全固態功率放大器在加速器領域的應用研究

袁震宇

（北京北廣科技股份有限公司，北京 101312）

近年來，全固態功率放大器在國內外加速器領域得到了廣泛應用，尤其是超大功率（達到180kW 等級）的固態功率源在法國光源（SOLEIL）和歐共體光源（ESRF）等實驗室實際帶束流運行，證明了全固態功率源可滿足加速器應用的要求。在國內，雖然加速器使用的固態功率源功率等級較小，但已得到了驗證，中國科技大學的204 MHz／40kW 和北京大學的1.3GHz／20kW 功率源均已運行，取得了大量的實驗數據，證明了我國的全固態射頻功率源在加速器領域的應用達到了國際上的同等技術水平。

本文針對不同的固態功率源在各加速器試驗裝置的應用，闡述全固態功率源的主要組成、特點，以及在不同應用方式下設計射頻功率源需注意的關鍵點，并總結全固態功率源在加速器高頻系統應用的經驗，為全固態射頻功率源設計及應用提供參考，以推動我國高能射頻功率源的快速發展。

1 不同功率放大器件在加速器領域的應用

功率放大器件主要分為電真空功率管和半導體功率管。電真空功率管包括三極管、四極管、束調管、感應輸出管等，電真空功率管可輸出較大功率，因此在20世紀，真空功率管幾乎占據了大功率放大的所有應用領域；半導體功率管包括雙極性管、場效應管等，場效應管輸出功率較大，根據不同材料和工藝又包括VDMOS、LDMOS、砷化鎵、氮化鎵等，由于技術、工藝限制，單管功率小，但近年來隨著技術的發展，單管功率越來越大，應用領域也逐漸擴大［1］。

在加速器應用領域，根據加速器的束流能量，需要的高頻功率也不盡相同，從千瓦級至兆瓦級都有，一般的工作頻率為幾十兆赫茲至幾吉赫茲。目前占主流的大功率高頻放大器主要是速調管放大，也有部分同步輻射光源采用了IOT。更新型的全固態發射機已應用在SOLEIL和ESRF等裝置上。

從經濟性上看，電真空功率放大器與全固態功率放大器各有優缺點，在超大功率放大（兆瓦級）時，電真空放大器具有單管功率大、成本低的優勢，而在中小功率放大（百千瓦級及以下），全固態成本優勢更為明顯；從技術上看，電真空放大器抗失配能力優于全固態放大器，全固態放大器從性能指標、可靠性和維修性方面優于電真空放大器。表1列出了加速器領域常用頻率和功率等級的功率放大器件。

從表1可看出，任何一種器件均不能實現全波段應用，在電真空管中，四極管價格較低，工作穩定，但工作頻率較低；IOT 的效率較高，但應用于加速器領域，可靠性較低；束調管是加速器領域應用最廣的電真空放大器，但并不是一種束調管可以覆蓋300 MHz～10 GHz頻率，貨架產品中會有頻率空白，因此有時需根據加速器應用的頻率和功率定制，由于用量較少，目前價格越來越高。場效應管中，在1.5GHz以下可實現較大功率輸出的，目前主流是LDMOS（橫向擴散金屬氧化物半導體）管，與電真空器件相同，也不能實現同一型號全波段覆蓋，這主要是因為管中的內匹配電路和制造工藝對頻率特性影響較大所致，現有器件中，主要按表1分段。半導體器件隨頻率升高而損耗加大，所以頻率越高，功率管最大輸出功率越小，效率越低，例如500 MHz以下，單管效率最高可達85%，但在1.3GHz或1.5GHz時，額定輸出的單管效率最高只能達到65%。電真空放大器與全固態放大器的比較列于表2。

總體來說，全固態放大器采用低壓供電，多模塊并聯合成，因此個別模塊的損壞對整體性能影響較小，從使用的可靠性來說要高于電真空放大器；全固態放大器單模塊價格較低，損壞時修復成本低，且無高壓，可在線更換，另外無壽命器件，不需備份價格昂貴的電真空管；全固態放大器的幅度、相位在放大器工作狀態確定后主要受溫度影響較大，電源波動的抑制較高，受電源波動的影響較小，而溫度變化是慢變化過程，低電平控制系統可有效地控制；全固態放大器普遍采用單管或單模塊加環形器方式解決其抗適配能力差的弊端。

表1 加速器領域常用頻率和功率等級的功率放大器件Table 1 Different power devices in common use for accelerator

表2 電真空放大器與全固態放大器的比較Table 2 Comparison between electric vacuum amplifier and solid amplifier

2 全固態功率放大器主要考慮的問題

2.1 基本功率模塊

加速器用功率放大器的功率較大，為降低成本，希望最小功放模塊的功率要盡可能大，但受限于功率管、輸出電容、環流器、吸收負載等器件的功率容量，為保證抗失配能力和工作可靠性，目前各基本功率模塊功率在數百瓦量級，低頻段可達1kW。另外，基本功率模塊的工作效率決定了整機效率高低，因此需盡可能地提高其效率。

2.2 功率合成器

全固態放大器由于單管功率小，需進行合成才能達到所需功率，因此合成損耗是不可避免的問題，無論對用戶還是對生產廠家，合成損耗希望降低到最小，以減小耗電量，簡化散熱設計，因此要盡量減少合成級數。

目前的功率合成器已可實現數百千瓦量級的超大功率合成。合成器從原理上主要有正交合成和同相合成等［2］，目前各家普遍采用同相方式，同相合成器的結構形式有微帶、同軸和波導等，微帶主要采用印刷電路板形式，較大功率時也采用空氣介質的懸帶線形式，微帶合成器承受功率較小，合成損耗較大，各路相位、增益不平衡性能較差，在10kW 等級以下使用較為普遍；同軸合成器可適應各種功率等級，合成路數也可以非常靈活，且各路相位、增益不平衡性能非常好，因此應用范圍較寬，一般100kW 以下均采用同軸方式；波導合成器耐受功率大，合成損耗小，但合成路數受限，一般用在超大功率的最后1級合成。

2.3 供電電源

固態功率管工作電壓較低，一般在50V 左右，供電電流隨功率的加大越來越大，甚至達上千安培，這對整機的布線有很大影響。此外，電源效率是影響整機效率的一個重要因素，以耗電300kW 的發射機為例，每提高一個百分點，耗電將減小3kW，因此希望供電電源效率越高越好。

目前大功率發射機的電源使用主要有3種方式：第1 種為集中電源供電，將多路大功率AC-DC電源并聯后給功放模塊供電，這種方式效率最高（電源效率最高可達96%）、成本最低，但由于是50V 直接分配，數千安培電流的工程布線非常困難；第2種為變壓器整流后變為高壓直流，功放模塊采用DC-DC變換器變換為功放管供電，這種方式解決了布線問題，但由于變壓整流均有損耗，大功率DC-DC模塊效率也比較低，整個電源系統的效率較低，一般只能達到88%左右，成本也較高；第3種方式是交流電源直接送到功放端，功放采用AC-DC 模塊變換為直流，這種方式也解決了布線問題，但由于功放單管功率小，電源功率不需要很大，電源模塊中的固定損耗對總效率有一定影響，電源系統的總效率約可達92%，成本要高于第1種方式，與第2種方式相當。

2.4 測量與保護系統

全固態功率放大器在加速器應用時，要么是一個超大功率的發射機，要么是很多部小功率的發射機，整個高頻系統的運行狀態如何，需采用計算機監控系統，而計算機監控系統的基礎是測量系統，全固態放大器因功率模塊、功率合成器、電源模塊數量較大，所需的測量數據就要多，因此在1 個發射機中，測量點的合理設置和測量電路的抗干擾能力尤為重要。從多種類型的功率放大器實際應用來看，應盡可能多地設置測試點，特別是各發熱部件的溫度測量尤為重要，以保證全面掌握發射機的工作狀態。

影響全固態放大器可靠性的主要因素有兩個：散熱和功率沖擊。因此全固態放大器設計時必須降低各散熱接觸面的熱阻，應盡可能減小接觸面的層級，增大接觸面的面積，并考慮空間輻射熱量的傳導。保護系統除了監測各發熱點的溫度并做出相應動作外，還需對過功率、過激勵等狀態快速反應，以保證放大器不受損壞。

2.5 全固態功率放大器的一般原理

全固態功率放大器的原理較為簡單，不同頻率、不同功率的放大器僅是射頻通道的部件種類和數量不同。

功率放大器一般由功放系統、控制系統、同軸系統和冷卻系統4個部分組成。功放系統由驅動級放大器、多個功放模塊及相應的同軸、波導合成器組成，將信號逐級放大合成為所需功率。控制系統由工控機及分布式采集的單片機通過總線組網構成，對全系統進行采樣監測并控制，同時可通過網口送至總控制室進行遠程監控。同軸系統主要包括同軸功率分配器、功率合成器、定向耦合器等部分。冷卻系統由冷板散熱器、進出水路、冷水機等部分組成，對放大器發熱部分進行冷卻［3］。

圖1示出某324 MHz／25kW 脈沖功率源的放大器組成框圖，其他功率源與此類似。

3 全固態功率放大器的測試

3.1 概述

加速器用全固態功率放大器的工作模式主要是連續波和脈沖。兩種工作模式對全固態放大器的要求并不相同，連續波工作模式下，放大器主要要考慮散熱的問題，因此從功放模塊中的元器件到功率合成、傳輸等部分，都要考慮減小熱量產生，并采取各種散熱辦法，使得熱量盡快排出；脈沖工作模式下，主要考慮脈沖的頂降、上升下降沿等需要放大器快速響應的問題，耐功率問題只需考慮耐射頻電壓即可。因此，在放大器的設計時，考慮的角度不同，需采取的措施也不相同。

3.2 針對1.3GHz／20kW 功率放大器的連續波測試［4］

1.3GHz／20kW 功率放大器為北京大學物理學院重離子裝置研制的高頻功率源，用于驅動工作頻率為1.3GHz的超導加速器，主要測試了增益、相位隨功率和溫度的變化情況。

1）相位變化

測試從1kW 到額定輸出功率20kW 的變化，要求相位變化要小于±5°，實際測試為7°，結果如圖2所示。

由圖2可看出，輸出功率從1～20kW 變化時，相位從71°～64°變化，反映了小信號和大信號功率管的特性不同，同時也反映出了溫度的波動對相位有較大影響。

圖1 全固態功率放大器原理框圖Fig.1 Block diagram of solid power amplifier

圖2 功率從1～20kW 輸出變化時相位的變化Fig.2 Change of phase with power change from 1kW to 20kW

2）幅度穩定性

在額定輸出功率情況下，幅度穩定性需在接入低電平控制系統時達到±0.2%，實際測試時沒有低電平控制系統，因此在開環情況下進行了測試，在同一溫度情況下，穩定度小于0.1dB，即2.3%，在溫度變化情況下，穩定度小于0.3dB，即7%（圖3，溫度從18℃到22℃變化）。

圖3 額定功率下的功率穩定度曲線（開環）Fig.3 Curve of power stability in rated power（open loop）

從圖3可看出，開環功率穩定度不可能滿足加速器要求，必須要有低電平控制系統，另外，工作溫度對穩定度影響很大，但工作溫度變化是慢變化過程，低電平控制系統可以很容易進行補償。

3）相位穩定性

在額定輸出功率情況下，相位穩定性需在接入低電平控制系統時達到±0.2°，實際測試時沒有低電平控制系統，因此在開環情況下進行了測試，由測試結果看出，溫度在4 ℃內變化情況下，相位穩定度小于0.16°（圖4）。

圖4 相位穩定度曲線（開環）Fig.4 Curve of phase stability（open loop）

3.3 針對324 MHz／25kW 功率放大器的脈沖測試［5］

324MHz／25kW 固態放大器射頻功率源的功用是用來驅動中能束流傳輸線（MEBT）的兩個聚束器和直線-環束流傳輸線（LRBT）的一個散束器。功率源工作頻率為324MHz，脈沖重復頻率為25Hz，最大脈沖寬度為650μs，占空比為1.625%，輸出功率為25kW。主要測試脈沖頂降、過沖、上升下降沿和幅度穩定度等指標。

1）脈沖頂降

測試結果示于圖5。測試基準電壓為6.15V，最高點與最低點差為43 mV，因此頂降為43mV／6.15V＝0.7%。

2）脈沖上升下降沿

由示波器可直接讀出上升沿為105.5ns，下降沿為100ns，如圖6所示。

3）脈沖過沖

過沖為脈沖起始最高點與脈沖平頂之差與脈沖平頂的比值，脈沖平頂為6.15V，過沖電壓為114mV，因此測試結果的過沖為114 mV／6.15V＝1.82%，如圖7所示。

4）幅度穩定度

幅度穩定度為24h的測試結果，使用儀器自動記錄，穩定度為±1.5%。從結果中看出，穩定度隨冷卻水溫變化在變化，如圖8 所示。從圖中可看出，23：21 之前由于設備處于調試階段，沒有穩定，因此計算取自23：21以后的數據記錄。從數據可看出，當水溫變化4℃時，輸出功率變化在750 W 之內，對于25kW的額定輸出，幅度穩定度在±1.5%之內。

圖5 脈沖頂降Fig.5 Pulse waveform drop

圖6 脈沖上升下降沿Fig.6 Rise／fall time of pulse

圖7 脈沖過沖Fig.7 Pulse overshoot

4 結論

全固態射頻功率放大器先后經過162.5MHz、325 MHz、1.3GHz等10kW／20kW 連續波功率源和324 MHz／25kW脈沖功率源等設備的測試，技術指標達到了國際先進水平，為下一步加速器研究奠定了基礎。研制中的經驗主要如下。

1）充分利用計算機輔助設計，可縮短研制周期。

2）同軸及波導元件的加工、焊接工藝非常重要。

3）溫度變化對功率源相位、增益影響很大。

4）抗全反射性能是和超導加速器匹配工作的前提條件。

5）全面的智能監測有助于簡化功率源的使用維護。

6）脈沖工作模式下，需在放大電路、濾波電容、電源電容等方面考慮，才能滿足有關脈沖的性能指標。

圖8 幅度穩定度測試結果Fig.8 Test result of amplitude stability

［1］ LUNWING R，BRETCHKO P.射頻電路設計［M］.王子宇，張肇儀，徐承和，譯.北京：電子工業出版社，2002.

［2］ 馮新宇，車向前，穆秀春.ADS2009 射頻電路設計與仿真［M］.北京：電子工業出版社，2010.

［3］ 李宗謙，佘京兆，高葆新.微波工程基礎［M］.北京：清華大學出版社，2004.

［4］ 張保澄，王芳，張建華.1.3GHz／20kW 固態功率放大器測試報告［R］.［出版地不詳］：［出版者不詳］，2011.

［5］ 李健，姚遠，張建華.325 MHz／25kW 固態功率放大器測試報告［R］.［出版地不詳］：［出版者不詳］，2014.