多注速調(diào)管放大器的自適應(yīng)均衡器研制

1、第14卷第1期2002年1月強(qiáng)激光與粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMS.14,No.1VolJan.,2002文章編號(hào):100124322(2002)0120107204多注速調(diào)管放大器的自適應(yīng)均衡器研制成永東,李家胤(電子科技大學(xué)高能電子學(xué)研究所國(guó)家863計(jì)劃強(qiáng)輻射重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室四川成都610054)摘要:多注速調(diào)管放大器對(duì)激勵(lì)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(yīng)均衡器的方法,自適應(yīng)均衡器根據(jù)速調(diào)管輸出微波峰值功率大小自動(dòng)控制電調(diào)衰減器,從而達(dá)到控制速調(diào)管激勵(lì)功率的目的。它可以克服信號(hào)電平、行波管增益、線路衰減與速調(diào)管特性諸多因素的影響,保證

2、速調(diào)管始終工作在最佳激勵(lì)狀態(tài),獲得最大的功率輸出。關(guān)鍵詞:多注速調(diào)管;可編程序控制器(PLC);自適應(yīng)控制;均衡器中圖分類號(hào):O562.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A1多注速調(diào)管對(duì)激勵(lì)功率的要求多注速調(diào)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(diǎn),受到了俄、美等國(guó)的高度重視,并獲得了廣泛應(yīng)用。我國(guó)的不少大功率微波發(fā)射機(jī)也采用了多注速調(diào)管技術(shù)。多注速調(diào)管的一個(gè)重要特點(diǎn)是對(duì)激勵(lì)功率有嚴(yán)格要求。圖1是某多注速調(diào)管最佳激勵(lì)曲線,速調(diào)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(diào)管的最佳激勵(lì)功率曲線,只有當(dāng)激勵(lì)功率符合最佳激勵(lì)曲線

3、Pin的要求時(shí),才能得到曲線Pout所示的功率;如果激勵(lì)功率低于曲線Pin的值,輸出功率會(huì)下降;如果激勵(lì)功率大于曲線Pin之值,則速調(diào)管工作在過激勵(lì)狀態(tài),它一方面會(huì)使輸出功率下降;另一方面,還會(huì)破壞電子注的聚Fig.1Optimumoutputpropertyoftheklystron束狀態(tài),造成電子對(duì)管內(nèi)壁的轟擊增加,損壞管內(nèi)涂層,增加腔壁損耗,因此必須防止速調(diào)管長(zhǎng)時(shí)間在過激勵(lì)狀態(tài)下工作。從圖1曲線Pin還可以看出,在工作頻帶內(nèi),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(lì)方法,速調(diào)管的輸出功率在某些頻率點(diǎn)僅為最佳值的50%左右,而在另一些頻率點(diǎn)速調(diào)管則工作在過激勵(lì)狀態(tài),因

4、此保證在所有頻率點(diǎn)都給予多注速調(diào)管以最佳激勵(lì),是多注速調(diào)管使用的一個(gè)重要問題。圖1多注速調(diào)管最大輸出特性曲線2多注速調(diào)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(nèi)隨頻率變化的特性,通常是在系統(tǒng)內(nèi)加入一個(gè)該頻帶內(nèi)衰減量隨頻率變化的特殊衰減器,其衰減量正好補(bǔ)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(nèi)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(diào)管放大系統(tǒng)要求研制的均衡器,是一種能排除系統(tǒng)內(nèi)一切不確定因素的影響,保證速調(diào)管的輸出能自動(dòng)快速跟隨頻率變化,始終保持最大功率輸出的自適應(yīng)均衡器。行波管放大器常采用的無源均衡器,對(duì)多注速調(diào)管不適用,因?yàn)?/p>

5、速調(diào)管增益變化太劇烈。另一種方案是用單片機(jī)根據(jù)輸入的頻率信息,前饋控制輸入級(jí)的電調(diào)衰減器,但它要求準(zhǔn)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(xiàng)目:國(guó)家863激光技術(shù)領(lǐng)域資助課題作者簡(jiǎn)介:成永東(19682),男,工程師 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.108強(qiáng)激光與粒子束第14卷節(jié)頻率2增益曲線,如果任何一個(gè)環(huán)節(jié)參數(shù)發(fā)生變化都要人為修正單片機(jī)數(shù)據(jù),不僅調(diào)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?cè)O(shè)計(jì)了一種有

6、源均衡器,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示,該系統(tǒng)能自動(dòng)使速調(diào)管穩(wěn)定工作在最大輸出狀態(tài)(即圖3中A點(diǎn))。通過采樣速調(diào)管的輸出脈沖峰值功率,構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng),用可編程控制器調(diào)節(jié)電調(diào)衰減器,實(shí)現(xiàn)對(duì)速調(diào)管放大系統(tǒng)輸入微波功率的反饋控制。它可以自動(dòng)補(bǔ)償由于信號(hào)源波動(dòng)、行波管和速調(diào)管增益等因素變化對(duì)系統(tǒng)的影響,該均衡器與頻率無關(guān)。圖3是速調(diào)管在不同頻率的微波激勵(lì)下輸入輸出特性示意圖,A點(diǎn)左側(cè)為放大區(qū),右側(cè)為過激勵(lì)區(qū)。Fig.2Controllingsystemoftheself2adaptingequalizerFig.3Inputandoutputpropertiesofklystron圖2自適應(yīng)均衡器控制系統(tǒng)圖圖

7、3速調(diào)管輸入輸出特性示意圖3硬件設(shè)計(jì)3.1峰值電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)速調(diào)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(hào)是幾百毫伏的高頻窄脈寬信號(hào),必須變換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)電平才能被可編程控制器(PLC)采樣。由檢波二極管構(gòu)成的峰值檢測(cè)電路,要求峰值至少大于二極管D的導(dǎo)通電壓,為保證放大后的信號(hào)具有較好的線性關(guān)系,必須采用兩級(jí)放大電路放大脈沖信號(hào)。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(chǎng)效應(yīng)運(yùn)算放大器(0.01%建立時(shí)間1s;最小轉(zhuǎn)換速率16Vs)。檢波二極管D也選用了快恢復(fù)二極管

8、,以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。3.2可編程控制器選型設(shè)計(jì)可編程控制器具有可靠性高和抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),在系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)過程中,不必過多地設(shè)計(jì)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(yīng)用。綜合考慮到閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)速度及輸入、輸出點(diǎn)數(shù)等原因,我們選用了日本三菱公司生產(chǎn)的指令、處理應(yīng)用指令1.52FX2N216MR主機(jī),該可編程控制器運(yùn)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(yùn)算功能)。配置的FX2N22AD模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和FX2N22DA數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊都有很快的轉(zhuǎn)換速度和很高的轉(zhuǎn)換精度(AD模塊轉(zhuǎn)換時(shí)間是2.5ms;數(shù)據(jù)輸出12位,轉(zhuǎn)換精度1%;DA模塊轉(zhuǎn)換時(shí)間是4m

9、s;數(shù)據(jù)輸入12位,轉(zhuǎn)換精度1%)?？删幊炭刂破鲌?zhí)行自動(dòng)尋優(yōu)程序,將電調(diào)衰減器的控制量(數(shù)字量)經(jīng)過DA模塊變換成020mA的控制信號(hào),再經(jīng)過一個(gè)分流電路,用于控制放大器輸入級(jí)的電調(diào)衰減器。4編程控制器軟件設(shè)計(jì)4.1軟件功能設(shè)計(jì)可編程控制器采用“梯形圖”編程,程序具有如下功能:手動(dòng)和自動(dòng)復(fù)位功能:當(dāng)無微波輸入時(shí),均衡器輸出半衰減控制量,一是防止突然加上的微波激勵(lì)使過強(qiáng)速調(diào)管工作在過激勵(lì)區(qū),保證速調(diào)管的安全;二是縮短系統(tǒng)的過渡時(shí)間。 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.第1期成永東等:多注速

10、調(diào)管放大器的自適應(yīng)均衡器研制109自動(dòng)改變步長(zhǎng)功能:主要目的是縮短系統(tǒng)的過渡時(shí)間,同時(shí)兼顧穩(wěn)態(tài)時(shí)波動(dòng)幅度。在多注速調(diào)管輸入輸出特性曲線斜率較大區(qū)域,采用大步長(zhǎng),使系統(tǒng)快速接近最佳狀態(tài);在接近最大值時(shí),輸入輸出特性曲線的斜率減小,改為小步長(zhǎng)控制,使系統(tǒng)的工作點(diǎn)圍繞最大輸出功率點(diǎn)在最小范圍內(nèi)波動(dòng)(均衡器利用這種波動(dòng)來不斷檢測(cè)速調(diào)管的工作狀態(tài)),有利于提高系統(tǒng)控制的精度。步長(zhǎng)值的選取根據(jù)具體系統(tǒng)而有所不同,調(diào)試中應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)的過渡時(shí)間、穩(wěn)定性要求等因素來確定。輸入信號(hào)數(shù)字濾波功能:目的是濾除峰值檢測(cè)值受到的電源等周期信號(hào)的干擾。4.2均衡器主程序設(shè)計(jì)方案1經(jīng)典PI“設(shè)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(gè)變量,放大系統(tǒng)輸入輸出特性呈“鐘形”,PID的調(diào)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(diào)管輸出功率反而增加,說明速調(diào)管工作在過激勵(lì)區(qū),則繼續(xù)增大衰減。如速調(diào)管輸出功率減小,說明速調(diào)管工作在放大區(qū),則反向減小衰減,最終使速調(diào)管工作在最大輸出點(diǎn)。我們研制的自適應(yīng)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(shè)定了兩個(gè)工作區(qū)模式放大區(qū)模式和過激勵(lì)區(qū)模式(如圖3所示)。5實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析均衡器接入速調(diào)管放大系統(tǒng)后,在高功率高電壓試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試,整機(jī)工作穩(wěn)定,均衡器沒有受到外界干擾。分析速調(diào)管輸出脈沖

12、波形,基本可以得出速調(diào)管正是穩(wěn)定工作在最大輸出功率狀態(tài)的結(jié)論,達(dá)到設(shè)計(jì)要求。尋優(yōu)誤差測(cè)試。由于速調(diào)管各個(gè)頻率的最Fig.5PLCprogramflowchart大功率輸出沒有標(biāo)準(zhǔn)值,只能先用人工調(diào)節(jié)激圖5可編程控制器軟件流程圖勵(lì)功率得到一組速調(diào)管輸出最大平均功率作為參考值,再與對(duì)應(yīng)頻率下均衡器自動(dòng)尋優(yōu)獲得的最佳輸出功率作比較,測(cè)試結(jié)果見表1(數(shù)據(jù)由中國(guó)技術(shù)測(cè)試研究院測(cè)定)。表1手動(dòng)尋優(yōu)和自動(dòng)尋優(yōu)結(jié)果對(duì)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(dòng)尋優(yōu)功率-自動(dòng)尋優(yōu)功率)手動(dòng)尋優(yōu)功率100%11%。自動(dòng)尋優(yōu)誤差的主要來源有三個(gè):第一,測(cè)試誤差,由于手動(dòng)尋優(yōu)和自動(dòng)尋優(yōu)結(jié)果不是同時(shí)讀取的,電源電壓不穩(wěn)定會(huì)對(duì)微波大功率計(jì)測(cè)量產(chǎn)生影響;第二,定標(biāo)誤差,手動(dòng)尋優(yōu)過程受很多不確定因素影響,尋優(yōu)結(jié)果本身不一定就是速調(diào)管最大輸出功率。另外還要求手動(dòng)尋優(yōu)和自動(dòng)尋優(yōu)時(shí)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)參數(shù)保持恒定不變,而實(shí)際

14、操作是不可能實(shí)現(xiàn)的;第三,自動(dòng)尋優(yōu)的穩(wěn)定狀態(tài)實(shí)際是有波動(dòng)的,只是幅度很小而已,這種波動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生誤差。 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.110強(qiáng)激光與粒子束第14卷過渡時(shí)間測(cè)定。當(dāng)頻率切換時(shí),用示波器觀察速調(diào)管輸出的脈沖波形,測(cè)量脈沖達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間小于2秒。自適應(yīng)能力測(cè)試。在某一固定頻率下,調(diào)節(jié)輸入微波功率大小,由0.5mW變化到3.5mw,觀測(cè)速調(diào)管輸出平均功率良好地保持在同一值不變。6結(jié)語本文所研制的一種自適應(yīng)均衡器,能克服閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)各種因素的影響,保證多注速調(diào)管始終工作在輸出功率

15、最大的狀態(tài),控制精度與響應(yīng)時(shí)間滿足了系統(tǒng)的要求,成功地解決了多注速調(diào)管應(yīng)用中的一大難題。該均衡器已應(yīng)用于發(fā)射機(jī)系統(tǒng)中。對(duì)于我們的特定要求,這樣的結(jié)果是滿意的。人們對(duì)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(diào)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(shí)間非常小,則上述閉環(huán)方案是不適宜的。但我們?nèi)钥梢酝ㄟ^詳細(xì)采集系統(tǒng)參數(shù)的頻率特性,用計(jì)算機(jī)給定參數(shù)控制來解決這類問題。當(dāng)信號(hào)中包含幾個(gè)頻率成份時(shí),無源均衡器可以自動(dòng)地對(duì)不同頻率成份提供不同的衰減,但本文的方案只能對(duì)不同成份提供一種衰減,這是其不足之處。若克服這一缺點(diǎn),需要采用更為復(fù)雜的方案。參考文獻(xiàn):C,N

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