CN113300691B - 一种多谐波合成装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多谐波合成装置，其包括真空盒体、一次谐波发生器、二次谐波发生器、三次谐波发生器和取样器；所述真空盒体内设置有电极板，所述真空盒体的上下端分别设置有用于电子束通过的通孔；所述真空盒体的一侧并列设置有第一管体和第二管体，所述第一管***于所述第二管体的上方；在所述第一管体上设置有所述二次谐波发生器；所述第二管体上设置有所述一次谐波发生器、所述三次谐波发生器和所述取样器，所述一次谐波发生器设置在远离所述真空盒体的一端，所述三次谐波发生器设置在靠近所述真空盒体的一端，所述取样器位于所述一次谐波发生器和所述三次谐波发生器之间。本发明能不受频率和电压的限制，形成任意频率和电压的任意波形。

Description

一种多谐波合成装置
技术领域
本发明涉及一种加速器波形产生技术领域，特别是关于一种多谐波合成装置。
背景技术
针对国内外加速器设备的建造中，由于重复频率和电压幅度的限制，一些复杂波形的产生(例如锯齿波、方波等)非常难以实现。在较低的频率或者较低的幅度下实现，从电子学方面还有一些办法，例如宽带放大器法(小信号锯齿波被无失真的放大后，再与电极匹配)或者充放电法(通过高压真空管进行充放电，但是不同的回路来实现)等等。然而，这些方法都受到频率和幅度的严格制约，已经无法适应现代加速器的高重频和高电压的特点。
以锯齿波为例，现有的技术特点如下：
(1)电真空管充放电法：主要受限于电真空管的频率和管耗的限制，有公式
Figure GDA0003762653150000011
由此可知，对应的波形电压Vp-p严重受到管耗Pa和频率f的限制，一般而言，当频率到50MHz以上时基本无法利用该方法实现。
(2)宽带放大器法：一般是利用宽带放大器在整个谐波频带内的无失真放大波形，该方法的应用严格受到该放大器的性能，谐波次数越多、电压越高，就意味着宽频带和高增益，放大器的性能要求越高。很明显，一个高电压、高频率的特殊信号的产生用放大器法来实现肯定会有瓶颈，不可能始终增长下去。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种多谐波合成装置，其能不受频率和电压的限制，形成任意频率和电压的合成波形。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种多谐波合成装置，其包括真空盒体、一次谐波发生器、二次谐波发生器、三次谐波发生器和取样器；所述真空盒体内设置有电极板，所述真空盒体的上下端分别设置有用于电子束通过的通孔；所述真空盒体的一侧并列设置有第一管体和第二管体，所述第一管***于所述第二管体的上方；在所述第一管体上设置有所述二次谐波发生器；所述第二管体上设置有所述一次谐波发生器、所述三次谐波发生器和所述取样器，所述一次谐波发生器设置在远离所述真空盒体的一端，所述三次谐波发生器设置在靠近所述真空盒体的一端，所述取样器位于所述一次谐波发生器和所述三次谐波发生器之间。
进一步，所述一次谐波发生器、所述二次谐波发生器和所述三次谐波发生器都由耦合器和调谐器构成。
进一步，所述真空盒体内的所述电极板成X状设置，所述电极板之间设置有用于电子束通过的间隙。
进一步，所述二次谐波发生器生成的二次谐波作用在所述电极板的上半部，所述一次谐波发生器和所述三次谐波发生器产生的一次谐波和三次谐波作用在所述电极板的下半部，所述一次谐波、二次谐波和三次谐波在所述电极板上实现合成。
进一步，所述合成方法为：由于采用一端短路一端开路的谐振结构，谐振时电场集中在开路端，所以全部三次模式全部在电极板上产生，即电极上形成了谐波合成。
进一步，所述第一管体的长度小于所述第二管体的长度。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明采用谐振的方式可以基本摆脱频率和电压的限制，利用谐振器的优势合成多个谐波，以达到实现高电压、高频率的特种周期信号的目的。
2、本发明基于微波谐振器的全新的复杂波形的产生原理，通过增加谐波的数量，可以合成任意波形。由于谐振结构的特殊性，可以用很小的功率产生很高的电压和很高的频率，这样利用此特点就可以在谐波合成时不受频率和电压的限制，可以形成任意频率和电压的任意波形(傅里叶可合成)。
附图说明
图1是本发明产生锯齿波的三谐波合成装置；
图2是本发明二次至五次谐波合成的线性度比较图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”“内”、“外”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装置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。
如图1所示，本发明提供一种多谐波合成装置，其包括真空盒体1(vacuumchamber)、一次谐波发生器2、二次谐波发生器3、三次谐波发生器4和取样器5。真空盒体1内设置有电极板6，真空盒体1的上下端分别设置有用于电子束(beam axis)通过的通孔7；真空盒体1的一侧并列设置有第一管体8和第二管体9，第一管体8位于第二管体9的上方。在第一管体8上设置有二次谐波发生器3；第二管体9上设置有一次谐波发生器2、三次谐波发生器4和取样器5，一次谐波发生器2设置在远离真空盒体1的第二管体9上，三次谐波发生器4设置在靠近真空盒体1的第二管体9上，取样器5位于一次谐波发生器2和三次谐波发生器4之间的第二管体9上。
在一个优选的实施例中，一次谐波发生器2、二次谐波发生器3和三次谐波发生器4都由耦合器10和调谐器11(tunner)构成。优选的，一次谐波发生器2产生的一次谐波频率为40MHz，二次谐波发生器3产生的二次谐波频率为80MHz，三次谐波发生器4产生的三次谐波频率为120MHz。
在一个优选的实施例中，真空盒体1内的电极板6成近似X状设置，电极板6之间设置有用于电子束通过的间隙。二次谐波发生器3生成的二次谐波作用在电极板6的上半部，一次谐波发生器2和三次谐波发生器4产生的一次谐波和三次谐波作用在电极板6的下半部，一次谐波、二次谐波和三次谐波在电极板6上实现合成。
其中，合成方法为：由于采用一端短路一端开路的谐振结构，谐振时电场集中在开路端，所以全部三次模式全部在电极板6上产生，即电极上形成了谐波合成。使用时，根据需要，调整输入的电压幅度和相位，就可以得到所需的合成波形。
在一个优选的实施例中，第一管体8的长度小于第二管体9的长度。其中，第一管体8和第二管体9的长度由单端开路、单端短路的同轴谐振结构的频率而定(解超越方程)。
实施例：
以锯齿波为例，整个三谐波合成的***组成，三路信号均具备幅度和相位的独立调谐能力、射频***还包括定向耦合器10、环形器以及温度、功率等状态监控和通讯模块。控制单元，水冷***以及功率传输***。
最终三次谐波合成的锯齿波图形(其他波形也是同样原理产生)如图2所示，由于三次合成的理论限制，其线性度和效率都有极限，如果不满足设备的需求，可以增加谐波次数，但是注意，两个谐振器无法产生四次和八次谐波。
综上，本发明已经考虑了多达十次谐波的合成情况，但是一般工程需求四次以下可以满足初步要求，因此重点列出了三谐波合成的原理图。
上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.一种多谐波合成装置，其特征在于，包括真空盒体、一次谐波发生器、二次谐波发生器、三次谐波发生器和取样器；所述真空盒体内设置有电极板，所述真空盒体的上下端分别设置有用于电子束通过的通孔；所述真空盒体的一侧并列设置有第一管体和第二管体，所述第一管***于所述第二管体的上方；在所述第一管体上设置有所述二次谐波发生器；所述第二管体上设置有所述一次谐波发生器、所述三次谐波发生器和所述取样器，所述一次谐波发生器设置在远离所述真空盒体的一端，所述三次谐波发生器设置在靠近所述真空盒体的一端，所述取样器位于所述一次谐波发生器和所述三次谐波发生器之间。
2.如权利要求1所述多谐波合成装置，其特征在于，所述一次谐波发生器、所述二次谐波发生器和所述三次谐波发生器都由耦合器和调谐器构成。
3.如权利要求1所述多谐波合成装置，其特征在于，所述真空盒体内的所述电极板成X状设置，所述电极板之间设置有用于电子束通过的间隙。
4.如权利要求3所述多谐波合成装置，其特征在于，所述二次谐波发生器生成的二次谐波作用在所述电极板的上半部，所述一次谐波发生器和所述三次谐波发生器产生的一次谐波和三次谐波作用在所述电极板的下半部，所述一次谐波、二次谐波和三次谐波在所述电极板上实现合成。
5.如权利要求4所述多谐波合成装置，其特征在于，所述一次谐波、二次谐波和三次谐波在所述电极板上实现合成的方法为：由于采用一端短路一端开路的谐振结构，谐振时电场集中在开路端，所以全部三次模式全部在电极板上产生，即电极上形成了谐波合成。
6.如权利要求1所述多谐波合成装置，其特征在于，所述第一管体的长度小于所述第二管体的长度。
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