【word】 常规速调管空间功率合成微波源

【word】 常规速调管空间功率合成微波源 常规速调管空间功率合成微波源 第24卷第2期 2012年2月 强激光与粒子束 HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMS Vo1.24,No.2 Feb.,2012 文章编号:1001—4322(2012)02—0441—04 常规速调管空间功率合成微波源 杨景红,钱锰,廖源,刘超 (南京电子技术研究所,南京210039) 摘要:基于常规速调管,研制了用于开展空间功率合成实验的微波源系统.介绍了50MW超大功率 速调管发射机的系统组成,大功率速调管,相位控制及高功率测试系统等.重点阐述了超大功率速调管发射机 的关键技术,并针对超大功率发射机的设计难点提出了具体的解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 .为提高超大功率发射机的可靠性,设 计了基于绝缘栅双极晶体管(IGBT)的感应叠加型全固态调制器.给出了超大功率发射机的测试结果,并探讨 了超大功率速调管发射机的改进方法.最后对基于常规速调管,研制 用于空间功率合成微波源系统的发展进 行了展望. 关键词:微波源;5OMw常规速调管发射机;相位控制;全固态调制器;空间功率合成 中图分类号:TN957.3文献标志码:Adoi:10.3788/HPLPB2O1224O2.0441 微波空间功率合成是实现有战略价值超大功率微波和高功率微波系统的重要途径_lJ.由于高功率微波 的物理产生机制及器件工艺结构等限制,各种微波源都有其功率限制,因此必须采用多个相干辐射源进行功率 合成].激励源如果采用固态放大器,整个系统造价非常昂贵,系统需要复杂的馈电和控制电路;而常规 速调管具有高功率,高增益,高效率和高稳定性等优点,在粒子加速器,可控热核聚变等离子体加热装置,空间 微波能输电等直接应用微波能的场合,占有主导地位[7].采用大功率常规速调管作为超大功率发射机的微波 功率源,有利于雷达,干扰机等功能的实施,并且与传统相控辐射天线相结合,可实现一种高效,经济且技术相 对成熟的微波空间功率合成.本文介绍的基于超大功率发射机的微波源系统即采用大功率常规单注速调管. 1微波源系统组成 微波源系统的设计思路是研发超大功率模块化全 固态调制器,推动2,4只功率量级在数十到数百 MW的超大功率常规微波管,每个微波管作为一个超 大功率发射机,组成一个功率单元,用于开展高功率微 波空间功率合成的研究.而且,多个功率单元可再次 进行组合,形成更大规模的功率合成.图1是4只微 波管合成,组成一个微波源的功率单元的示意图. 为实现采用阵面天线进行高功率微波空间功率合 成,阵面之间的间距受到限制,这就要求单个功率单 元,特别是末级输出器件不能大于天线单元的面积. 微波源必须采取紧凑设计,采用全固态调制器,高效高 压开关电源及高效冷却系统.同时,为了满足空间信 号同相相加的要求,单个发射机必须设计调节相位的 highpowerl 一]/klystron?_ , super-high…highpower卜 一]1klystron__?phasehighpower|’…一一,一controlj hantenn~/,power al1.solid.__I\『highpower『,arrav17micro- stateklystronl/WaVe modulator 『highpower_l_J,, fklystron__I r,__:I一 Jhighvoltagefphase}JcontrolandJcooling powersupply『cron-t-mvllprotectionsystem Fig.1Simplifiedschematicof4-klystron combiningmicrowavesource 图14管合成微波源系统示意图 功能模块,便于在调试和使用中根据需求对单套发射机的相位进行调整和控制.此外,为保护设备使用人员免 受可能的泄漏辐射影响,微波源系统必须采用远程控制实现开关机和参数调整,这就需要单个发射机设计完备 的机内测试设备(BITE)系统,将设备相关参数实时传送到远程控制端,并在发射机中设计自动调节或者远程 调节响应装置.本文介绍的微波源系统,基于感应叠加型全固态调制器,采用2只50MW大功率单注速调 管,设计了两个大功率发射机组成一个功率单元,进行功率合成. * 收稿日期:2011-06—29;修订日期:2011-12—30 作者简介:杨景红(1983),男,硕士,主要研究雷达发射机及高功率设备;jwycumt@163.com. 442强激光与粒子束第24卷 250Mw常规速调管发射机 50Mw大功率发射机采用全相参两级主振放大 式发射机,前级采用固态放大器,末级选用大功率单注 速调管.发射机的高频输入功率约5mw,输出功率超 过5OMw,系统总增益大于100dB.超大功率发射机 系统主要由前级固态放大器,移相器,大功率单注速调 管,全固态调制器,高压电源,低压电源,控制保护,冷 却系统及测试系统等组成.低压电源包括灯丝电源, 磁场电源,钛泵电源,去磁电源等.发射机系统组成框 图如图2所示. 前级放大器工作在c类饱和放大状态,组件内部 采用5级放大.前级放大器具备相位调节功能,在多 套发射机输出功率合成时,可方便实现输出相位一致. high voltagt power supply first stagepowerphase amDlltlerhi仟P’ VaCUUm Dlngsystem ?+poweroutput蕊 + 13owet supplyof ionicpump . i.n...d.’..u...c...t.i’v...e.—- — [ adderal1.『 solid.stateI modulat0rl i klV gh . p 咖oweHandcoilsII!耻 Fig.2Schematicofsuper—highpowerkiystrontransmitter 图2高功率发射机组成框图 大功率单注速调管工作电压320kV,工作电流340A,增益超过50dB, 效率高于40,输出功率超过50MW. 高压电源采用5路高频开关电源并联输出,每路输出电压2kV,输出 电流l0A,5路电源相互独立,自动 均流,并具备欠流,过流保护等功能.控制保护系统采用可编程序逻辑控制器(PLC)作为核心控制器,可靠性 高,抗干扰能力强.主要负责全机的开关机,工作状态指示,故障监测以及相应保护动作. 3感应叠加型全固态调制器 国内外同等功率量级的微波发射装置,通常采用以闸流管为开关器件的线性调制器,如美国的斯坦福线性 加速器中心(SLAc)过去使用的速调管调制器为脉冲形成网络(PFN)调制器,使用闸流管推动每个速调管. 调制器将PFN充电到46.7kV,然后通过闸流管,对位于速调管底部的脉冲槽内的1:15的脉冲变压器放电. 调制器产生23.3kV,6kA脉冲,重复频率120Hz[8].为提高调制器的效率和可靠性,近年来,基于绝缘栅双 极晶体管(IGBT)的全固态调制器得到广泛运用,如SLAC为下一代线性对撞机(NLC)研制的基于IGBT的高 功率速调管调制器,输出电压500kV,输出电流为2kA,重复频率120Hz,用来驱动8只x波段速调管;日 本KEK为日本线性对撞机(JLC)的速调管调制器研制了一种包括一个1:5窄脉冲变压器的基于IGBT的固 态调制器,采用两个并联的调制器单元组成,总输出电压500kV,输出电流为530A,重复频率150Hz,驱动2 只75Mw速调管口.这些调制器的共同特点就是采用了全固态模块 化调制器组件设计,脉冲变压器耦合输 出. 超大功率速调管发射机采用基于感应叠加拓扑结 构的全固态调制器,40块单元组件通过脉冲变压器串 联叠加,使用高压大电流IGBT模块为开关器件.每 个组件输出为2kV/2kA,40个相同的组件串联,输 出指标为80kV/2kA.大功率感应叠加型全固态调 制器的系统框图如图3所示. 全固态调制器输出脉冲经400kV高压脉冲变压 器升压,得到输出电压达400kV,输出电流最高400 A,重复频率50Hz的调制脉冲.从而将调制器的输 出功率耦合到速调管,使速调管得到正常工作所需的 脉冲电压和脉冲电流.调制器系统在实际运用中,由 于速调管,脉冲变压器等可能打火,调制器会受到短路 冲击.为检验保护电路的可靠性,我们进行了模拟负 载打火试验,多次试验证实保护是可靠的,可有效保护 IGBT和调制器组件. Fig.3Schematicof40一cellinductive—addermodulatorwith trans{ormerandklystron 图3全固态感应叠加型调制器示意图 啪l皇{吾 , 第2期杨景红等:常规速调管空间功率合成微波源443 450MW发射机测试 超大功率发射机测试系统包括高功率波导,水负载以及保证波导系统内部真空度的抽真空装置.发射机 输出功率经转换波导,定向耦合波导,真空波导,测试波导等传输测试系统馈入高功率水负载,水负载吸收微波 功率,通过定向耦合波导测试输出脉冲功率. 根据上述测试系统,对发射机进行了系统测试.图4是发射 机满功率时的测试输出波形,从上向下依次为chl,ch2,ch3,ch4, 分别代表末级输出电流波形,射频输出检波包络波形,末级输出 电压波形和前级调制波形.其中前级调制波形宽度1s,输出脉 冲电压310kV,脉冲电流320A,输出功率可达50Mw,射频输 出检波包络波形脉冲宽度0.9s,脉冲前后沿均小于0.1s. 测试结果表明,实测功率和脉冲波形指标均满足指标要求. 基于IGBT的感应叠加型全固态调制器满足了50Mw大功率发 射机要求,具有效率高,花费少,可靠性高等优点].在此基础上 研制的50Mw大功率发射机采用了高频开关电源,基于PIc的 控制保护系统等先进技术,可靠性较高,机动性强,初步满足微波 源系统要求. 1gs/div Fig.4Transmittertestwaveforms 图4发射机测试波形 5结论 本文采用超大功率感应叠加型全固态调制器,推动多个常规速调管, 可实现微波空间功率合成所需的微波 源系统.研制结果表明,采用基于常规速调管的发射机技术,研制用于 空间功率合成的微波源系统是可行的. 该技术体制的核心在于研制更高功率量级的常规电真空器件以及 更大功率量级的全固态调制器,同时,需要解 决超大电流传输,高压绝缘,小型化结构及高效冷却等关键技术,以满 足微波源系统要求. 参考文献: [1]KaiChang,KennethAH.ExperimentsODinjectionlockingofactiveantennaelementsforactivephasedarraysandspatialpowercombiners [J].IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques.1989,37(7):1078—1084. 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[11]CasselRL,PappasGC,NguyenMN,eta1.AsolidstateinductionmodulatorforSIACNLc[C]//Proceedingsofthe1999ParticleAccel eratorConference.】999 444强激光与粒子束第24卷 Spatialpowercombiningmicrowavesourcebasedonsinglebeamklystron YangJinghong,QJanMeng,LiaoYuan,LiuChao (NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China) Abstract:Themicrowavesourceforspatialpowercombiningbasedonsinglebeamklystronhasbeendeveloped,whichwill meettherequirementsofmodernradarsandhighpowerequipments.Thesystemcomposition,highpowerklystron,phasecontrol andhighpowertestsystemofthe50MWsuper—highpowerklystrontransmit terdevelopedareintroduced.Thepaperputs emphasesonthekeytechnologiesofthetransmitter,andprovidessomeconcretesolutionstothedesigndifficulties.Thedesignof theinductive—adderhigh—powerall—solid—statemodulatorbasedonhig h—powerIGBTmodulesasswitchesispresented,whichcan improvethereliabilityofthetransmitter.Thetestresultsofthesuper-highpowertransmitteraregiven,whichshowthatthe transmittersatisfiestechnicalrequirements,andimprovementmethodsforthetransmitterarediscussed.Thefuturedevelopment ofthemicrowavesourceforspatialpowercombiningbasedonsinglebeamklystronisforecasted. Keywords:microwavesource;50MWklystrontransmitter;phasecontrol;all—solid—statemodulator;spatialpower combining “研究快报’’征稿启事 为了更好更快地报道强激光与粒子束技术领域重要的最新成果和 进展,并为最新研究成果争得抢先发表 权,《强激光与粒子束》编辑部欢迎广大作者提供”研究快报”稿件. 研究快报简要报道相关领域前沿性的,最新 的,有特色的或重大科学研究课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 的最终结果或阶段性成果,是对前 沿学术动态和首创性科学研究成果的简 介. 研究快报的来稿要求除与投本刊的研究 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 基本一致外,还需特别 注意:来稿主要数据齐备,结论明确;方 法,过程,推导从简;要有中英文摘要,关键词,作者简介,基金项目等信 息,全文为2页(约400 0字 个人自传范文3000字为中华之崛起而读书的故事100字新时代好少年事迹1500字绑架的故事5000字个人自传范文2000字 )以内.本 刊对研究快报将即审即发,以提高时效性,快报的发表不影响其后全文的发表,也欢迎作者将后续全文投本刊 发表. 中文摘要内容要求200~300个汉字的篇幅;英文摘要应包括题目,作者姓名(汉语拼音形式),作者所在单 位,摘要的正文(300左右英文单词)和关键词.英文摘要可不限于中文摘要的直译,其内容包括:论文工作的 目的简述,即作者想要解决哪些学术或技术问题;主要实验内容简述;实验结果,分析和所得结论,以及论文的 创新和意义所在,不做自我评价. 来稿格式可参照《强激光与粒子束》已发表的”研究快报”格式要求(). 《强激光与粒子束》编辑部