CN202084622U - 射频宽带高功率电子管放大器同轴折叠输出谐振腔 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种射频宽带高功率电子管放大器同轴折叠输出谐振腔，内、外导体和中间导体，中间导体套在内导体外，外导体套在中间导体外，外导体顶部封闭，内导体和中间导体之间空腔为内谐振腔，外导体和中间导体之间空腔为外谐振腔，多个调节螺杆伸入所述内、外谐振腔中，调节螺杆位于内、外谐振腔中的端头处安装有短路板，位于外谐振腔中的短路板两侧壁分别与外导体内壁、中间导体外壁接触，位于内谐振腔中的短路板两侧壁分别与中间导体内壁、内导体外壁接触。

Description

射频宽带高功率电子管放大器同轴折叠输出谐振腔

技术领域

本实用新型涉及离子回旋波加热***射频宽带高功率发射机领域，具体是一种射频宽带高功率电子管放大器同轴折叠输出谐振腔。 

背景技术

在目前国际先进的大型托卡马克核聚变装置上，离子回旋波加热已成为托卡马克上最主要的辅助加热手段之一，其总的辅助加热功率已高达二十兆瓦以上，作为离子回旋波加热***最核心的子***之一，射频高功率发射机***用于提供射频波能量，并通过加热天线将高功率的射频波能量耦合给等离子体，以达到提高等离子体温度的目的。此类高功率发射机一般由多级射频功率放大器级联组成，其末级放大器一般为高功率电子管放大器，最大输出功率高达1.5MW以上，运行的频率依核聚变装置设计参数的不同而有所变化，但基本都在20-200MHz的频率范围内。在英国JET装置上，发射机的工作频率为23-57MHz，在法国的Tore-Supra装置上，工作频率为40-80MHz，在日本的JT-60U装置上，工作频率为102-130MHz，在我国大科学工程---大型非圆截面全超导托克马克EAST装置上，要求射频高功率发射机***的工作频率为25-70MHz，单机功率为1.5MW，目标总功率达10MW，目前在EAST装置上已建成并投入运行的射频发射机***的输出总功率已达4.5MW。 

在上述国外的聚变装置上运行的射频发射机***只有一些总体的性能指标，并没有提供具体的设计，也无文献资料可供参考，另外，国外装置上的发射机***的运行频率范围不尽相同，带宽也较窄，一般在一至二个倍频程之内，而EAST装置的射频发射机***的频率运行范围较宽，其频带宽度达近三个倍频程，那么，对于EAST装置上的射频发射机***，需要基于新的设计思想来进行设计。 

作为数十兆赫兹的射频放大器阳极输出调谐回路，常常使用对应于1/4波长的同轴短路线，另外作为输出阻抗匹配的方法，常常考虑采用电容与电感组合，但是，由于兆瓦级的大功率电子管的阳极与栅极之间的电容比较大，一般在150-200PF的范围内，这限制了放大器工作的频率上限，对于工作频率从 25-70MHz、频带变化范围如此宽广的放大器，1/4波长的同轴短路线已难以实现放大器输出回路全频段的调谐，必须应用3/4波长同轴短路线，这将大大增加谐振腔的长度，其最大长度将达到5m左右，再加上输入回路和输出谐振腔短路板调节螺杆，那么整个放大器的高度将达12m，这种结构设计在工程上是极不合理的；其次、该电路结构用于阻抗匹配电路也变得非常困难，其原因在于电容组合的地方，电压必定高，而电感组合的地方，电流必然大。难以做到的是，要改变如此宽广的频率，不存在在同轴短路线上固定的一点，产生覆盖全频段的合适的电压和电流来实现回路的阻抗变换。最后，对于高达1.5MW的射频功率的耦合输出问题，如采用电容耦合，则要求电容的无功功率容量达到2MW以上，这也是一个难以解决的困难，而且这种电容造价高昂，寿命短，需要水冷，容易损坏。 

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种射频宽带高功率电子管放大器同轴折叠输出谐振腔，将输出电路与同轴短路线直接连接，通过改变二个同轴短路线的长度，同时进行调谐和阻抗匹配，不仅能够解决末级电子管放大器输出回路的宽频带运行问题，而且又能够将兆瓦级的射频功率从放大器外腔的内导体直接耦合输出。 

为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案为： 

射频宽带高功率电子管放大器同轴折叠输出谐振腔，其特征在于：包括有管状的同轴设置的内、外导体和中间导体，所述中间导体套在内导体外，外导体套在中间导体外，所述外导体顶部封闭，内导体和中间导体之间空腔为内谐振腔，外导体和中间导体之间空腔为外谐振腔，有与中间导体外壁底部连接的输出同轴馈线穿过所述外导体侧壁引出；所述内导体底部安装有隔直电容，外导体底部设置有接地底板，接地底板上设置有与内导体同轴的电子管，所述电子管伸入隔直电容中与内导体电连接；有多个调节螺杆穿过所述外导体顶面分别伸入所述内、外谐振腔中，并可在内、外谐振腔中上下滑动，所述调节螺杆位于内、外谐振腔中的端头处安装有短路板，位于外谐振腔中的短路板两侧壁分别与外导体内壁、中间导体外壁接触，位于内谐振腔中的短路板两侧壁分别与中间导体内壁、内导体外壁接触。 

所述的射频宽带高功率电子管放大器同轴折叠输出谐振腔，其特征在于：所述内导体为截面为圆形的紫铜管，中间导体为截面为十二边形的紫铜管，外导体 为截面为方形的铝覆铜管，输出同轴馈线为截面为圆形的紫铜管。 

所述的射频宽带高功率电子管放大器同轴折叠输出谐振腔，其特征在于：所述短路板侧壁设置有铍青铜材料的弹簧触点，位于外谐振腔中的短路板两侧壁分别与外导体内壁、中间导体外壁点接触，位于内谐振腔中的短路板两侧壁分别与中间导体内壁、内导体外壁点接触。 

所述的射频宽带高功率电子管放大器同轴折叠输出谐振腔，其特征在于：所述内谐振腔的特性阻抗为22.5欧姆，外谐振腔的特性阻抗为20欧姆，输出同轴馈线的特性阻抗为50欧姆。 

本实用新型包括有内导体、外导体、中间导体、同轴输出馈线、内、外谐振腔中的短路板、接地底板，内谐振腔与外谐振腔同轴，内谐振腔、外谐振腔皆由可上下移动的铝制材料的短路板所短路，形成同轴短路线，短路板弹簧触点材料为铍青铜；同轴馈线与中间导体外壁底部相连接，内导体底部通过隔直电容与电子管连接。 

本实用新型设计了一种二层同轴结构的同轴折叠输出谐振腔电路，通过改变腔体的二个同轴短路线的长度，同时进行调谐和阻抗变换，其中一个同轴短路线(内谐振腔)主要用于实现调谐，另一个同轴短路线(外谐振腔)主要用于实现阻抗变换；对于功率耦合输出问题，我们把输出同轴馈线与输出腔的同轴短路线直接固定连接，将射频功率从中间导体底部直接耦合输出，省去了价格昂贵的输出耦合真空电容，这样既解决了射频高功率的输出耦合问题，又提高了放大器的上限频率，拓宽了工作频带，同时也降低了研制成本。 

附图说明

图1为本实用新型结构示意图。 

图2为本实用新型等效电路原理图。 

图3为本实用新型电压分布示意图。 

具体实施方式

如图1所示，射频宽带高功率电子管放大器同轴折叠输出谐振腔，包括有管状的同轴设置的内、外导体8、10和中间导体9，中间导体9套在内导体8外，外导体10套在中间导体9外，外导体10顶部封闭，内导体8和中间导体9之间空腔为内谐振腔2，外导体10和中间导体9之间空腔为外谐振腔1，有与中间导体9外壁底部连接的输出同轴馈线3穿过外导体10侧壁引出；内导体8底部安装有隔直电容7，外导体10底部设置有接地底板，接地底板上设置有与内导体8同轴的电子管6，电子管6伸入隔直电容7中与内导体8电连接；有内谐振腔调节螺杆11、外谐振腔调节螺杆12穿过外导体10顶面分别伸入内、外谐振腔2、1中，并可在内、外谐振腔2、1中上下滑动，内、外谐振腔调节螺杆11、12位于内、外谐振腔2、1中的端头处分别对应安装有内谐振腔短路板5、外谐振腔短路板4，内谐振腔短路板5、外谐振腔短路板4的两侧壁分别设置有铍青铜材料的弹簧触点，位于外谐振腔1中的外谐振腔短路板4两侧壁分别与外导体10内壁、中间导体9外壁点接触，位于内谐振腔2中的内谐振腔短路板5两侧壁分别与中间导体9内壁、内导体8外壁点接触。

内导体8截面为圆形的紫铜管，中间导体9截面为十二边形的紫铜管，外导体10面为方形的铝覆铜管，输出同轴馈线3截面为圆形的紫铜管。内谐振腔2的特性阻抗为22.5欧姆，外谐振腔1的特性阻抗为20欧姆，输出同轴馈线3的特性阻抗为50欧姆。 

如图2所示，输出谐振腔的等效电路相当于一个π型调谐匹配网络，内腔、外腔相互结合同时进行调谐调配，内腔主要实现调谐，外腔主要实现调配，可以覆盖25～70MHz频率范围。通过分析计算可知，输出谐振腔电路模式在频率低端和频率高端是不同的，在频率低端，其匹配腔即外腔应用0～1/4λ同轴短路线模式，呈现感性；输出谐振腔工作在频率高端时，在调节过程中需要进行电路的模式转换，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1/4λ～1/2λ同轴短路线模式，呈容性，外腔调节位置要相应增长，那么内腔调节位置也相应随之增长。 

如图3所示，输出回路的调谐通过改变二个短路线的短路位置来实现，因此对于某一个调谐频率，存在着多个同轴短路线的组合位置；另一方面，在调谐频率上从电子管向外看的阳极负载阻抗Roe，从能量守恒定则可推导出下式： 

Roe＝R_L|Vo/V_RL|²

式中电阻R_L表示负载电阻，电压Vo表示电子管阳极射频电压，V_RL表示负载电压，Roe为电子管阳极输出电阻。要实现负载电阻R_L和电子管阳极输出电阻Roe的阻抗变换，需调整二个同轴短路线，可见在某一工作频率点，外腔和内腔存在一个确定的长度，在此位置上，放大器处于最佳工作状态，其输出功率最大。 

对于内腔、外腔特性阻抗的计算，内腔可以等效为同轴圆形腔，外腔可以等效为方圆腔，依据图二所示的放大器输出谐振腔的等效电路，可得下式： 

$Z_L=\frac{Z_M{Z}_{\mathrm{Co}}{R}_{\mathrm{oe}}+Z_M{Z}_T(R_{\mathrm{oe}}+Z_{\mathrm{Co}})}{R_{\mathrm{oe}}{Z}_{\mathrm{Co}}+(Z_M+Z_T)(R_{\mathrm{oe}}+Z_{\mathrm{Co}})}=R_L+{\mathrm{jX}}_L$

上式中ZL为放大器负载阻抗，电容Co表示阳极与栅极之间的电容量，分别Z_T、Z_M分别为内腔、外腔所对应的阻抗，根据匹配谐振条件，令R_L＝50，X_L＝0，求解Z_T、Z_M，便可得到内腔长度L_T、外腔长度L_M。 

表1 

上面的表1为应用法国THALES公司生产的大功率电子管TH525A放大器输出谐振腔的理论计算值和实际调试结果。 

Claims (3)

1.射频宽带高功率电子管放大器同轴折叠输出谐振腔，其特征在于：包括有管状的同轴设置的内、外导体和中间导体，所述中间导体套在内导体外，外导体套在中间导体外，所述外导体顶部封闭，内导体和中间导体之间空腔为内谐振腔，外导体和中间导体之间空腔为外谐振腔，有与中间导体外壁底部连接的输出同轴馈线穿过所述外导体侧壁引出；所述内导体底部安装有隔直电容，外导体底部设置有接地底板，接地底板上设置有与内导体同轴的电子管，所述电子管伸入隔直电容中与内导体电连接；有多个调节螺杆穿过所述外导体顶面分别伸入所述内、外谐振腔中，并可在内、外谐振腔中上下滑动，所述调节螺杆位于内、外谐振腔中的端头处安装有短路板，位于外谐振腔中的短路板两侧壁分别与外导体内壁、中间导体外壁接触，位于内谐振腔中的短路板两侧壁分别与中间导体内壁、内导体外壁接触。

2.根据权利要求1所述的射频宽带高功率电子管放大器同轴折叠输出谐振腔，其特征在于：所述内导体为截面为圆形的紫铜管，中间导体为截面为十二边形的紫铜管，外导体为截面为方形的铝覆铜管，输出同轴馈线为截面为圆形的紫铜管。

3.根据权利要求1所述的射频宽带高功率电子管放大器同轴折叠输出谐振腔，其特征在于：所述内谐振腔的特性阻抗为22.5欧姆，外谐振腔的特性阻抗为20欧姆，输出同轴馈线的特性阻抗为50欧姆。 

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