多、成本高、可靠性差、负载功率稳定性差与难以实现快速功率控制等问题。

为实现上述目的，本发明提供一种多路磁控管频控功率功率合成微波源系统，所述系统包括信号源、环行器、N个磁控管、功率合成器、耦合器和负载；其中：

所述信号源的输出端连接环行器的一个端口，所述信号源的注入信号通过环行器注入N个磁控管中的任意一个，该路磁控管的输出端与所述环行器相连；所述环行器对应磁控管的输出端与功率合成器中N个端口中的任一端口相连，将磁控管输出的功率信号导入功率合成器；

剩余的N-1个磁控管的输出端与N端口功率合成器剩余的N-1个端口相连，将磁控管输出功率导入功率合成器；所述功率合成器的输出端与所述耦合器相连，所述耦合器的另一个端口与负载相连。

可选的，所述信号源包括FPGA单元以及连接FPGA单元的晶振、FPGA单元、DAC单元和通信接口；其中：

所述晶振为FPGA单元提供时钟参考信号，所述通信接口与外部系统通信获取频率信息，对FPGA单元进行配置；

所述FPGA单元生成多个数字合成模块，根据频率信息获取频率码值，并产生相应的数据流输出到数据端口；

所述DAC单元根据数据端口的数据产生信号，并通过开关选择不同的频率数据。

可选的，多个数字合成模块并行处理。

可选的，在功率显示与测试时，在耦合器连接功率计或频谱仪进行测量，耦合器的采样信号反馈回信号源的FPGA单元。

可选的，所述负载产生发射功率回注磁控管，以使磁控管锁定。

可选的，所述负载与所述耦合器之间或所述耦合器与所述功率合成器端口之间设有负载功率反射控制器，用于控制负载反馈功率。

可选的，所述信号源与所述环行器之间设有功率放大器，对独立信号源输入的注入信号功率进行放大。

可选的，所述信号源与点频源混频，获得更高频的信号输出。

可选的，所述磁控管的微波源为S波段、C波段、X波段、K波段或Ka波段中的一种或多种。

可选的，所述功率合路器为径向波导功率合成器、H-T组合功率合成器、E-T组合合成器、弱耦合的混合环组合或弱耦合的魔T组合中的一种或多种。

本发明的有益效果：

实现对部分微波负载反射功率的回收利，在一定程度上可以提高微波功率源的效率，同时整个系统微波功率组件除注入信号环行器外，都为易于维护波导的器件，成本低、寿命长且不需要额外维护，极大降低整个微波设备的建造和运行成本，符合工业降本增效的需求。

无任何外加移相单元，通过快速调频实现负载有效功率的快速控制，功率控制的速度可达纳秒级。

本发明提供了磁控管的输出特性，建造和运行成本低，特别适合应用现代工业高功率设备。

附图说明

图1为本发明实施例中基于单注入调频快速功率控制的多路磁控管频控功率功率合成微波源系统的结构示意图。

图2为本发明实施例中高稳定信号源的一种典型实现方式结构示意图。

附图标号说明：

1-高稳定信号源；2-磁控管；3-环行器；4-N端口功率合成器；5-耦合器；6-负载；7-FPGA单元；8-第一数模转换单元；9-第二数模转换单元；10-通信接口与配置单元；11-晶振；12-调试接口；13-开关。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释发明，并不用于限定发明。

下面将结合发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。

需要说明，发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当人认为这种技术方案的结合不存在，也不在发明要求的保护范围之内。

参照图1，图1为本发明实施例方案涉及的基于单注入调频快速功率控制的多路磁控管频控功率功率合成微波源系统的示意图。

本发明提供一种基于单注入调频快速功率控制的多路磁控管频控功率功率合成微波源系统，包括高稳定信号源1，N路磁控管2，环行器3，功率合成器4，耦合器5，负载6。

高稳定信号源1输出连接环行器3的一个端口，其产生的注入信号通过环行器3注入i路磁控管2中任意一路i，i路磁控管2的输出端与所述的环行器3另一个端口相连，所述环行器3的对应的i路磁控管功率信号输出端口则与所述的N端口功率合成器4任一端口相连，将i磁控管2输出的功率信号导入N端口功率合成器任一端口，所述的环行器3同时起到防止逆向的高功率微波烧毁信号源作用。

剩余所述的除i路之外的磁控管输出端直接与N端口功率合成器的N-1个端口相连，将磁控管输出功率直接导入N端口功率合成器4中；所述的N端口功率合成器4的输出端口与所述的耦合器5相连，所述的耦合器5的另一个端口直接与负载6相连用于吸收整个微波功率源系统的功率，且耦合器5用于系统功率测试或者功率采样。

由于负载6通常都会产生一定的反射功率，这部分功率可回注磁控管磁控管锁定，加之，磁控管之间频率不完全相同，所述的注入信号在不同频率时，可引起磁控管输出相位发生变化，从而当注入频率发生变化时，实现了N路磁控管对于功率合成器端口不同的相位输入，从而实现负载的功率控制，且必然可找到一个最优的合成效率，以四路磁控管微波功率合成源为列，该合成效率可以达到90％以上。该系统极为简洁，极大降低了系统复杂程度和建造成本。

在优选的实施例中，要实现实时的功率显示与测试，可以在耦合器5端连接功率计或者频谱仪进行测量；耦合器5的采样信号可以反馈回高稳定性源中的FPGA单元，实现微波功率源的功率的闭环控制。

在优选的实施例中，磁控管微波源包括但不限于S波段、C波段、X波段、K波段、Ka波段磁控管微波源。

在优选的实施例中，可以在负载和耦合器之间，或者耦合器与功率合成器端口之间增加负载功率反射控制器，用于控制负载反射功率，增加微波功率源锁定带宽、降低注入功率。

在优选的实施例中，在高稳定性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，增加磁控管的锁频带宽与功率调节精度。

在优选的实施例中，所述的高稳定信号源主要由晶振11、FPGA单元7、第一数模转换单元8、第二数模转换单元9、通信接口与配置单元10、调试接口12构成。

由于所述的高稳定信号源必须具有相位连续和快速跳频的特性，附图2为本发明高稳定信号源的一种典型实现方式结构示意图。所述的晶振11与FPGA单元7相连，为其提供时钟参考信号；所述的通信接口与配置单元10与FPGA相连，用于和外部其它系统通信获取频率信息等参数，并根据相关参数对FPGA单元7进行配置。

配置完成后，FPGA单元内部利用自带的IP核，产生多个直接数字合成(DDS)的计算模块，各个模块间为并行处理方式，每个模块均根据其设置的频率信息，实时计算出对应的频率码值，并产生相应的数据流，各个DDS模块间通过逻辑开关13进行，将信号输出到数据端口，最终通过高速接口将数据输入到高速DAC芯片8，每一路频率数据均通过DAC单元8持续产生信号，仅仅是在端口处通过开关13来选择不同的频率数据，这就保证了每一路频率信号自身的相位连续性与快速切频，满足微波功率合成的需求。基于这种典型的实现方式，磁控管微波功率合成源的调频功率控制速率可达到500ns以下，整个系统输出的频率稳定度≥10-9，相位稳定度小于±4°。

在优选的实施例中，所述的高稳定信号源可以通过与点频源混频，以获得更高频的高稳定信号输出。

以上仅为发明的优选实施例，并非因此限制发明的专利范围，凡是利用发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种多路磁控管频控功率功率合成微波源系统，其特征在于，所述系统包括信号源、环行器、N个磁控管、功率合成器、耦合器和负载；其中：

所述信号源的输出端连接环行器的一个端口，所述信号源的注入信号通过环行器注入N个磁控管中的任意一个，该路磁控管的输出端与所述环行器相连；所述环行器对应磁控管的输出端与功率合成器中N个端口中的任一端口相连，将磁控管输出的功率信号导入功率合成器；

剩余的N-1个磁控管的输出端与N端口功率合成器剩余的N-1个端口相连，将磁控管输出功率导入功率合成器；所述功率合成器的输出端与所述耦合器相连，所述耦合器的另一个端口与负载相连。

2.如权利要求1所述的多路磁控管频控功率功率合成微波源系统，其特征在于，所述信号源包括FPGA单元以及连接FPGA单元的晶振、FPGA单元、DAC单元和通信接口；其中：

所述晶振为FPGA单元提供时钟参考信号，所述通信接口与外部系统通信获取频率信息，对FPGA单元进行配置；

所述FPGA单元生成多个数字合成模块，根据频率信息获取频率码值，并产生相应的数据流输出到数据端口；

所述DAC单元根据数据端口的数据产生信号，并通过开关选择不同的频率数据。

3.如权利要求2所述的多路磁控管频控功率功率合成微波源系统，其特征在于，多个数字合成模块并行处理。

4.如权利要求2所述的多路磁控管频控功率功率合成微波源系统，其特征在于，在功率显示与测试时，在耦合器连接功率计或频谱仪进行测量，耦合器的采样信号反馈回信号源的FPGA单元。

5.如权利要求1所述的多路磁控管频控功率功率合成微波源系统，其特征在于，所述负载产生发射功率回注磁控管，以使磁控管锁定。

6.如权利要求1所述的多路磁控管频控功率功率合成微波源系统，其特征在于，所述负载与所述耦合器之间或所述耦合器与所述功率合成器端口之间设有负载功率反射控制器，用于控制负载反馈功率。

7.如权利要求1所述的多路磁控管频控功率功率合成微波源系统，其特征在于，所述信号源与所述环行器之间设有功率放大器，对独立信号源输入的注入信号功率进行放大。

8.如权利要求1所述的多路磁控管频控功率功率合成微波源系统，其特征在于，所述信号源与点频源混频，获得更高频的信号输出。

9.如权利要求1所述的多路磁控管频控功率功率合成微波源系统，其特征在于，所述磁控管的微波源为S波段、C波段、X波段、K波段或Ka波段中的一种或多种。

10.如权利要求1所述的多路磁控管频控功率功率合成微波源系统，其特征在于，所述功率合路器为径向波导功率合成器、H-T组合功率合成器、E-T组合合成器、弱耦合的混合环组合或弱耦合的魔T组合中的一种或多种。