CN100452648C - 有源射频空腔放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种有源射频空腔放大器(ARFCA)，其包括限定输入腔和输出腔的壳体；多个安装在所述壳体上的晶体管，所述多个晶体管中的每一个包括输入导线和输出导线；设在该壳体内接近该输入腔用于将来自源的射频功率耦合进入该输入腔以产生射频场的第一射频功率耦合机构；具有多个导体的第一导电组件，每一个导体被配置成与该多个晶体管的每一个的相应输入导线接触用于将在输入腔内的射频场耦合至该多个晶体管的输入导线；具有多个导体的第二导电组件，每一个导体被配置成与该多个晶体管的相应输出导线接触用于将放大的射频功率从该多个晶体管的输出导线耦合至输出腔；及设在该壳体内接近该输出腔用于将放大的射频功率从输出腔耦合至负载的第二射频功率耦合机构。

Description

有源射频空腔放大器

本申请要求于2000年12月12日在美国专利商标局申请的序列号为60/255,276、名称为“有源射频空腔放大器”的申请的优先权，其内容据此引为参考。

技术领域

本发明涉及射频(RF)电磁(EM)场共振腔，特别涉及可实现高射频功率输出的此类空腔。

背景技术

举例来说为了在射频(RF)加速器例如线性加速器中加速带电粒子束，在空腔中产生高频电磁场是众所周知的。在线性加速器的典型结构中，射频功率由在高电压(数十千伏或更高)下操作许多真空管放大器来提供，并且该放大的射频功率通过同轴电缆或类似的方式从射频管传输到该空腔中，以在空腔内形成振荡电磁场。一种普通类型的线性放大器(linac)即漂移管线性放大器(DTL)具有一系列排列在该空腔内的漂移管，因而粒子由电场加速形成所需的粒子束。

有许多应用或者潜在的应用人们需要重量相对较轻和容易运输的射频空腔或线性放大器。这些应用除了别的以外包括环地轨道的应用、医药同位素的分散化的需求生产和高功率射频放大器。然而，必需的射频管、高电压电源和功率调整装置及配套元件的相当大的重量和尺寸对于为这些目的的射频空腔或者线性放大器的使用有显著限制。

在于1996年3月5日授权予Bernard R.Cheo的美国专利第5,497,050号中展示和描述了一种克服上面提到的射频空腔缺点的方案。美国专利第5,497,050号中的图4在本申请中复制为图1，该图表明由壁112限定的射频空腔110具有导电的内表面114。该壁112分成上部和下部圆筒部件120和122，安装在该部件之间的是固态功率放大器模块126的环形装置124。每个模块126带有一个连接到相对低功率射频驱动信号的源的输入端。正直流接线端140与上部部件120的外表面相连，相似地，负直流接线端146通过四分之一波长扼流圈接线与下部部件122相连。当用作放大器时，该射频空腔110包括波导160，或者可选择地，同轴电缆输出耦合器，以从该空腔110中获得高功率电磁波。

在操作中，施加在该放大器模块126接线端的射频驱动输入功率的频率等于该空腔110所需的共振模式的频率。在输入驱动放大器模块126的控制下感应出振幅为几千安量级的大射频电流，沿壁112的内表面114流动，因此建立所需的电磁场振幅。由于集肤效应，该电流沿空腔壁内表面流动至几微米量级的深度。通过模块的直流电源输出电流流过壁112的主体。该低阻抗装置放大器模块126可在高电流/低电压下操作，而沿空腔110的轴产生的粒子束在高电压/低电流下，代表高阻抗负载。由此，揭露的该射频空腔110可立刻作为放大器模块126的功率合成器和匹配用变压器。

由于模块126的结构，因为空腔110的壁112作为晶体管的散热片，所以在模块126内需要最小数量的外壳。该***总的冷却预算开支没有增加，同时组成晶体管射频功率***最重部分的包装的大部分被取消。此外，由于常规射频线性加速器所需的真空管不需要提供加速器空腔110，所以高压设备在环地轨道中损坏的问题得以解决。进一步地，该空腔110的电源可避免常规加速器的射频功率传输损耗，由此实现更高效率。

虽然在美国专利第5,497,050号中公开的空腔可以非常有效地用作为线性加速器，但是其缺少作为放大器有效操作的结构。首先，所公开的空腔仅显示了作为空腔输出端口的波导，而没有提及用来接收被放大的射频功率的输入端口。其次，对于任何包括共振腔的射频装置而言，为了可以适当地并在所需的频率下操作，进行频率调谐是必须的。在美国专利第5,497,050号中公开的现有技术中的射频空腔既没有说明也没有显示在作为放大器时达到调谐的任何方法。

发明内容

综上所述，本发明的目的是提供一种可方便地转换成高效高功率放大器的高功率射频空腔。

本发明的另一目的是提供一种具有分立输入和输出端口的高功率放大器。

本发明进一步的目的是提供具有频率调谐功能的高功率放大器。

按照本发明前述的目的可以通过提供有源射频空腔放大器(ARFCA)来实现。该ARFCA包括限定了两个独立可调共振腔的壳体。每个空腔通常是圆筒形并包括导电壁。在第一个空腔即输入腔内的导电结构将在输入腔内的射频场与形成在环形装置内的多个功率晶体管的输入导线相耦合。相似地，在第二个空腔即输出腔内的导电结构将在输出腔内的射频场与多个功率晶体管的输出导线相耦合。

为将来自源的低射频功率耦合进入输入腔，该输入腔设有活塞组件。为将放大的射频功率耦合出至负载，该输出腔也设有活塞组件。每一空腔内的活塞组件进一步作为可调谐该空腔以在所需的操作频率下共振的机构。

为此，本发明一方面提出一种有源射频空腔放大器，包括：

限定输入腔、输出腔及该输入和输出腔的每一个中的至少一个间隙的壳体；

多个安装在所述壳体上的晶体管，所述多个晶体管中的每一个包括相应的输入导线和相应的输出导线；

设在该壳体内接近该输入腔的第一射频功率耦合机构，用于将来自源的射频功率耦合进入该输入腔以产生射频场；

具有多个导体的第一导电组件，每一个导体被配置成与该多个晶体管的一根相应输入导线接触用于通过该输入腔的至少一个间隙将在输入腔内的射频场耦合至该多个晶体管的输入导线；

具有多个导体的第二导电组件，每一个导体被配置成与该多个晶体管的一根相应输出导线接触用于通过该输出腔的至少一个间隙从所述多个晶体管在输出腔内感应放大射频场；及

设在该壳体内接近该输出腔的第二射频功率耦合机构用于将放大的射频功率从在输出腔内放大的射频场耦合至负载，其中第一和第二射频功率耦合机构中的每一个包括含有相应被配置成可在所述壳体内移动的活塞的相应活塞组件；

其中所述第一导电组件和第二导电组件为同轴耦合电容器或集总片状电容器；

所述的第一射频功率耦合机构的所述活塞组件被配置成用于调谐所述输入腔的共振频率，及所述第二射频功率耦合机构的所述活塞组件被配置成用于调谐所述输出腔的共振频率。

本发明同时提供一种放大射频功率的方法，包括如下步骤：

将射频功率耦合至有源射频空腔放大器，该有源射频空腔放大器包括限定输入腔、输出腔及该输入和输出腔的至少一个间隙的壳体及多个安装在接近所述输入和输出腔的晶体管，所述多个晶体管中的每一个包括相应的输入导线和相应的输出导线；

调谐该输入腔的共振频率和该输出腔的共振频率；

通过该输入腔的至少一个间隙将在输入腔内的射频场耦合至该多个晶体管的相应输入导线；

通过该输出腔的至少一个间隙从该多个晶体管的相应输出导线在输出腔内感应放大射频场；及

将来自输出腔的放大的射频场的放大射频功率耦合出所述的有源射频空腔放大器。

本发明另一方面提供一种射频功率放大器，包括：

用于将射频功率耦合至有源射频空腔放大器的装置，该有源射频空腔放大器包括限定输入腔、输出腔及该输入和输出腔的至少一个间隙的壳体；

用于在该输入腔内耦合射频场的装置，其中多个晶体管被安装在接近所述输入和输出腔处，所述多个晶体管中的每一个包括相应的输入导线和相应的输出导线；及

用于通过输入腔的至少一个间隙将在输入腔内的射频场耦合至该多个晶体管的相应输入导线的装置；

用于调谐输入腔的共振频率和输出腔的共振频率的装置；及

用于通过该输出腔的至少一个间隙将在输出腔内耦合至该多个晶体管的输出导线的放大的射频场感应的装置。

本发明再一方面提供一种射频功率放大器，包括：

用于将射频功率耦合至有源射频空腔放大器的装置，该有缘射频空腔放大器包括限定输入腔、输出腔及该输入和输出腔的至少一个间隙的壳体；

用于在该输入腔内耦合射频场的装置，其中多个晶体管被安装在接近该输入和输出腔的所述至少一个间隙处，所述多个晶体管中的每一个包括相应的输入导线和相应的输出导线；及

用于调谐该输入腔共振频率和该输出腔共振频率的装置。

本发明又一方面提供一种有源射频空腔放大器，包括：

限定输入腔、输出腔及该输入和输出腔的至少一个间隙的壳体；

多个安装在所述壳体上的晶体管，所述多个晶体管中的每一个包括相应的输入导线和相应的输出导线；

设在该壳体内接近该输入腔的第一射频功率耦合机构，用于将射频功率从源耦合进入该输入腔以产生射频场；

具有多个导体的第一导电组件，每一个导体被配置成与该多个晶体管的一根相应输入导线接触用于通过该输入腔的至少一个间隙将在输入腔内的射频场耦合至该多个晶体管的该相应输入导线；

具有多个导体的第二导电组件，每一个导体被配置成与该多个晶体管的一根相应输出导线接触用于通过该输出腔的至少一个间隙将在输出腔内的射频场从所述多个晶体管处感应；及

设在该壳体内接近该输出腔的第二射频功率耦合机构，用于将来自输出腔内的放大的射频场的放大的射频功率耦合至负载，其中所述壳体是圆筒形，该输入腔的至少一个间隙是环绕所述输入腔的环形腔及该输出腔的至少一个间隙是环绕所述输出腔的环形腔，及所述环形腔是被配置成起射频扼流圈的作用以阻止该放大的射频功率被短路；

其中所述第一导电组件和第二导电组件为同轴耦合电容器或集总片状电容器。

本发明的ARFCA是重量相对较低的装置，为射频功率晶体管使用低压直流电源。该输入腔作为大量的射频功率晶体管输入端的功率分配器和匹配用变压器。该输出腔作为从相同的晶体管输出端的功率合成器和匹配用变压器。该空腔的壁可作为散热片。实现高的组合效率。

根据本发明的一方面，在ARFCA内的晶体管集合(thecombination of transistors)由一步实现，因此，和用于组合很多装置的常规层叠多阶段方法中一样没有级损耗和相位误差积聚。此外，每个空腔与常规方法中使用的带状结构相比固有损耗更小，因此，该ARFCA的效率与增益与用单个晶体管时的接近。

根据本发明的另一方面，该ARFCA不需要真空也不包括复杂的电极、电路或窗口，因此该结构的各种元件可由标准的计算机数字控制(CNC)机器成批生产。此外，因为集合和阻抗匹配可由该空腔实现，所以该ARFCA在其射频电路中不需要其他的分立无源电子元件，因此增强了该ARFCA的可靠性。

附图说明

本发明的上述的和其他的目的、特点和优点可从下面的详细描述并结合附图将变得清楚，其中：

图1是现有技术射频空腔的透视图；

图2是本发明的有源射频空腔放大器(ARFCA)的局部剖开透视图；

图3是用在图2的ARFCA中的普通晶体管外壳的俯视平面图；

图4A是沿图2的4A-4A线看过去的ARFCA的局部示意图；

图4B是图4A的局部放大图，表明该ARFCA的输入/输出腔的导电杆与晶体管的耦合；及

图4C是本发明上部连接机构的正视侧视图。

具体实施方式

下文将参考附图描述本发明的优选实施例。在下面的描述中，由于对公知的功能或者结构不必要的细述会使本发明不分明，所以对其将不再详细描述。

参考图2，图4a、图4b和图4c，本发明的有源射频空腔放大器(ARFCA)由参考数字10标明。该ARFCA包括两个独立可调的共振腔12、14。该空腔12、14通过其上设有多个晶体管18的中心盘16紧密配合。该空腔12与多个晶体管18的输入导线耦合，由此被称为输入腔。相似地，该空腔14与多个晶体管18的输出导线耦合，从而被称为输出腔。

如图2所示，该两个空腔12、14除了由于晶体管输入和输出所需的阻抗匹配不同而一般需要不同的匹配外，为在其内保持共振射频场，该两个空腔12、14基本上对称性地完全相同。为了简单起见，由于该输出腔14的结构与该输入腔12的结构相似，所以下文将仅详细描述该输入腔12的结构。

第一空腔12由包括开口端22、闭口端24和中心盘16的一般地为圆筒形的壳体20限定。该空腔12由该圆筒壳体20内的第一圆柱壁26所限制。由该壳体20限定的环形腔30所形成的第二圆柱壁28环绕该壁26作为射频扼流圈以阻止晶体管18的射频输入在操作中短路。可以预料到对于第二圆柱壁28而言其他类型的结构也可被用作射频扼流圈，例如让第二圆柱壁28从该壁26向外延伸而不是弯曲到垂直。

该壁28的下部包括用来将该壳体20的开口端22与该中心盘16相连的环形边缘32。该圆筒壳体20由导电材料构成，如铜或铝，或者任何其他本领域公知的导电或超导材料。

该壳体20的闭口端24包括其内可放置活塞组件36的孔34。该活塞组件36包括导电环形圆盘38、绝缘圆盘40及导电圆柱活塞42，它们组合起来作为耦合电容器。参考图4A，其表明该活塞组件36示意性的结构图，该活塞组件36还包括由通道44和包括匹配部件48的中心导体46形成的同轴部分41，用来将射频功率，例如低输入射频功率和放大的输入射频功率，输入到有源射频放大器10和/或自有源射频放大器10输出。即，第一空腔或输入腔12的构件38、40、42和46将来自外源的低射频功率耦合到第一空腔12，并且第二空腔或输出腔14的相同构件将放大的射频功率耦合出至负载。

回到图2，每个活塞组件36可在各自的孔34内活动。该活塞组件36可手动或通过螺纹螺杆移动，直到达到所需的共振频率。可以预料到，移动进入每个活塞组件36的孔34的量可由所需的操作频率预先大约确定。

该中心盘16通常是环形并包括用以限定第一空腔12边界的上部环形盘50和用以限定第二空腔14边界的下部环形盘52。该上部和下部环形盘50、52通过环形构件54相连，在环形构件54上设有多个晶体管18成为环形阵列。

图3是优选用于多个晶体管18的普通晶体管外壳的俯视平面图。下表列出，对于特定的晶体管类型，其两个导线18x和18y及其安装凸缘18F，它们是电学公知的输入和输出，并且也将在内部由晶体管18产生的热传导至作为散热片的空腔12、14的壁(图2)。

	双极结型晶体管(BJT)：公用基极	双极结型晶体管(BJT)：公用发射极	场效应晶体管(FET)
				18x	集电极	集电极	漏极
18y	发射极	基极	闸极
				18F	基极	发射极	源极

在操作中，直流功率通过正规导线60a经由导电杆62a(图2)施加在晶体管导线18x和18y上(图2和图4C)。因为该直流功率被施加在多个晶体管18的每一个上，所以在每个晶体管18的漏极或集电极电源电路中都使用元件如铁氧体磁珠(图未示)以确保稳定操作是可能的。

施加在每个输入导线18x(图4C)的偏压可以独立调节以提供一种处理由在使用的晶体管间缺少一致性引起的问题的方法。如图2所示，该壳体20和该中心盘16处于直流接地电势以确保ARFCA10的操作安全。另外图4C表示通过带有螺杆64a、弹簧66a和绝缘部件68a的上部连接机构55a(图2)对杆62a施加压力以在导电杆62a和相应的晶体管输入导线18x间保持接触的方式。应该注意到，对于多个晶体管18中的每一个都有一个上部连接机构55a(图2)。如果需要，也可通过将杆62a、62b焊接到晶体管导线18x、18y上以保持接触。

相似地，通过和上部连接机构55a带有相似结构的下部连接机构55b可对导电杆62b施加压力，即下部连接机构55b包括导电杆62b，导电杆62b通过同轴耦合电容器与相应的晶体管输出导线18y相接触，同轴耦合电容器由导电杆62b、绝缘套70b及外部导体72b通过间隙“g”在输出腔14的基极形成以将晶体管18的每一个的输出射频功率经由导电杆62b耦合至输出腔14。因为多个晶体管18中的每一个都放大了输出射频功率，所以从所有的晶体管集合的输出射频功率比从源的输入射频功率大。应该注意到，多个晶体管18中的每一个都有一个下部连接机构55b。

换句话说，在每一个晶体管18中，该输入腔12的构件62a、70a和72a或者说同轴耦合电容器将在输入腔12中的射频场耦合至晶体管的输入导线18x，及该输出腔14的构件62b、70b和72b或者说同轴耦合电容器将在输出腔14中的射频场耦合至晶体管的输出导线18y。在低频率的应用中，集总片状电容器(lumped chip capacitor)可用来代替同轴耦合电容器。处于所需的空腔模式如TM₀₁₀模式的射频场，通过该输出腔14的活塞组件36的耦合电容器的元件，从空腔14耦合出至负载。这些元件包括导电环形圆盘38、绝缘圆盘40及导电圆筒形活塞42的底面。

如上所述，每一个活塞组件36通过改变该活塞42进入相应空腔的穿透深度而起到调谐相应空腔的共振频率的作用。该深度可由手动或通过装备自动控制机构而自动改变。然后，由活塞组件36的通道44形成的同轴部分41和中心导体46包括匹配部分48将放大的射频功率经标准同轴连接器耦合出。

在输入侧射频功率的流动方向与输出侧的流动方向相反：从设在活塞组件36上的输入连接器通过同轴通道和耦合电容器，该射频功率通过在该输入腔12基极的间隙“g”和同轴耦合电容器的元件62a、70a及72a到达该晶体管18的输入导线18x。该输出腔14的元件与该输入腔12的元件相应在结构上相似并实现相似的目的。

应该理解，ARFCA的导电元件大部分是处于彼此良好的热接触，因此，在热学上成为一单元体。为有效强迫通风散热可以安装冷却片。可选择地，通过在中心盘或在导电壳体的其它地方制造冷却剂通道可以很容易地实现液体散热。

尽管本发明已参考某些优选实施例进行了展示和描述，但是本领域的技术人员应该理解，在形式上和细节上可以做出名种变化而不会脱离所附的权利要求书限定的本发明的精神和范围。

Claims (11)

1、有源射频空腔放大器，包括：

限定输入腔、输出腔及该输入和输出腔的每一个中的至少一个间隙的壳体；

多个安装在所述壳体上的晶体管，所述多个晶体管中的每一个包括相应的输入导线和相应的输出导线；

设在该壳体内接近该输入腔的第一射频功率耦合机构，用于将来自源的射频功率耦合进入该输入腔以产生射频场；

具有多个导体的第一导电组件，每一个导体被配置成与该多个晶体管的一根相应输入导线接触用于通过该输入腔的至少一个间隙将在输入腔内的射频场耦合至该多个晶体管的输入导线；

具有多个导体的第二导电组件，每一个导体被配置成与该多个晶体管的一根相应输出导线接触用于通过该输出腔的至少一个间隙从所述多个晶体管在输出腔内感应放大射频场；及

设在该壳体内接近该输出腔的第二射频功率耦合机构用于将放大的射频功率从在输出腔内放大的射频场耦合至负载，其中第一和第二射频功率耦合机构中的每一个包括含有相应被配置成可在所述壳体内移动的活塞的相应活塞组件；

其中所述第一导电组件和第二导电组件为同轴耦合电容器或集总片状电容器；

所述的第一射频功率耦合机构的所述活塞组件被配置成用于调谐所述输入腔的共振频率，及所述第二射频功率耦合机构的所述活塞组件被配置成用于调谐所述输出腔的共振频率。

2、如权利要求1所述的有源射频空腔放大器，其特征在于，所述的壳体是圆筒形的，该输入腔的至少一个间隙是环绕所述输入腔的环形腔及该输出腔的至少一个间隙是环绕所述输出腔的环形腔。

3、如权利要求2所述的有源射频空腔放大器，其特征在于，所述的环形腔被配置成起射频扼流圈的作用以阻止该放大的射频功率被短路。

4、如权利要求1所述的有源射频空腔放大器，其特征在于，所述的壳体由导电材料构成。

5、如权利要求1所述的有源射频空腔放大器，其特征在于，所述的相应活塞组件包括：

耦合电容器，其包括导电圆柱活塞，并且至少一个绝缘圆盘与所述导电圆柱活塞连接；及

同轴部分，其具有包括匹配部件的中心导体。

6、一种放大射频功率的方法，包括如下步骤：

将射频功率耦合至有源射频空腔放大器，该有源射频空腔放大器包括限定输入腔、输出腔及该输入和输出腔的至少一个间隙的壳体及多个安装在接近所述输入和输出腔的晶体管，所述多个晶体管中的每一个包括相应的输入导线和相应的输出导线；

调谐该输入腔的共振频率和该输出腔的共振频率；

通过该输入腔的至少一个间隙将在输入腔内的射频场耦合至该多个晶体管的相应输入导线；

通过该输出腔的至少一个间隙从该多个晶体管的相应输出导线在输出腔内感应放大射频场；及

将来自输出腔的放大的射频场的放大射频功率耦合出所述的有源射频空腔放大器。

7、一种射频功率放大器，包括：

用于将射频功率耦合至有源射频空腔放大器的装置，该有源射频空腔放大器包括限定输入腔、输出腔及该输入和输出腔的至少一个间隙的壳体；

用于在该输入腔内耦合射频场的装置，其中多个晶体管被安装在接近所述输入和输出腔处，所述多个晶体管中的每一个包括相应的输入导线和相应的输出导线；及

用于通过输入腔的至少一个间隙将在输入腔内的射频场耦合至该多个晶体管的相应输入导线的装置；

用于调谐输入腔的共振频率和输出腔的共振频率的装置；及

用于通过该输出腔的至少一个间隙将在输出腔内耦合至该多个晶体管的输出导线的放大的射频场感应的装置。

8、如权利要求7所述的射频功率放大器，进一步包括：

用于将来自输出腔内放大的射频场的放大的射频功率耦合的装置。

9、一种射频功率放大器，包括：

用于将射频功率耦合至有源射频空腔放大器的装置，该有源射频空腔放大器包括限定输入腔、输出腔及该输入和输出腔的至少一个间隙的壳体；

用于在该输入腔内耦合射频场的装置，其中多个晶体管被安装在接近该输入和输出腔的所述至少一个间隙处，所述多个晶体管中的每一个包括相应的输入导线和相应的输出导线；及

用于调谐该输入腔共振频率和该输出腔共振频率的装置。

10、如权利要求9所述的射频功率放大器，进一步包括：

用于通过所述输入腔的至少一个间隙将在输入腔内的射频场耦合至该多个晶体管的相应输入导线及通过该输出腔的至少一个间隙将在输出腔内的放大的射频场耦合至该多个晶体管的输出导线的装置；及

用于从输出腔内的放大的射频场感应放大的射频功率的装置。

11、一种有源射频空腔放大器，包括：

限定输入腔、输出腔及该输入和输出腔的至少一个间隙的壳体；

多个安装在所述壳体上的晶体管，所述多个晶体管中的每一个包括相应的输入导线和相应的输出导线；

设在该壳体内接近该输入腔的第一射频功率耦合机构，用于将射频功率从源耦合进入该输入腔以产生射频场；

具有多个导体的第一导电组件，每一个导体被配置成与该多个晶体管的一根相应输入导线接触用于通过该输入腔的至少一个间隙将在输入腔内的射频场耦合至该多个晶体管的该相应输入导线；

具有多个导体的第二导电组件，每一个导体被配置成与该多个晶体管的一根相应输出导线接触用于通过该输出腔的至少一个间隙将在输出腔内的射频场从所述多个晶体管处感应；及

设在该壳体内接近该输出腔的第二射频功率耦合机构，用于将来自输出腔内的放大的射频场的放大的射频功率耦合至负载，其中所述壳体是圆筒形，该输入腔的至少一个间隙是环绕所述输入腔的环形腔及该输出腔的至少一个间隙是环绕所述输出腔的环形腔，及所述环形腔是被配置成起射频扼流圈的作用以阻止该放大的射频功率被短路；

其中所述第一导电组件和第二导电组件为同轴耦合电容器或集总片状电容器。

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