多注速調管放大器的自適應均衡器研制

1、第14卷第1期2002年1月強激光與粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMS.14,No.1VolJan.,2002文章編號:100124322(2002)0120107204多注速調管放大器的自適應均衡器研制成永東,李家胤(電子科技大學高能電子學研究所國家863計劃強輻射重點實驗室四川成都610054)摘要:多注速調管放大器對激勵功率有十分苛刻的要求。文章提出了采用可編程控制器研制自適應均衡器的方法,自適應均衡器根據(jù)速調管輸出微波峰值功率大小自動控制電調衰減器,從而達到控制速調管激勵功率的目的。它可以克服信號電平、行波管增益、線路衰減與速調管特性諸多因素的影響,保證

2、速調管始終工作在最佳激勵狀態(tài),獲得最大的功率輸出。關鍵詞:多注速調管;可編程序控制器(PLC);自適應控制;均衡器中圖分類號:O562.5文獻標識碼:A1多注速調管對激勵功率的要求多注速調管是一種性能優(yōu)良的微波放大器件,具有工作電壓低、輸出功率大、工作頻帶寬、體積小、重量輕等一系列優(yōu)點,受到了俄、美等國的高度重視,并獲得了廣泛應用。我國的不少大功率微波發(fā)射機也采用了多注速調管技術。多注速調管的一個重要特點是對激勵功率有嚴格要求。圖1是某多注速調管最佳激勵曲線,速調管的脈沖輸出峰值功率在200kW224kW之間,是比較均衡的。曲線Pin是該速調管的最佳激勵功率曲線,只有當激勵功率符合最佳激勵曲線

3、Pin的要求時,才能得到曲線Pout所示的功率;如果激勵功率低于曲線Pin的值,輸出功率會下降;如果激勵功率大于曲線Pin之值,則速調管工作在過激勵狀態(tài),它一方面會使輸出功率下降;另一方面,還會破壞電子注的聚Fig.1Optimumoutputpropertyoftheklystron束狀態(tài),造成電子對管內壁的轟擊增加,損壞管內涂層,增加腔壁損耗,因此必須防止速調管長時間在過激勵狀態(tài)下工作。從圖1曲線Pin還可以看出,在工作頻帶內,最佳輸入功率有幾次起伏,最大值是最小值的若干倍。如果采用等激勵方法,速調管的輸出功率在某些頻率點僅為最佳值的50%左右,而在另一些頻率點速調管則工作在過激勵狀態(tài),因

4、此保證在所有頻率點都給予多注速調管以最佳激勵,是多注速調管使用的一個重要問題。圖1多注速調管最大輸出特性曲線2多注速調管均衡器的方案選擇在微波放大器中,為了改善主放大器增益在工作頻帶內隨頻率變化的特性,通常是在系統(tǒng)內加入一個該頻帶內衰減量隨頻率變化的特殊衰減器,其衰減量正好補償放大器增益的變化,則從該衰減器輸入至放大器輸出的增益在工作頻帶內看上去是均勻的,該特殊衰減器又被稱為“均衡器”。我們的速調管放大系統(tǒng)要求研制的均衡器,是一種能排除系統(tǒng)內一切不確定因素的影響,保證速調管的輸出能自動快速跟隨頻率變化,始終保持最大功率輸出的自適應均衡器。行波管放大器常采用的無源均衡器,對多注速調管不適用,因為

5、速調管增益變化太劇烈。另一種方案是用單片機根據(jù)輸入的頻率信息,前饋控制輸入級的電調衰減器,但它要求準確獲得放大系統(tǒng)中各環(huán)收稿日期:2000211210;修訂日期:2001206225基金項目:國家863激光技術領域資助課題作者簡介:成永東(19682),男,工程師 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.108強激光與粒子束第14卷節(jié)頻率2增益曲線,如果任何一個環(huán)節(jié)參數(shù)發(fā)生變化都要人為修正單片機數(shù)據(jù),不僅調試難度較大,而且我們的系統(tǒng)各環(huán)節(jié)參數(shù)是變化的,所以也不能采用該方案。于是我們設計了一種有

6、源均衡器,系統(tǒng)結構如圖2所示,該系統(tǒng)能自動使速調管穩(wěn)定工作在最大輸出狀態(tài)(即圖3中A點)。通過采樣速調管的輸出脈沖峰值功率,構成一個閉環(huán)系統(tǒng),用可編程控制器調節(jié)電調衰減器,實現(xiàn)對速調管放大系統(tǒng)輸入微波功率的反饋控制。它可以自動補償由于信號源波動、行波管和速調管增益等因素變化對系統(tǒng)的影響,該均衡器與頻率無關。圖3是速調管在不同頻率的微波激勵下輸入輸出特性示意圖,A點左側為放大區(qū),右側為過激勵區(qū)。Fig.2Controllingsystemoftheself2adaptingequalizerFig.3Inputandoutputpropertiesofklystron圖2自適應均衡器控制系統(tǒng)圖圖

7、3速調管輸入輸出特性示意圖3硬件設計3.1峰值電壓檢測電路設計速調管輸出的微波功率取樣后送到晶體檢波器,檢波出的脈沖電信號是幾百毫伏的高頻窄脈寬信號,必須變換成標準信號電平才能被可編程控制器(PLC)采樣。由檢波二極管構成的峰值檢測電路,要求峰值至少大于二極管D的導通電壓,為保證放大后的信號具有較好的線性關系,必須采用兩級放大電路放大脈沖信號。圖4為均衡器的峰值采樣電Fig.4Circuitofsamplingpeakvoltage圖4峰值采樣原理圖路原理圖。電路中放大器A1,A2選用了高速雙極型場效應運算放大器(0.01%建立時間1s;最小轉換速率16Vs)。檢波二極管D也選用了快恢復二極管

8、,以保證測量的準確性。3.2可編程控制器選型設計可編程控制器具有可靠性高和抗干擾能力強的優(yōu)點,在系統(tǒng)開發(fā)設計過程中,不必過多地設計硬件線路,只需集中精力編制軟件,因而在工業(yè)中得到了廣泛應用。綜合考慮到閉環(huán)系統(tǒng)的響應速度及輸入、輸出點數(shù)等原因,我們選用了日本三菱公司生產的指令、處理應用指令1.52FX2N216MR主機,該可編程控制器運算處理速度快(基本指令0.08s100s指令);精度高(具有32位數(shù)據(jù)運算功能)。配置的FX2N22AD模數(shù)轉換模塊和FX2N22DA數(shù)模轉換模塊都有很快的轉換速度和很高的轉換精度(AD模塊轉換時間是2.5ms;數(shù)據(jù)輸出12位,轉換精度1%;DA模塊轉換時間是4m

9、s;數(shù)據(jù)輸入12位,轉換精度1%)?？删幊炭刂破鲌?zhí)行自動尋優(yōu)程序,將電調衰減器的控制量(數(shù)字量)經過DA模塊變換成020mA的控制信號,再經過一個分流電路,用于控制放大器輸入級的電調衰減器。4編程控制器軟件設計4.1軟件功能設計可編程控制器采用“梯形圖”編程,程序具有如下功能:手動和自動復位功能:當無微波輸入時,均衡器輸出半衰減控制量,一是防止突然加上的微波激勵使過強速調管工作在過激勵區(qū),保證速調管的安全;二是縮短系統(tǒng)的過渡時間。 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.第1期成永東等:多注速

10、調管放大器的自適應均衡器研制109自動改變步長功能:主要目的是縮短系統(tǒng)的過渡時間,同時兼顧穩(wěn)態(tài)時波動幅度。在多注速調管輸入輸出特性曲線斜率較大區(qū)域,采用大步長,使系統(tǒng)快速接近最佳狀態(tài);在接近最大值時,輸入輸出特性曲線的斜率減小,改為小步長控制,使系統(tǒng)的工作點圍繞最大輸出功率點在最小范圍內波動(均衡器利用這種波動來不斷檢測速調管的工作狀態(tài)),有利于提高系統(tǒng)控制的精度。步長值的選取根據(jù)具體系統(tǒng)而有所不同,調試中應綜合考慮系統(tǒng)的過渡時間、穩(wěn)定性要求等因素來確定。輸入信號數(shù)字濾波功能:目的是濾除峰值檢測值受到的電源等周期信號的干擾。4.2均衡器主程序設計方案1經典PI“設定值”的D控制。由于確定非常困

11、難,它是受頻率影響的一個變量,放大系統(tǒng)輸入輸出特性呈“鐘形”,PID的調節(jié)方向確定也很困難,所以不能采取這一方案。方案2“瞎子爬山”控制方法。思路是增大衰減,如果速調管輸出功率反而增加,說明速調管工作在過激勵區(qū),則繼續(xù)增大衰減。如速調管輸出功率減小,說明速調管工作在放大區(qū),則反向減小衰減,最終使速調管工作在最大輸出點。我們研制的自適應均衡器就采用了這一方法。圖5是該均衡器控制軟件流程圖。在軟件中設定了兩個工作區(qū)模式放大區(qū)模式和過激勵區(qū)模式(如圖3所示)。5實驗結果及分析均衡器接入速調管放大系統(tǒng)后,在高功率高電壓試驗現(xiàn)場對其性能進行了測試,整機工作穩(wěn)定,均衡器沒有受到外界干擾。分析速調管輸出脈沖

12、波形,基本可以得出速調管正是穩(wěn)定工作在最大輸出功率狀態(tài)的結論,達到設計要求。尋優(yōu)誤差測試。由于速調管各個頻率的最Fig.5PLCprogramflowchart大功率輸出沒有標準值,只能先用人工調節(jié)激圖5可編程控制器軟件流程圖勵功率得到一組速調管輸出最大平均功率作為參考值,再與對應頻率下均衡器自動尋優(yōu)獲得的最佳輸出功率作比較,測試結果見表1(數(shù)據(jù)由中國技術測試研究院測定)。表1手動尋優(yōu)和自動尋優(yōu)結果對比Table1Resultsofauto-optimizingandmanualoptimizingfnormalizedPautokWpmanualkW13.03.01.00361.01091.

13、01821.02551.03273.33.253.33.03.12.82.92.63.553.61.0403.63.61.04721.05451.06181.06911.07643.753.73.553.53.03.03.13.23.253.2控制誤差=(手動尋優(yōu)功率-自動尋優(yōu)功率)手動尋優(yōu)功率100%11%。自動尋優(yōu)誤差的主要來源有三個:第一,測試誤差,由于手動尋優(yōu)和自動尋優(yōu)結果不是同時讀取的,電源電壓不穩(wěn)定會對微波大功率計測量產生影響;第二,定標誤差,手動尋優(yōu)過程受很多不確定因素影響,尋優(yōu)結果本身不一定就是速調管最大輸出功率。另外還要求手動尋優(yōu)和自動尋優(yōu)時系統(tǒng)各環(huán)節(jié)參數(shù)保持恒定不變,而實際

14、操作是不可能實現(xiàn)的;第三,自動尋優(yōu)的穩(wěn)定狀態(tài)實際是有波動的,只是幅度很小而已,這種波動也會產生誤差。 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.110強激光與粒子束第14卷過渡時間測定。當頻率切換時,用示波器觀察速調管輸出的脈沖波形,測量脈沖達到穩(wěn)定所需時間小于2秒。自適應能力測試。在某一固定頻率下,調節(jié)輸入微波功率大小,由0.5mW變化到3.5mw,觀測速調管輸出平均功率良好地保持在同一值不變。6結語本文所研制的一種自適應均衡器,能克服閉環(huán)系統(tǒng)內各種因素的影響,保證多注速調管始終工作在輸出功率

15、最大的狀態(tài),控制精度與響應時間滿足了系統(tǒng)的要求,成功地解決了多注速調管應用中的一大難題。該均衡器已應用于發(fā)射機系統(tǒng)中。對于我們的特定要求,這樣的結果是滿意的。人們對均衡器的要求是多方面的。如果不是要求以最大功率輸出而是要求以恒定增益輸出,即速調管工作在放大區(qū)而不是近飽和區(qū);或者要求控制的延遲時間非常小,則上述閉環(huán)方案是不適宜的。但我們仍可以通過詳細采集系統(tǒng)參數(shù)的頻率特性,用計算機給定參數(shù)控制來解決這類問題。當信號中包含幾個頻率成份時,無源均衡器可以自動地對不同頻率成份提供不同的衰減,但本文的方案只能對不同成份提供一種衰減,這是其不足之處。若克服這一缺點,需要采用更為復雜的方案。參考文獻:C,N

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