20 kW磁控管頻率推移特性的功率合成實驗研究

劉臻龍，唐正明，劉長軍

1.西華師范大學 電子信息工程學院, 四川 南充 637002

2.西南電子技術研究所, 四川 成都 610036

3.四川大學 電子信息學院, 四川 成都 610064

磁控管以其高轉化效率和巨大的低成本優勢，在深空通信、空間太陽能電站和微波加熱領域有著無法替代的地位。然而，在能源流和信息流深度結合的今天，隨著能源互聯網的高速發展，對微波源的輸出（連續波）功率提出了更高的要求[1]。例如，高功率微波等離子體化學氣相沉積法制造金剛石膜，要求S波段連續波功率達到60 kW以上[2]。遺憾的是，目前并沒有能滿足這一條件且高效廉價的微波源，S波段連續波磁控管最高輸出功率僅可以達到30 kW，其主要的產商有美國理查森和布洛（S94610E，Richardson & Burle）和中國南京三樂（CK-2 121），中國南京三樂生產的磁控管在穩定性和壽命等方面與國外還存在一定的差距[3]。單只磁控管微波源功率容量遠不能滿足目前的需求。對多個廉價的磁控管進行功率合成，是滿足當下應用需求的最佳選擇。但磁控管的輸出幅相特性差，難以直接合成，必須對磁控管的幅相進行有效控制后再進行功率合成。從目前磁控管功率合成技術的研究中我們發現其存在以下2個方面的難題：通常采用基于外注入的注入鎖定功率合成技術[4?8]需要增加高純度的注入鎖定信號，成本高；而采用非相干功率合成方法[9?10]，由于磁控管的一致性差造成功率合成效率低，非相干功率合成的互耦設計不合理甚至會影響微波源的工作穩定性和工作壽命。針對上述的問題，本文并提出了一種基于磁控管推移特性的互注入功率合成技術，并進行實驗驗證。該技術不僅為低成本磁控管大功率微波功率合成的技術難題提供一種通用技術解決方案，還能為工業微波能、空間無線能量傳輸系統、深空通信高功率微波應用領域的發展起到重大推動作用。

1 磁控管推移特性的功率合成結構

圖1為本文所提出的兩路基于磁控管推移特性的功率合成系統框圖，2只磁控管通過環行器輸出高功率微波至三端口功率合成器，環行器剩余的1個端口與負載相連，由于三端口功率合成器與現實的環行器隔離度有限，磁控管1輸出的部分功率會透射過三端口功率合成器，反向注入磁控管2；同理，磁控管2的部分輸出功率也將注入磁控管1。這樣的互耦方式保證了2只磁控管的穩定工作，當磁控管滿足鎖定條件與特定的幅相特性時，2只磁控管可以相互鎖定，將在同一頻率上振蕩，完成2只磁控管的功率合成，輸出至最終的負載端。

圖1 基于推移特性磁控管系統框圖

2 功率合成效率因素分析

圖1 中的2只磁控管輸出信號經過環行器入射H-T功率合成器，兩路磁控管入射到H-T合成器參考平面的信號分別為和，則根據HT合成器的S參數矩陣[11]，可得H-T合成器的合成輸出為

式中 Δ? = ?1 ??2。

引入功率比k，令k=P1/P2，則通過式(1)可計算得出H-T功率合成效率為

式(2)的估算為無耗條件下H-T功率合成器合成效率與兩路輸入信號幅相不平衡之間的關系，為了更直觀地表述這種關系，將式(2)映射成圖2。

圖2 H-T 功率合成器效率分析

從圖2中可以看出，當兩路磁控管入射H-T功率合成器的幅度相等、相位差為0°時，合成效率達到最大，無耗合成的效率高達100%。隨著相位差和功率比進一步增大，合成效率逐漸降低，當磁控管等幅入射H-T功率合器時，相位差為90°時也無合成效應。當磁控管同相位入射H-T功率合器時，功率比k= 5.8時，合成器無合成效應。即使兩路磁控管入射信號的功率比達到3 dB、相位差達到15°，無耗H-T功率合成器的合成效率也能達到95%以上。

3 磁控管幅相控制分析

從上面的分析中可以知道，為了達到H-T合成器的高效合成條件，磁控管的幅度和相位必須進行控制。磁控管的輸出功率（幅度）很容易通過調節陽極電流來實現；所以本節重點分析在圖1的系統中如何實現磁控管的相位控制。

圖1的2個磁控管是相同的，每個磁控管既是注入源，又是受控振蕩器。磁控管之間通過信號的互相耦合來相互控制并實現互相鎖定，從而實現頻率和相位的控制。磁控管互注入鎖定滿足Slater的理論[12]，因此定義表征兩只磁控管之間的復耦合系數和，則圖1中2只磁控管滿足式（3）和式（4）[12]：

式中： ω1和 ω2、Q1e和Q2e分別為2只磁控管單獨的自由振蕩頻率和外觀品質因數， φ1和 φ2為2只磁控管 的 輸 出 相 位 ， ξ12(ξ21)表 示 自 由 振 蕩 頻 率 為ω2(ω1)的磁控管對自由振蕩頻率為 ω1(ω2)的磁控管的耦合強度， Φ12和 Φ21則表示互注入路徑上帶來的相位超前或者滯后。

為了描述互注入磁控管之間的相位差，用式(3)減去式 (4)，得

式中： ? φ=φ1?φ2， ? ω=ω1?ω2。

由于圖1的系統中合成系統的2只單管系統完全對稱，假設 ξ12ejΦ12 ≈ ξ21ejΦ21 ≈ ξejΦ，Q1e=Q2e=Qe，在穩態情況下， d ?φ/dt=0，則實現雙管高效功率合成 ? φ=0的條件為

磁控管的一致性通常比較差，而控制磁控管的頻率的辦法之一為磁控管的推移特性。

4 20 kW 磁控管頻率推移特性

磁控管的頻率推移通常是指磁控管的振蕩頻率隨著陽極電流變化而變化，根據Chen等[13]理論，瞬時磁控管的自由振蕩頻率ω?為

式中b描述了頻率推移效應。b應遵循關系為

式中：Vdc為A-K間隙，b0為常數，α為推移因子。B描述了頻率牽引效應。

磁控管的推移曲線并不是單調曲線。我們直接在功率合成系統中對磁控管的推移特性進行了測試。

5 20 kW 磁控管功率合成系統

根據上述分析，依照圖1所示的原理圖，完成了20 kW基于磁控管推移特性的功率合成系統，系統框圖如圖3所示。圖3中大箭頭指示磁控管產生的微波大功率信號傳輸方向，小箭頭指示磁控管之間互相耦合的信號傳輸通道。此處說明一點，圖3中通過最終負載功率控制磁控管陽極電流的反饋支路未在圖中表示。完成后的整個系統測試如圖4所示。

圖3 20kW 磁控管功率合成框圖

圖4 磁控管功率合成系統測試

首先挑選其中1只磁控管，測試其20 kW磁控管的推移特性，如圖5所示。圖5描述了20 kW磁控管輸出功率高于5.0 kW時，磁控管自由振蕩輸出頻譜隨陽極電流的變化。隨著磁控管輸出平均功率從5.7 kW增加至20.0 kW，磁控管自由振蕩輸出頻譜越來越尖銳，磁控管輸出基底噪聲也呈現下降趨勢，且隨著陽極電流的增加，磁控管自由振蕩的中心頻率也隨之增加。然而，當磁控管輸出功率達到20.0 kW時，磁控管的中心頻率比功率為18.9 kW的中心頻率回退了550 kHz，這是由于20 kW磁控管的推移特性受到陽極塊溫升的影響。因此，為了實現雙管的功率合成，只需要選擇不受陽極塊溫升影響的頻率區域，適當降低頻率高的一只管子的陽極電流，隨著陽極電流的下降，其振蕩頻率也隨之下降，實現2只磁控管的自由振蕩頻率區域一致，達到高效的功率合成。

圖5 20 kW 磁控管推移特性

首先同時把兩路磁控管開啟，并將雙管功率分別推至19.0 kW，測量該系統不進行頻率推移自由振蕩合成端的輸出頻譜，測量結果如圖6所示。2只磁控管館分別在2.447 GHz和2.449 GHz自由振蕩，并存在交調產物，2管之間的相對相位顯然在劇烈抖動，我們在測試其平均功率時發現，雙管輸出功率及合成功率都存在較大的抖動，無穩定輸出，這是由于雙管之間的周期牽引引起的。

圖6 雙管自由振蕩合成頻譜圖

為了實現穩定的合成輸出，根據上述分析，依次開啟一路頻率較高的磁控管，并關閉另外一路，調節陽極電流，使得磁控管的自由振蕩頻率接近另外一只管子的自由振蕩頻率，將兩路磁控管的自由振蕩頻率牽引至近似相等。經過調節后，如圖7所示，一路磁控管的自由振蕩中心頻率牽引至2.447 6 GHz，此時調節后的磁控管傳輸至H-T的入射功率為17.8 kW；另外一路開啟后頻率和功率和原來保持一致，因磁控管外接環行器的微小差異，2只磁控管之間互注入的功率分別為150.0 W和 185.0 W，兩路磁控管共同振蕩在 2.447 5 GHz。此時，相對于單管磁控管振蕩頻譜頻率抖動和顫噪基本消失了，并且振蕩頻譜比自由振蕩的頻譜明顯收窄，其頻率穩定性明顯提高，但因缺少外注入信號，輸出頻譜的略差與外注入功率合成方式[4]。如圖7所示，合成之后的頻譜質量獲得一定的提升，H-T功率合成器輸出端測得合成輸出的平均功率為34.0 kW，計算得出功率合成器的合成效率為92.3%，接近理論估算的效率。迄今尚未見到S波段磁控管以互注入的方案合成達到這個功率和效率的報道。最后，測量了30 min該功率合成系統的總功率波動情況，兩路20 kW磁控管的合成功率基本維持在34.0 kW左右，即使受到市電和電源自身波動的干擾，通過利用磁控管的推移特性，兩路合成總功率的最大抖動在整個30 min 僅僅為 0.30 dB。

圖7 磁控管功率合成實驗結果

6 結論

本文提出了一種無需外部信號注入的基于20 kW磁控管推移特性的互注入低成本功率合成技術，并進行實驗驗證：

1）完整表征了20 kW了磁控管的推移特性；

2）基于推移特性實現雙管合成功率大于34 kW，合成效率高于92%；

3）功率合成穩定高，功率抖動小于0.3 dB。