基于陽極恒流技術提高S波段磁控管輸出特性的研究

王紹岳，黃凱，劉長軍,3

1.四川大學 電子信息學院, 四川 成都 610064

2.中全通技術有限公司, 四川 宜賓 644000

3.宜賓四川大學產業技術研究院, 四川 宜賓644000

隨著科技的發展，微波工業應用得到了越來越多的重視。磁控管功率大、體積小、效率高、成本低，是微波加熱、微波無線能量傳輸等應用的首選器件[1?4]。自由振蕩的磁控管受陽極電壓和電流、負載變化、諧振腔溫度等影響，相位噪聲差、輸出頻帶寬等[5?9]，制約了其在微波工業中的推廣應用。

Mitani等[10]提出了關斷磁控管燈絲電流提高磁控管輸出質量的方法，效果顯著。Neculaes等[11]提出施加一個非對稱軸向磁場抑制近載波的噪聲，改善了磁控管的輸出。Chen等[12]通過降低磁控管陽極電壓紋波改善20 kW磁控管的輸出，提升了注入鎖頻性能。Han等[13]提出了低紋波高壓電源結合鎖相電路，提高磁控管的相位穩定度。但對陽極電流進行穩定以改善磁控管輸出性能的研究鮮有報道。

本文提出一種通過引入電子恒流負載穩定磁控管陽極電流的方法，低成本地實現了改善磁控管輸出頻譜、抑制相位抖動的效果，對磁控管的微波工業應用具有推廣作用。

1 磁控管特性及注入鎖頻技術

1.1 頻率推移效應

對于微波源，其工作頻率是最重要的參數之一，但磁控管的工作頻率會受到較多因素的影響。在磁控管穩定工作的情況下，它的輸出特性主要被陽極電壓和陽極電流所影響。磁控管的頻率推移特性定義為磁控管振蕩頻率隨陽極電流的變化而變化[14]。該特性的成因是磁控管工作時，內部諧振腔中陰極與陽極之間的電子輪輻相比射頻電場最大值有一個超前的相位差。當磁控管陽極電流增大時，該超前相位將增大，同時電子輪輻變寬，這種變化降低了陰極與陽極之間的等效電容，即增大了磁控管的輸出頻率。此外，磁控管的陽極電流即是通過電子輪輻的電流，它與射頻場直接相關，因此磁控管的頻率與電流而非電壓瞬時相關[15]。

對于1個磁控管，其自由振蕩角頻率ω'可以定義為關于陽極電流i的函數，即

式中：ω0為諧振腔固有頻率，δω(i)為由陽極電流波動帶來的頻率波動。所以，為了提高磁控管頻率穩定性，獲得更好的輸出頻譜，改善磁控管的陽極電流穩定性是行之有效的方法。

1.2 注入鎖定磁控管

磁控管注入鎖定技術是指向高功率連續波磁控管中注入1個低功率高穩定性外部信號，當注入信號的頻率和幅度滿足一定條件時，連續波磁控管輸出頻率與被注入信號的頻率一致，相位同步。Adler等[16]在小信號增益近似的基礎上對微波振蕩器的注入鎖定理論進行了研究，并理論推導出注入鎖定振蕩器的穩態相位方程：

式中：α為注入信號與磁控管輸出信號的相位差；ω1為注入信號的角頻率；ω'為磁控管自由振蕩角頻率；為注入比，其中P1為注入信號功率，P0為磁控管輸出功率；Qext為磁控管的外部品質因數。式(2)給出了磁控管輸出與注入信號之間的相位關系。注入比、注入頻率及磁控管自由振蕩頻率都將影響相位差。將式(1)代入式(2)中可得

這表明在注入鎖定狀態下，磁控管的頻率與相位都將跟隨注入信號變化，但陽極電流波動帶來的頻率波動δω(i)將引起注入鎖定磁控管輸出相位的抖動。因此，對于需要高相位穩定度的場合，提高陽極電流的穩定性是必要的。

2 磁控管恒流電路及實驗

電子恒流負載通過控制內部晶體管的導通量，利用晶體管進行電流調節，通過反饋和比較電路控制電流，實現恒定的電流輸出。本文在通用電子恒流負載的基礎上對其進行了改進。采用LM324運算放大器構建電壓比較器，將采樣電阻上的電壓與TL431基準電壓進行比較，反饋控制MOS管的電流。采用2.2 Ω的采樣電阻，控制電流調節范圍為0~1 A。圖1給出了電子恒流負載的電路圖及照片。為了驗證電子恒流負載對電路電流的控制作用，利用兆信PS-305D直流源和50 Ω電阻對恒流功能進行測試。測試中恒流值設置為200 mA。圖2給出了當直流電壓由0 V逐漸提高至30 V時，電子恒流負載加入前后流經電阻的電流?？梢婋娮雍懔髫撦d對電路電流穩定效果良好，可以應用于磁控管電源中實現穩定陽極電流的效果。

圖1 改進后的電子恒流負載

圖2 直流源測試結果

2.1 磁控管陽極電流恒流系統

本文所提出的恒流系統是在一款自制低紋波模擬電源的基礎上加入改進的電子恒流負載，圖3給出了該恒流方案的電路圖，其中電源部分為自制模擬式直流電源。電源主要由升壓變壓器、燈絲變壓器、高壓二極管、高壓電容以及電感構成，其中燈絲回路與高壓回路隔離，在磁控管穩定工作后可以切斷燈絲電流以獲得更純凈的微波輸出。Rs為采樣電阻，用于檢測磁控管陽極電流。當磁控管電源工作時，電子恒流負載開啟以控制磁控管陽極電流。

圖3 改進后的恒流電源電路圖

2.2 實驗測量

圖4和圖5分別給出了本次磁控管電源改進實驗的系統框圖與布局。其中，2.45 GHz磁控管的型號為Panasonic, 2M210-M1。注入信號由矢量信號源（Agilent E8267C）和高增益功率放大器產生。磁控管輸出功率由功率計（AV2433）測量，而其輸出信號的頻譜則由頻譜儀（FSV 信號分析儀）進行檢測。磁控管工作時的陽極電流波形則通過檢測電阻連接至示波器（Tektronix DPO7254）來進行測量。本次實驗中，磁控管陽極電流設定于345 mA，此時穩定輸出功率為800 W。為實現恒流控制，電子恒流負載的恒流值設定為340 mA。

圖4 磁控管實驗系統框圖

圖5 實驗系統布局

2.2.1 對于陽極電流穩定的效果

電源穩定工作后，由于市電工頻紋波和電源濾波非理想等因素，磁控管的陽極電流會出現一個頻率為100 Hz（全波整流后）的紋波，該紋波將導致磁控管性能的惡化，引起磁控管輸出頻率抖動。本文提出的改進方案對陽極電流紋波的抑制效果如圖6所示。這表明在加入電子恒流負載后，陽極電流的100 Hz紋波被明顯地抑制，在波形上只能觀察到50 Hz工頻紋波，紋波峰峰值由1.23 mA 抑制至 0.93 mA，對應紋波從 0.35% 降低至0.26%，電子恒流負載對磁控管陽極電流有明顯的穩定效果。

圖6 改進方案對陽極電流紋波的影響

2.2.2 自由振蕩磁控管輸出頻譜和功率穩定的改善

當磁控管處于自由振蕩狀態下，根據第2節中的分析，此時磁控管輸出頻率直接受到陽極電流影響，因此改善陽極電流穩定性能夠直接改善自由振蕩磁控管頻率穩定性。

圖7給出了磁控管穩定工作不同時間情況下改進前后的輸出頻譜?？梢园l現，在改進后自由振蕩磁控管輸出頻率的動態寬度在10、30、180、600和 900 s時分別從 46、88、177、339、348 kHz降低為 29、72、117、146、202 kHz。且經過 AV2433功率計檢測，在加入電子恒流負載后，磁控管功率峰值抖動分別由 12、22、34、44、44 W 降低為1.9、2.8、5.1、21、23 W，即最大抖動由 5.5% 被抑制至2.8%。這表明恒流改進方案的引入，使得磁控管的頻率穩定性和功率穩定性都得到了明顯的改善。

圖7 不同時間下自由振蕩磁控管輸出頻譜

2.2.3 對注入鎖定磁控管相位抖動的改善

注入鎖定技術是控制磁控管輸出相位最重要的技術之一。如式(3)所示，注入鎖定態磁控管的輸出相位仍會受到頻率抖動、注入比變化等因素的干擾而產生波動。圖8給出了在加入電子恒流負載前后，不同注入比下磁控管輸出相位的抖動。

圖8 不同注入比下注入鎖定磁控管的相位抖動

從圖8中可以看到，注入信號的相位幾乎為一個常數，抖動峰峰值小于0.3°。在加入電子恒流負載前后，注入比分別為0.05、0.1、0.15時，相位抖動范圍分別從 4.17°、2.06°、1.08°降低為 1.64°、0.99°、0.96°。該結果表明，在低注入比（ρ=0.05）情況下，本文提出的恒流方案對注入鎖定磁控管輸出相位抖動有明顯的抑制效果，此時相位抖動為改進前的39%。當注入比逐漸提高，該恒流方案對磁控管輸出相位改善程度將逐漸下降。在注入比較高（ρ=1.5）時，對相位抖動的抑制效果明顯下降，改進后的相位抖動為改進前的88%。這是因為在高注入比時，磁控管受注入信號的控制越來越強，此時磁控管整體性能主要受到外部諸如信號性能的影響，電流波動的影響變弱，因此穩定陽極電流對相位抖動的影響也變小了。

3 結論

本文開展了改善S波段磁控管輸出特性的研究，提出一種低成本改進方案，實現了對S波段連續波磁控管輸出微波質量的提高。本次實驗得到結論如下：

1）本文提出的恒流方案對磁控管陽極電流紋波有明顯的抑制作用，恒流方案的引入將電流紋波0.35%抑制至0.26%；

2）自由振蕩磁控管的輸出質量得到極大的改善，在 10、30、180、600、900 s共 5種時間長度下，自由振蕩磁控管的輸出頻率動態范圍分別從46.38、88.41、176.82、339.13、347.83 kHz降低為28.99、72.46、117.39、146.37、202.91 kHz，功率抖動也從5.5%抑制至2.8%；

3）在注入鎖定狀態，恒流方案對低注入比下磁控管輸出相位抖動有良好的抑制作用，當注入比分別為0.05、0.1、0.15時，相位抖動范圍分別從4.169 5°、2.064 7°、1.083 6°降低為 1.640 8°、0.986 2°、0.962 5°，該結果意味著恒流方案使得注入鎖定磁控管在低注入比時就能夠實現媲美更高注入比的相位穩定度。

本文所提出的陽極電流恒流方案能夠作為一種經濟、簡捷的方法提高磁控管高壓直流電源的穩定性，有望減少價格昂貴的高壓濾波電容使用，為降低磁控管系統成本、提高磁控管輸出質量提供了一種行之有效的參考方案。