CN102868011A

CN102868011A - 射频宽带高功率电子管放大器同轴重叠式输出谐振腔

Info

Publication number: CN102868011A
Application number: CN2012102566378A
Authority: CN
Inventors: 魏世东; 高岷民; 余才军; 文睿
Original assignee: BEIJING CHANGFENG BROADCASTING COMMUNICATION EQUIPMENT Co Ltd
Current assignee: Beijing Guangtong Aerospace Science and Technology Co Ltd
Priority date: 2012-07-23
Filing date: 2012-07-23
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2032-07-23
Also published as: CN102868011B

Abstract

本发明公开了一种射频宽带高功率电子管放大器同轴重叠式输出谐振腔。用于为射频宽带高功率电子管放大器输出回路进行调谐调配，包括：谐振腔内导体、谐振腔中间导体、谐振腔外导体、射频输出同轴馈线、同轴薄膜隔直电容、内腔输出调谐匹配腔板、内腔输出调谐匹配腔板调整装置、外腔输出调谐匹配腔板、以及外腔输出调谐匹配腔板调整装置。借助于本发明的技术方案，突破了射频大功率输出环节的瓶颈，对24~100MHz频段范围内的兆瓦级功率调谐耦合输出得以顺利的实现，起到了决定性的作用，为核聚变大科学试验提供了必要的条件。

Description

射频宽带高功率电子管放大器同轴重叠式输出谐振腔

技术领域

本发明涉及谐振腔技术领域，特别是涉及一种射频宽带高功率电子管放大器同轴重叠式输出谐振腔。

背景技术

在现有技术中，输出谐振腔的常规技术方案为谐振腔+耦合电容的结构，由于需要的输出功率达到兆瓦级，常规技术对真空器件的性能要求很高，因此，现有技术中的输出谐振腔不能满足兆瓦级别输出功率的要求。

发明内容

本发明提供一种射频宽带高功率电子管放大器同轴重叠式输出谐振腔，以解决现有技术中的输出谐振腔不能满足兆瓦级别输出功率要求的问题。

本发明提供一种射频宽带高功率电子管放大器同轴重叠式输出谐振腔，用于为射频宽带高功率电子管放大器输出回路进行调谐调配，包括：谐振腔内导体、谐振腔中间导体、谐振腔外导体、射频输出同轴馈线、同轴薄膜隔直电容、内腔输出调谐匹配腔板、内腔输出调谐匹配腔板调整装置、外腔输出调谐匹配腔板、以及外腔输出调谐匹配腔板调整装置；谐振腔内导体、谐振腔中间导体与谐振腔外导体为同轴结构，谐振腔内导体与谐振腔中间导体之间形成内谐振腔，谐振腔中间导体与谐振腔外导体外导体之间形成外谐振腔；内谐振腔中设置有内腔输出调谐匹配腔板，内腔输出调谐匹配腔板用于根据射频功率输出频率对内谐振腔进行调谐；内腔输出调谐匹配腔板与内腔输出调谐匹配腔板调整装置相连接，用于调节内腔输出调谐匹配腔板的位置；外谐振腔中设置有外腔输出调谐匹配腔板，外腔输出调谐匹配腔板用于根据射频功率输出频率对外谐振腔进行调配；外腔输出调谐匹配腔板与外腔输出调谐匹配腔板调整装置相连接，用于调节外腔输出调谐匹配腔板的位置；谐振腔内导体通过底部的同轴薄膜隔直电容与电子管放大器的阳极相连接，用于对电子管放大器发送的射频功率进行传输；射频输出同轴馈线设置于谐振腔外导体上，用于进行射频功率输出。

优选地，谐振腔内导体为同轴管。

优选地，谐振腔中间导体为多边形围成的等效圆形框架结构。

优选地，谐振腔外导体为正方形框架结构。

优选地，外谐振腔和内谐振腔根据射频功率输出频率分别匹配1/4λ波长、1/2λ波长、或3/4λ波长短路谐振腔工作模式。

优选地，内腔输出调谐匹配腔板和外腔输出调谐匹配腔板采用气动滑板结构，内腔输出调谐匹配腔板调整装置和外腔输出调谐匹配腔板调整装置为调节杠丝。

优选地，谐振腔内导体上设置有可打开的窗口，用于安装或取出电子管放大器。

优选地，外谐振腔底部设置有一个或多个波导吸收体。

优选地，射频输出同轴馈线在24MHz至100MHz频率范围之内，进行1.5MW的射频功率输出。

本发明有益效果如下：

通过有可调节谐振内腔、外腔，射频输出采用同轴馈线方式，根据频率合理搭配内外腔输出模式（1/4、1/2或3/4波长短路谐振腔工作模式），调谐覆盖24~100MHz的工作带宽，解决了现有技术中的输出谐振腔不能满足兆瓦级别输出功率要求的问题，突破了射频大功率输出环节的瓶颈，对24~100MHz频段范围内的兆瓦级功率调谐耦合输出得以顺利的实现，起到了决定性的作用，为核聚变大科学试验提供了必要的条件。

附图说明

图1是本发明实施例的射频宽带高功率电子管放大器同轴重叠式输出谐振腔的结构示意图；

图2是本发明实施例的1.5MW同轴腔输出驱动及气动调节短路腔板三维效果的示意图；

图3是本发明实施例的1.5MW同轴腔输出驱动及气动调节短路腔板横截面的三维效果的示意图；

图4是本发明实施例的1.5MW腔体功率放大器输出回路原理示意图；

图5是本发明实施例的1.5MW腔体功率放大器频率低端输出回路等效电路示意图；

图6是本发明实施例的1.5MW腔体功率放大器频率高端输出回路等效电路示意图；

图7是本发明实施例的1.5MW双同轴短路腔网分冷扫测试曲线（49MHz）的示意图；

图8是本发明实施例的1.5MW腔放TH525电子管负载工作状态采集截（44MHz）的示意图。

具体实施方式

为了解决现有技术中的输出谐振腔不能满足兆瓦级别输出功率要求的问题，本发明提供了一种射频宽带高功率电子管放大器同轴重叠式输出谐振腔，包括有可调节谐振内腔、外腔，上述内外谐振腔内腔的内导体为同轴金属管，外导体为中间导体，其构成形状为多边型金属板围成的等效圆型；所述外腔的内导体也作为内腔的外导体，即为中间导体，谐振腔外腔的外导体为金属板组成的正方形结构；所述的内腔的内导体通过同轴薄膜隔直电容与电子管阳极相连接，用于传输高频功率，射频输出采用同轴馈线方式，本发明实施例的射频宽带高功率电子管放大器同轴重叠式输出谐振腔根据频率合理搭配内外腔输出模式（1/4、1/2或3/4波长短路谐振腔工作模式），调谐覆盖24~100MHz的工作带宽。以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

根据本发明的实施例，提供了一种射频宽带高功率电子管放大器同轴重叠式输出谐振腔，用于为射频宽带高功率电子管放大器输出回路进行调谐调配，图1是本发明实施例的射频宽带高功率电子管放大器同轴重叠式输出谐振腔的结构示意图，图2是本发明实施例的1.5MW同轴腔输出驱动及气动调节短路腔板三维效果的示意图，图3是本发明实施例的1.5MW同轴腔输出驱动及气动调节短路腔板横截面的三维效果的示意图，如图1、2、3所示，根据本发明实施例的射频宽带高功率电子管放大器同轴重叠式输出谐振腔包括：谐振腔内导体10、谐振腔中间导体11、谐振腔外导体12、射频输出同轴馈线13、同轴薄膜隔直电容14、内腔输出调谐匹配腔板15、内腔输出调谐匹配腔板调整装置16、外腔输出调谐匹配腔板17、以及外腔输出调谐匹配腔板调整装置18；以下对本发明实施例的各个模块进行详细的说明。

谐振腔内导体10、谐振腔中间导体11与谐振腔外导体12为同轴结构，谐振腔内导体10与谐振腔中间导体11之间形成内谐振腔，谐振腔中间导体11与谐振腔外导体12外导体之间形成外谐振腔；优选地，谐振腔内导体10为同轴管；谐振腔中间导体11为多边形围成的等效圆形框架结构。谐振腔外导体12为正方形框架结构。

优选地，谐振腔内导体10上设置有可打开的窗口，用于安装或取出电子管放大器。

内谐振腔中设置有内腔输出调谐匹配腔板15，内腔输出调谐匹配腔板15用于根据射频功率输出频率对内谐振腔进行调谐；具体地，外谐振腔和内谐振腔根据射频功率输出频率分别匹配1/4λ波长、1/2λ波长、或3/4λ波长短路谐振腔工作模式。

内腔输出调谐匹配腔板15与内腔输出调谐匹配腔板调整装置16相连接，用于调节内腔输出调谐匹配腔板15的位置；

外谐振腔中设置有外腔输出调谐匹配腔板17，外腔输出调谐匹配腔板17用于根据射频功率输出频率对外谐振腔进行调配；优选地，外谐振腔底部设置有一个或多个波导吸收体。

外腔输出调谐匹配腔板17与外腔输出调谐匹配腔板调整装置18相连接，用于调节外腔输出调谐匹配腔板17的位置；

优选地，在本发明实施例中，内腔输出调谐匹配腔板15和外腔输出调谐匹配腔板17采用气动滑板结构，内腔输出调谐匹配腔板调整装置16和外腔输出调谐匹配腔板调整装置18为调节杠丝。

谐振腔内导体10通过底部的同轴薄膜隔直电容14与电子管放大器的阳极相连接，用于对电子管放大器发送的射频功率进行传输；

射频输出同轴馈线13设置于谐振腔外导体12上，用于进行射频功率输出。优选地，射频输出同轴馈线13在24MHz至100MHz频率范围之内，进行1.5MW的射频功率输出。

需要说明的是，优选地，输出调谐匹配腔尺寸最外腔1m左右为正方形，由铜铝材料制成，有效调节范围需大于1m，考虑到实际底部检修窗口位置，输出馈管位置及顶部留有气动零部件安装位置。中腔采用多边形近似圆形制作。在中腔的前后应留检修窗。内腔采用圆形铜管。其它通用材质包括：铜板、镀银铜板、铍青铜弹簧触点、金属丝杠、钢铝支架。内外腔体采用丝杠、同步带形式调节，需有检测、定位及限位装置。

以下结合附图，对本发明实施例的上述技术方案进行详细说明。

本发明实施例的射频宽带高功率电子管放大器同轴重叠式输出谐振腔是为兆瓦级金属陶瓷电子四极管放大器输出回路使用设计的，用于调谐和调配，电子管放大器输出回路要求在24MHz至100MHz频率范围内，输出1.5MW射频连续波功率，没有足够功率容量的集中参数真空电容来实现功率传输耦合，所以在本发明实施例中，对输出回路进行调谐调配均需采用同轴短路腔的形式，在不同的频段通过改变短路腔的长度内腔调谐，外腔调配的方法来实现。进入频率高端，在调节过程中内外腔都要进行1/4λ、1/2λ与3/4λ电路模式转换。此外，电子管可以从腔体中间打开一个窗口安装或取出，无需移动整个腔体，并且腔体短路板采用气动滑板结构，可以方便的实现宽范围腔体调谐的需要。

从物理模型上看，本发明实施例的射频宽带高功率电子管放大器同轴重叠式输出谐振腔的内腔是一个圆形铜管，中腔考虑到加工难度和型材尺寸的限制，通过多边形结构来等效同轴圆型，因此内腔可以近似同轴腔，而外腔等效为方圆腔。图4是本发明实施例的1.5MW腔体功率放大器输出回路原理示意图，如图4所示，本发明实施例的射频宽带高功率电子管放大器同轴重叠式输出谐振腔主要由以下几个部分组成：输出调谐内腔电感L101及驱动装置M9，输出调配外腔电感L102及驱动装置M10。

经过分析，1.5MW输出腔电路模式在频率低端和频率高端所呈现的形式是不同的，图5是本发明实施例的1.5MW腔体功率放大器频率低端输出回路等效电路示意图，如图5所示，在频率低端，其匹配腔应用0~1/4λ短路线模式，成感性。

图6是本发明实施例的1.5MW腔体功率放大器频率高端输出回路等效电路示意图，如图6所示，1.5MW输出腔在频率高端，由于腔长过短，腔底部电子管、输出馈线等边缘效应的影响，腔体调整已经无法满足要求，所以其匹配腔应用1/2λ短路线模式，成容性，外腔调节位置也相应增长，同时为了克服高频段物理尺寸的限制，还需要用3/4λ感性模式来调节。等效电感模式计算如下：Co表示电子管阳极输出电容，C102表示阳极隔直电容，Roe为阳极谐振时的等效阻抗，R为负载等效阻抗。内腔与外腔特性阻抗通过物理尺寸计算为已知数据，需求出不同频率下内腔与外腔的感抗及腔体调节长度两个未知参数。通过匹配谐振条件：从虚线端向负载端的阻抗Z，其实部应等于电子管输出负载阻抗Roe，其虚部为零两个方程式，便可求解L101及L102，其计算过程如下：

L101、L102与R的并串联表达为：

Z_{L} = \frac{{X_{L 102}}^{2} \cdot R}{R^{2} + {X_{L 102}}^{2}} + j (\frac{X_{L 102} \cdot R^{2}}{R^{2} + {X_{L 102}}^{2}} + X_{L 101}) = R_{L} + {jX}_{L}

根据网络谐振条件公式，回路Q值：

Q = \sqrt{\frac{Roe}{R_{L}} - 1}

；

= > R_{L} = \frac{Roe}{Q^{2} + 1}

X_L=R_L·Q；

Xco = \frac{Roe}{Q}

；

= > Q = \frac{Roe}{Xco}

设：

q = \sqrt{\frac{R}{R_{L}} - 1}

；可得：

X_{L 102} = \frac{R}{q}

；

X_{L 101} = X_{L} - \frac{R \cdot q}{q^{2} + 1} = X_{L} - R_{L} \cdot q

表1为外腔感性(1/4λ、3/4λ)模式、以及外腔呈容性模式EXCEL计算结果。

表1

从表1中可以看出，当频率从24变化到100MHz时，外腔腔长从2.1米变化到0.3米，内腔从1.1米变化到0.2米，显然其物理尺寸覆盖全部频点无法实现。在频率高端，由于腔长过短，腔底部、电子管、输出端口等边缘效应的影响，外腔调整已经无法满足实际应用的要求，因此其输出匹配腔应用1/4λ~1/2λ短路腔模式，成容性，外腔调节位置就增长了，而且内腔调节位置也相应增长了。其转折点选择考虑在40MHz左右，此时外腔长度在0.5米左右。

通过计算，当频率从24变化到70MHz时，外腔腔长从2.1米变化到0.3米，内腔从。1.1米变化到0.2米。在实际工作应用当中，尤其在频率高端，由于腔长过短，腔底部电子管，输出馈线等边缘效应的影响，外腔调整已经无法满足实际应用的要求，因此其输出匹配腔应用1/4λ~1/2λ短路线模式，成容性，外腔调节位置就增长了，而且内腔调节位置也相应增长了。其转折点选择考虑在40~50MHz范围，此时外腔长度在1米左右。应用外腔容性，内腔应用3/4λ短路腔模式覆盖70~100MHz频段，外腔从1.8~1.3米，内腔从2.8~1.8米。

图7是本发明实施例的1.5MW双同轴短路腔网分冷扫测试曲线（49MHz）的示意图，图8是本发明实施例的1.5MW腔放TH525电子管负载工作状态采集截（44MHz）的示意图。

综上所述，本发明实施例的射频宽带高功率电子管放大器同轴重叠式输出谐振腔随频率改变所采用双气动调节模式；马达粗调预置气缸气压处于全释放状态，腔体与接触簧片完全脱离，避免长距离移动摩擦所带来的机械损伤，低功率细调工作气缸气压处于半释放状态，腔体与簧片适度轻微摩擦，可进行热态低功率调试。此外，本发明实施例的技术方案采用同轴内外重叠腔模式，外腔用于负载调配、内腔用于频率调谐，分别采用1/4λ,1/2λ及3/4λ几种模式，从而实现在24~100MHz超宽频率覆盖。此外，腔体底部配备多个波导吸收体，解决腔体高次模自激问题。本发明实施例的射频宽带高功率电子管放大器同轴重叠式输出谐振腔垂直竖腔方便实现全频带调节，能够有效实现连续波兆瓦级射频大功率电子管放大器的功率调谐、匹配和传输。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。

Claims

1.一种射频宽带高功率电子管放大器同轴重叠式输出谐振腔，用于为射频宽带高功率电子管放大器输出回路进行调谐调配，其特征在于，包括：谐振腔内导体、谐振腔中间导体、谐振腔外导体、射频输出同轴馈线、同轴薄膜隔直电容、内腔输出调谐匹配腔板、内腔输出调谐匹配腔板调整装置、外腔输出调谐匹配腔板、以及外腔输出调谐匹配腔板调整装置；

所述谐振腔内导体、所述谐振腔中间导体与所述谐振腔外导体为同轴结构，所述谐振腔内导体与所述谐振腔中间导体之间形成内谐振腔，所述谐振腔中间导体与所述谐振腔外导体外导体之间形成外谐振腔；所述内谐振腔中设置有所述内腔输出调谐匹配腔板，所述内腔输出调谐匹配腔板用于根据射频功率输出频率对所述内谐振腔进行调谐；所述内腔输出调谐匹配腔板与所述内腔输出调谐匹配腔板调整装置相连接，用于调节所述内腔输出调谐匹配腔板的位置；所述外谐振腔中设置有所述外腔输出调谐匹配腔板，所述外腔输出调谐匹配腔板用于根据射频功率输出频率对所述外谐振腔进行调配；所述外腔输出调谐匹配腔板与所述外腔输出调谐匹配腔板调整装置相连接，用于调节所述外腔输出调谐匹配腔板的位置；所述谐振腔内导体通过底部的所述同轴薄膜隔直电容与所述电子管放大器的阳极相连接，用于对所述电子管放大器发送的射频功率进行传输；所述射频输出同轴馈线设置于所述谐振腔外导体上，用于进行射频功率输出。

2.如权利要求1所述的谐振腔，其特征在于，所述谐振腔内导体为同轴管。

3.如权利要求2所述的谐振腔，其特征在于，所述谐振腔中间导体为多边形围成的等效圆形框架结构。

4.如权利要求3所述的谐振腔，其特征在于，所述谐振腔外导体为正方形框架结构。

5.如权利要求4所述的谐振腔，其特征在于，所述外谐振腔和所述内谐振腔根据射频功率输出频率分别匹配1/4λ波长、1/2λ波长、或3/4λ波长短路谐振腔工作模式。

6.如权利要求1所述的谐振腔，其特征在于，所述内腔输出调谐匹配腔板和所述外腔输出调谐匹配腔板采用气动滑板结构，所述内腔输出调谐匹配腔板调整装置和所述外腔输出调谐匹配腔板调整装置为调节杠丝。

7.如权利要求1所述的谐振腔，其特征在于，所述谐振腔内导体上设置有可打开的窗口，用于安装或取出所述电子管放大器。

8.如权利要求1所述的谐振腔，其特征在于，所述外谐振腔底部设置有一个或多个波导吸收体。

9.如权利要求1所述的谐振腔，其特征在于，所述射频输出同轴馈线在24MHz至100MHz频率范围之内，进行1.5MW的射频功率输出。