1kW速調管放大器控保電路的設計

祝 亮,陳建偉,李 楠

（中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081）

0 引言

速調管放大器是一種常用的高功率微波放大器,在需要大功率發射的場合發揮著不可替代的作用。速調管是速調管放大器的核心部件,負責射頻信號的末級功率放大。為了保證速調管可靠工作,延長其使用壽命,系統必須對其工作狀態及供電系統的各種參數進行實時監視并實施有效控制以避免速調管受到損壞。

隨著近年來電子技術的飛速發展,速調管放大器的控保電路已經由分立器件、運算放大器及邏輯電路等構成的純硬件系統升級為以可編程邏輯器件和微控制器為核心,通過監控軟件采集速調管放大器的各項工作參數并進行分析和處理,實現了更加完善的功能,同時提高了系統應用的靈活性。現今速調管放大器的控保電路具備工作狀態的實時顯示、快速保護、故障存儲、軟件校準、遠端監控等智能化功能。

1 速調管的工作特性

1.1 基本電路構成

1kW速調管放大器中末級功率管采用恒磁聚焦式五腔速調管。速調管陰極產生的電子在電子槍的作用下形成均勻的電子束,通過速度調制、群聚,激勵諧振腔,再調制、再群聚、再激勵的過程后,電子束的部分能量就轉換成了射頻能量,剩余的能量在轟擊收集極時轉換成了熱能。速調管的功能就是通過電子束與磁場之間的相互作用而將電源直流能量變換為射頻能量。

速調管及外圍單元的典型構成電路如圖1所示,主要包括射束電源、燈絲電源、射束電壓檢測、射束電流檢測、腔體電流檢測、射頻輸入功率檢測、射頻輸出功率檢測和反射功率檢測電路。

圖1 速調管典型外國電路

1.2 控保的方法與措施

速調管放大器必須設計完善的自動控保電路以保證速調管可靠工作。所有設定的工作保護點需要參照速調管生產廠家給定的極限參數值,否則會大大縮短速調管的工作壽命甚至造成管體的永久損壞。

速調管放大器有嚴格的加/退電順序,這樣才能保證速調管工作在最佳狀態。在加電初期,只有當冷卻系統工作正常且燈絲預熱時間超過5min后系統才允許加射束高壓的操作。在退電時,由于速調管收集極工作在高溫狀態,如果立刻讓冷卻系統停止工作,速調管收集極溫度會急劇升高,所以正確的退電順序是斷開射束電源高壓后繼續保持冷卻系統再工作5min以充分排出速調管收集極和機箱內部剩余熱量。

雖然速調管的控保項目很多,但就其工作實質,可分為以下2類項目的檢測,現分別予以分析。

（1）模擬量檢測

模擬量檢測給出的是電壓或電流的連續變化范圍。控保電路需要檢測的項目由表1列出。針對1kW速調管的工作參數,表1中給出了各參數的保護點和需要采取的保護措施,并給出了測量分辨率,這是控保電路最重要的設計依據。

表1 速調管的模擬檢測項目

表1中速調管的反射功率是影響速調管使用安全的重要項目,必須進行及時檢測,反射功率過大可導致速調管輸出陶瓷窗口損壞。一般反射功率保護不必切斷射束電源,在30ms內將輸入功率降低30dB以上就能夠有效的保護速調管。

（2）狀態量檢測

狀態檢測量給出高低電平的變化或開關通斷信號。控保電路需要采集的速調管工作狀態有收集極溫度、冷卻系統工況和門開關狀態。速調管收集極內設計有常閉型溫度節點開關,當收集極溫度達到250℃～270℃時節點斷開。1kW速調管的收集極采用強迫風冷設計,冷卻風量必須實時檢測,如果軸流風機損壞或風道堵塞導致風量不足,系統應立即切斷射束電源并給出告警信號。需要特別注意的是,為了防止高壓觸電,速調管放大器在正常工作時所有面板是不允許打開的。除了粘貼高壓警告標志外還必須設計門開關聯鎖裝置切斷射束電源來主動保護操作和維修人員的安全。

根據黃桂東和Xia K的[16,17]方法，將不同冷藏時間的面團烘烤，冷卻至室溫，切成2 cm厚薄片，用物性儀測定硬度和彈性，每個樣品重復3次。程序參數設定條件如表1。

1.3 檢測量的可靠獲取

由于速調管工作電壓高,微波輸出功率大,控保電路容易受到來自機內各種電磁信號的干擾。狀態量屬于開關信號,轉換成TTL電平由監控采集,在軟件處理時可合理應用去抖動方法有效消除干擾,獲取正確的工作狀態。模擬量屬于連續變化量,采集處理過程會產生累計誤差,必須控制在一定范圍才能保證檢測精度。

取樣電路、電壓放大器和ADC構成了模擬量檢測電路,它們對最終結果帶來誤差。以采樣射束電流Ic為例,設取樣電阻Rc誤差為x1,電壓放大器電壓增益G誤差為x2,ADC引入轉換誤差為x3。檢測射束電流引入的累計誤差如下:

由式（1）可知,各部分電路誤差對最終結果均產生影響。由于電壓放大器不會對取樣誤差進行G倍放大,所以為了減小串聯取樣電阻對速調管收集極回路的影響,阻值可以適當取小,提高電壓放大器增益來滿足ADC的輸入特性。另外由于模擬量的取樣電壓非常小,取樣電纜需采用屏蔽措施以減小外界干擾。

2 設計實現

早期的速調管放大器對模擬量采用指針式表頭指示,顯示精度較低,尤其是射頻功率取樣表頭為非線性刻度,低功率時讀取比較困難。控保電路從表頭兩端進行電壓取樣,在電路上多采用通用型運算放大器、RS觸發器和邏輯數字電路進行設計,系統的復雜性和調試難度較大。

本設計采用大規模FPGA和高時鐘頻率的單片機構成1kW速調管放大器的控保系統。模擬量和狀態量經過各自端口采集后轉換為單片機能夠識別的數據流進行處理。監控單元根據控保項目的設計要求進行軟件編程,實現軟件的控制流程。模擬檢測量通過高精度ADC采集,在LCD上直接顯示,減少了硬件設計的難度,增加了系統的可靠性。

2.1 系統組成

1kW速調管放大器的控保單元工作原理框圖如圖2所示。各路模擬量經過數據選擇器后送ADC轉換成數字信號由單片機進行采集處理。

FPGA可以擴展單片機接口,負責采集各路開關量并送單片機處理,同時FPGA給出控制信號通過接口控制板對射束電源進行控制。采用數據選擇器的優點是只需使用一個ADC就可以采集多路模擬量數據。單片機和FPGA還負責速調管放大器內其它工作狀態的監控、鍵盤、LCD顯示和遠端通信。

圖2 控保單元組成框圖

2.2 取樣放大電路的設計要點

速調管放大器中射束電源輸出電壓高達7kV,射頻連續波輸出功率達1kW,所以設備內部的電磁環境非常惡劣。模擬取樣電路對檢測量進行取樣放大,工作在小信號狀態,很容易受到來自機內的各種干擾甚至損壞。以下措施可改善控保性能。

（1）加入箝位電路

箝位電路是防止取樣電路輸入端損壞的有效措施。TVS二極管響應速度快,箝位電壓穩定,適用于電壓敏感器件的保護。壓敏電阻屬于電壓限幅型,抗浪涌能力強,通流量大,失效模式為短路,二者結合設計可以有效保證取樣前端電路的安全工作。

（2）隔離放大

為了進一步加強隔離,采樣的電壓信號先經過1:1隔離放大器,再經過運算放大器進行電壓放大。隔離放大器采用美國ADI公司的AD629,輸入端共模、差模電壓可耐受±500V。

（3）合理使用運放

取樣放大電路的精確度與溫漂指標對數據采集的精度有很大影響,因此選用具有低噪聲、低溫漂性能的儀表放大器AD620用于電壓信號的采集放大。AD620的差分放大倍數G僅由一個外部的電阻決定,計算公式為:

為了保證采樣精度須選擇合適的RG,采用高精度電阻減小AD620電壓增益誤差。取樣電壓的值設計高些,可以降低放大電路的增益,對運放工作穩定性有利。實際中對于射束電壓、燈絲電壓等模擬量的取樣,AD620的增益設置為3～5。對于射束電流、腔體電流等模擬量取樣,為了減小串聯的取樣電阻影響,AD620的增益設置為10～20。

對于模擬量顯示的校準采用軟件參數校準。由于電位器阻值變化大,AD620的增益電阻不可采用電位器,否則數據采樣的精度無法保證。

2.3 ADC的選取

各路模擬檢測量經過取樣電路放大到合適電平由ADC采樣輸出至監控單元。由圖2可知,ADC在同一時間只能采樣一路數據,完成所有數據的采樣需要8倍以上的采樣時間,所以選用的ADC轉換時間應盡量短。

ADC的位數決定了采樣的分辨率。表1中各模擬量的分辨率指標是選擇ADC位數的依據。如果選擇10位ADC,分辨率為VFS/210,其中VFS是ADC滿刻度時的電壓值,在功率檢測時,由于檢波電壓與微波功率的非線性關系,在輸出的高端很難滿足分辨率指標。實際采用12位高速ADC,可使所有檢測項目中動態最大的輸出功率的采樣分辨率達到5W,那么其他檢測量分辨率指標均能得到滿足。

2.4 二次過荷功能軟件化

二次過荷保護功能是為了避免干擾信號影響整機的工作,在模擬量檢測中較多采用。二次過荷保護功能部分的軟件流程如圖3所示。當系統出現第一次故障并且又很快消失（故障持續時間小于2s）時,控保電路會立刻切斷高壓然后又自動恢復,如果在10s內該故障第二次出現,控保電路將再次立刻切斷高壓,且為永久性切斷高壓并給出告警信號。

圖3 二次過荷保護功能流程圖

傳統的硬件電路也可實現該功能,采用單結晶體管觸發電路產生10s間隔脈沖觸發計數器復位,計數器用于記錄故障次數。該電路比較復雜,由于觸發時間由RC時間常數決定,所以定時精度不高。

采用程序流程來實現該功能,不但簡化了硬件電路的設計,而且提高了應用的靈活性,不易受到干擾,定時準確,而且易于實現多次過荷保護功能。

3 結束語

應用新型元器件,在提高電路的抗干擾性能的基礎上,盡量縮短控制響應時間,提高檢測精度與準確度;對于無人值守站,遠程監控是速調管控保電路的一項重要功能。根據速調管給定的工作參數,在借鑒國內外成熟技術及電路的基礎上,以微控制器和FPGA為核心器件實現設計,簡化了硬件電路,可以對采集的模擬量合理運用大數判決、多次采樣等提高可靠檢測的技術措施,降低虛警概率,對速調管的控保更加全面。

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