CN107294503A - 一种能实时监测并自动补偿的阻抗自动调谐*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及宽带高功率射频放大器阻抗自动调谐技术领域,尤指一种可以应用在宽带高频功率源通过实时监测前级放大器输出阻抗的失谐角来控制调整匹配网络的参数实现自动补偿功能,用以解决四极管前级阻抗失谐的一种能实时监测并自动补偿的阻抗自动调谐***;主要包括通过阻抗谐振匹配网络连接的控制单元和高频功率源,本发明主要是一项自动跟踪阻抗调谐技术,更具体的是可以通过实时监测前级放大器输出阻抗的失谐角来控制调整匹配网络的参数,自动补偿四极管栅极电容Ckg1在宽频带内造成的阻抗变化,使得在整个宽频带工作范围内能够始终保证四极管栅极输入阻抗处于谐振匹配状态,从而可以大大提高大功率四极管放大器的工作效率和整机性能。
Description
技术领域
本发明涉及宽带高功率射频放大器阻抗自动调谐技术领域,尤指一种可以应用在宽带高频功率源通过实时监测前级放大器输出阻抗的失谐角来控制调整匹配网络的参数实现自动补偿功能,用以解决四极管前级阻抗失谐的一种能实时监测并自动补偿的阻抗自动调谐***。
背景技术
在某些粒子加速器高频功率源和微波通讯的大功率短波发射机领域,或者在基础科学实验研究领域的质子和重离子加速器,以及空间辐射效应与加速器驱动洁净核能装置中要求高频大功率电子四极管放大器在一个较宽的频率范围内扫频工作,例如用于质子与重离子同步加速器和医用加速器治癌装置等的铁氧体加载高频加速腔就需要高频功率源要具有2倍频以上带宽的工作能力,为了保证高频功率源在宽频带内能够正常可靠的工作,功率放大器各级的阻抗匹配非常重要,由于四极管栅阴电容Ckg1的存在,扫频工作时栅极输入阻抗会随频率而改变,造成四极管前级阻抗失谐,导致前级放大器的反射功率增加,影响功率源的整机功率输出,致使功率源的整体性能变差;为了补偿由此造成的失谐,通常采用的技术是在前级放大器与四极管放大器之间加装一个无源的阻抗匹配网络,这对于窄带工作频率的功率放大器来说是可行的,但由于受元器件带宽限制,不可调节的阻抗匹配网络不能满足宽带匹配的要求,因此不适用于在宽频带下扫频工作的放大器。虽然在中国专利号为201410300942.1,专利名称为一种宽带高功率射频发射机调机方法中公开了一种宽带高功率射频发射机调机方法,其中涉及一种自动调谐的技术,即在宽带高功率射频发射机短脉冲运行时,利用数据采集***监控发射机各级电子管放大器工作状态,通过分析采集到的电子管各参数来反馈调整发射机的各调谐元件,使发射机电子管放大器达到最佳的工作状态和最大功率输出,该方法虽然能够以数据图表的形式科学准确地反映发射机电子管放大器的工作状态,但是不能进行实时监测和阻抗自动调谐。
发明内容
为了克服现有技术中的不足,本发明旨在提供一种应用在粒子加速器高频功率源和微波通讯的大功率短波发射机领域,或者在基础科学实验研究领域的质子和重离子加速器,以及空间辐射效应与加速器驱动洁净核能装置中用以实时监测前级放大器输出阻抗的失谐角来控制调整匹配网络的参数进行自动补偿用以解决四极管前级阻抗失谐的一种能实时监测并自动补偿的阻抗自动调谐***。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:一种能实时监测并自动补偿的阻抗自动调谐***,所述的阻抗自动调谐***主要包括通过阻抗谐振匹配网络连接的控制单元和高频功率源,其中控制单元连接在阻抗谐振匹配网络前端,高频功率源连接在阻抗谐振匹配网络后端。
所述的高频功率源主要包括前级放大器、四极管放大器和高频负载,前级放大器经过阻抗谐振匹配网络与四极管放大器相连,为四极管提供输入信号驱动,四极管的栅阴电容Ckg1与栅极输入阻抗连接构成四极管放大器的输入阻抗,与阻抗谐振匹配网络连接,高频负载与四极管的阳极输出相连。
所述的阻抗谐振匹配网络是由铁氧体环绕制成的可调节电感网络,包括四个铁氧体环绕制成的电感,所述的铁氧体环上绕有绕组,且四个铁氧体环共用一个120T的偏磁线圈,通过改变铁氧体环上偏磁线圈中的电流,就可以调节铁氧体环内的偏置磁场强度,使铁氧体环的磁导率发生改变,致使铁氧体环与绕组构成的电感值发生改变,因此可以通过控制偏磁电流来调节匹配网络的电感值,对由于频率变化造成的栅极输入阻抗的失谐进行中和与补偿,进而实现栅极阻抗的自动调谐匹配。
所述的控制单元主要包括鉴相器、控制器和偏磁电源,所述的鉴相器用以对高频功率源前级放大器输出阻抗的相位差进行检测,鉴相器位于控制器前端,控制器的输出与偏磁电源连接,所述的控制器功能由FPGA编程实现,为提高控制信号远程传输的抗干扰能力,控制器与偏磁电源之间采用光缆数字通讯;偏磁电源与阻抗匹配网络的励磁线圈相接,通过比较前级放大器输入与输出信号的相位差去控制偏磁电流源的输出电流实现对匹配网络中的电感进行调节,实现对相位差进行补偿。
所述的铁氧体环每两个为一对,这两个铁氧体环上的线圈采用反向并联绕制,使偏磁电流在电感线圈中产生的感应电压互相抵消。
每个铁氧体环上绕有6圈绕组,绕组的圈数取决于匹配网络对电感量的需求。
所述的每个铁氧体环上绕有匝数相同的绕组。
所述的偏磁电源的输出电流由网络的调谐范围决定,范围在0~10A之间。
所述的阻抗谐振匹配网络具有阻抗变换功能,将前级放大器的大值输出阻抗变换为小值的栅极输入阻抗,保证两级放大器之间的阻抗匹配。
所述的阻抗谐振匹配网络具有4:1的阻抗变换功能,将前级放大器的800Ω输出阻抗变换为200Ω栅极输入阻抗。
所述的控制器为PID控制器。
所述的阻抗自动调谐***可以通过实时监测前级放大器输出阻抗的失谐角来控制调整匹配网络的参数,自动补偿四极管栅极电容Ckg1在宽频带内造成的阻抗变化。
本发明的有益效果体现在:本发明主要是一项自动跟踪阻抗调谐技术,更具体的是可以通过实时监测前级放大器输出阻抗的失谐角来控制调整匹配网络的参数,自动补偿四极管栅极电容Ckg1在宽频带内造成的阻抗变化,使得在整个宽频带工作范围内能够始终保证四极管栅极输入阻抗处于谐振匹配状态,从而可以大大提高大功率四极管放大器的工作效率和整机性能。
附图说明
图1是本发明的逻辑连接示意图。
图2是本发明中阻抗谐振匹配网络的示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式:
如图1-2所示,一种能实时监测并自动补偿的阻抗自动调谐***,所述的阻抗自动调谐***主要包括通过阻抗谐振匹配网络连接的控制单元和高频功率源,其中控制单元连接在阻抗谐振匹配网络前端,高频功率源连接在阻抗谐振匹配网络后端。
所述的高频功率源主要包括前级放大器、四极管放大器和高频负载,前级放大器经过阻抗谐振匹配网络与四极管放大器相连,为四极管提供输入信号驱动,四极管的栅阴电容Ckg1与栅极输入阻抗连接构成四极管放大器的输入阻抗,与阻抗谐振匹配网络连接,高频负载与四极管的阳极输出相连。
所述的阻抗谐振匹配网络是由铁氧体环绕制成的可调节电感网络,阻抗谐振匹配网络具有阻抗变换功能,将前级放大器的大值输出阻抗变换为小值的栅极输入阻抗,保证两级放大器之间的阻抗匹配;阻抗谐振匹配网络具有4:1的阻抗变换功能,将前级放大器的800Ω输出阻抗变换为200Ω栅极输入阻抗。
包括四个铁氧体环绕制成的电感,所述的每个铁氧体环上绕有匝数相同的绕组,且四个铁氧体环共用一个120T的偏磁线圈,更具体的是每个铁氧体环上绕有6圈绕组,绕组的圈数取决于匹配网络对电感量的需求;所述的铁氧体环每两个为一对,这两个铁氧体环上的线圈采用反向并联绕制,使偏磁电流在电感线圈中产生的感应电压互相抵消;通过改变铁氧体环上偏磁线圈中的电流,就可以调节铁氧体环内的偏置磁场强度,使铁氧体环的磁导率发生改变,致使铁氧体环与绕组构成的电感值发生改变,因此可以通过控制偏磁电流来调节匹配网络的电感值,对由于频率变化造成的栅极输入阻抗的失谐进行中和与补偿,进而实现栅极阻抗的自动调谐匹配。
所述的控制单元主要包括鉴相器、控制器和偏磁电源,所述的鉴相器用以对高频功率源前级放大器输出阻抗的相位差进行检测,鉴相器位于控制器前端,控制器为PID控制器,控制器的输出与偏磁电源连接,偏磁电源的输出电流由网络的调谐范围决定,范围在0~10A之间;所述的控制器功能由FPGA编程实现,为提高控制信号远程传输的抗干扰能力,控制器与偏磁电源之间采用光缆数字通讯;偏磁电源与阻抗匹配网络的励磁线圈相接,通过比较前级放大器输入与输出信号的相位差去控制偏磁电流源的输出电流实现对匹配网络中的电感进行调节,实现对相位差进行补偿;阻抗自动调谐***可以通过实时监测前级放大器输出阻抗的失谐角来控制调整匹配网络的参数,自动补偿四极管栅极电容Ckg1在宽频带内造成的阻抗变化。
本发明可以通过实时监测前级放大器输出阻抗的失谐角来控制调整匹配网络的参数,自动补偿四极管栅极电容Ckg1在宽频带内造成的阻抗变化,具体的工作原理如下:
首先,本发明中阻抗谐振匹配网络采用的是由铁氧体环绕制的可调节电感网络,通过改变铁氧体环上偏磁线圈中的电流,调节铁氧体环内的偏置磁场强度,使铁氧体环的磁导率发生改变,致使铁氧体环与绕组构成的电感值发生改变,因此可以通过控制偏磁电流来调节匹配网络的电感值,对由于频率变化造成的栅极输入阻抗的失谐进行中和与补偿,进而实现栅极阻抗的自动调谐匹配。
同时,阻抗谐振匹配网络由两对共4个铁氧体环绕制的电感组成,见图2,每个铁氧体环上绕有6圈绕组,绕组的圈数取决于匹配网络对电感量的需求,4个铁氧体环共用一个偏磁线圈(120T),偏磁电源的输出电流由网络的调谐范围决定,输出电流的范围为0~10A,为抵消偏置磁场对射频回路的影响,每两个铁氧体环为一对,这两个环上的线圈采用反向并联绕制,使偏磁电流在电感线圈中产生的感应电压互相抵消,不对高频电路造成影响。
为了使前级放大器与末级四极管放大器之间的阻抗匹配,阻抗谐振匹配网络除具有调谐功能以外还具有4:1的阻抗变换功能,它可将前级放大器的800Ω输出阻抗变换为200Ω的栅极输入阻抗,保证两级放大器之间的阻抗匹配。由于前级放大器的输出负载阻抗主要是由四极管放大器的输入电阻、四极管栅阴电容Ckg1和阻抗谐振匹配网络的阻抗构成的,当保证前级放大器的输入与输出电压同相位,即相位差趋于零时,前级放大器的输出阻抗为纯阻,这时电子管的栅极就处于最佳的调谐状态。
一旦由于频率变化或其它情况导致四极管栅阴电容Ckg1的输入阻抗发生变化,造成电子管的栅极阻抗失谐时,在前级放大器的输入与输出电压之间将产生一个相位差,由鉴相器检出前级放大器输入与输出信号的相位差,经PID控制器的处理后去控制偏磁电流源的输出电流,控制器将根据鉴相器检出的这一相位差信号去控制铁氧体环的偏磁电流,由于偏磁电源与阻抗谐振匹配网络的励磁线圈连接,线圈中电流的变化将使阻抗谐振匹配网络中的电感发生改变,从而对阻抗中的容抗分量进行补偿,促使相位差趋于零,保证四级管栅极输入阻抗始终处于谐振状态,即纯阻状态,本发明中的控制器的功能由FPGA编程实现,为提高控制信号远程传输的抗干扰能力,控制器与偏磁电源之间采用光缆数字通讯;从而可以大大提高大功率四极管放大器的工作效率和整机性能。
综上,本发明作为一项自动跟踪阻抗调谐技术,更具体的是可以通过实时监测前级放大器输出阻抗的失谐角来控制调整匹配网络的参数,自动补偿四极管栅极电容Ckg1在宽频带内造成的阻抗变化,使得在整个宽频带工作范围内能够始终保证四极管放大器输入阻抗处于谐振匹配状态,从而可以大大提高大功率四极管放大器的工作效率和整机性能。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明的技术范围作任何限制,本行业的技术人员,在本技术方案的启迪下,可以做出一些变形与修改,凡是依据本发明的技术实质对以上的实施例所作的任何修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种能实时监测并自动补偿的阻抗自动调谐***,其特征在于:所述的阻抗自动调谐***主要包括通过阻抗谐振匹配网络连接的控制单元和高频功率源,其中控制单元连接在阻抗谐振匹配网络前端,高频功率源连接在阻抗谐振匹配网络后端;
所述的高频功率源主要包括前级放大器、四极管放大器和高频负载,前级放大器经过阻抗谐振匹配网络与四极管放大器相连,为四极管提供输入信号驱动,四极管的栅阴电容Ckg1与栅极输入阻抗连接构成四极管放大器的输入阻抗,与阻抗谐振匹配网络连接,高频负载与四极管的阳极输出相连;
所述的阻抗谐振匹配网络是由铁氧体环绕制成的可调节电感网络,包括四个铁氧体环绕制成的电感,所述的铁氧体环上绕有绕组,且四个铁氧体环共用一个120T的偏磁线圈,通过改变铁氧体环上偏磁线圈中的电流,就可以调节铁氧体环内的偏置磁场强度,使铁氧体环的磁导率发生改变,致使铁氧体环与绕组构成的电感值发生改变,因此可以通过控制偏磁电流来调节匹配网络的电感值,对由于频率变化造成的栅极输入阻抗的失谐进行中和与补偿,进而实现栅极阻抗的自动调谐匹配;
所述的控制单元主要包括鉴相器、控制器和偏磁电源,所述的鉴相器用以对高频功率源前级放大器输出阻抗的相位差进行检测,鉴相器位于控制器前端,控制器的输出与偏磁电源连接,所述的控制器功能由FPGA编程实现,为提高控制信号远程传输的抗干扰能力,控制器与偏磁电源之间采用光缆数字通讯;偏磁电源与阻抗匹配网络的励磁线圈相接,通过比较前级放大器输入与输出信号的相位差去控制偏磁电流源的输出电流实现对匹配网络中的电感进行调节,实现对相位差进行补偿。
2.根据权利要求1所述的一种能实时监测并自动补偿的阻抗自动调谐***,其特征在于:所述的铁氧体环每两个为一对,这两个铁氧体环上的线圈采用反向并联绕制,使偏磁电流在电感线圈中产生的感应电压互相抵消。
3.根据权利要求1所述的一种能实时监测并自动补偿的阻抗自动调谐***,其特征在于:每个铁氧体环上绕有6圈绕组,绕组的圈数取决于匹配网络对电感量的需求。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种能实时监测并自动补偿的阻抗自动调谐***,其特征在于:所述的每个铁氧体环上绕有匝数相同的绕组。
5.根据权利要求1所述的一种能实时监测并自动补偿的阻抗自动调谐***,其特征在于:所述的偏磁电源的输出电流由网络的调谐范围决定,范围在0~10A之间。
6.根据权利要求1所述的一种能实时监测并自动补偿的阻抗自动调谐***,其特征在于:所述的阻抗谐振匹配网络具有阻抗变换功能,将前级放大器的大值输出阻抗变换为小值的栅极输入阻抗,保证两级放大器之间的阻抗匹配。
7.根据权利要求6所述的一种能实时监测并自动补偿的阻抗自动调谐***,其特征在于:所述的阻抗谐振匹配网络具有4:1的阻抗变换功能,将前级放大器的800Ω输出阻抗变换为200Ω栅极输入阻抗。
8.根据权利要求1所述的一种能实时监测并自动补偿的阻抗自动调谐***,其特征在于:所述的控制器为PID控制器。
9.根据权利1、6、7任一项所述的一种能实时监测并自动补偿的阻抗自动调谐***,其特征在于:所述的阻抗自动调谐***可以通过实时监测前级放大器输出阻抗的失谐角来控制调整匹配网络的参数,自动补偿四极管栅极电容Ckg1在宽频带内造成的阻抗变化。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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