电源调制器电路对脉冲行波管功率放大器相位稳定性影响研究

董 戈 胡波雄 肖 曦



电源调制器电路对脉冲行波管功率放大器相位稳定性影响研究

董 戈*①胡波雄②肖 曦③

①(清华大学航天航空学院 北京 100084)②(中国科学院电子学研究所 北京 100190)③(清华大学电机工程与应用电子技术系 北京 100084)

行波管放大器(TWTA)广泛应用在雷达、通讯等领域。相位稳定性影响传输信号质量、目标参数检测精度、电磁兼容性等指标。该文在定量分析电源调制器(EPC)电路参数对TWTA相位稳定性影响的基础上，提出提高TWTA相位稳定性的EPC电路的几种设计方案：选择合理的供电电路，利用低压储能高频高压电源提高阴极电压的稳定性，利用调节控制脉冲幅度补偿阴极电压脉冲顶降造成的相位不稳定性。该文成果为研制体积小、功率大、相位稳定性高的TWTA提供了依据。

行波管放大器；电源调制器；相位稳定性

1 引言

微波和毫米波大功率发射机中广泛地应用行波管功率放大器(Traveling Wave Tube Amplifier, TWTA)。随着信号相干处理方法的普遍运用，对发射机相位稳定性的要求也不断地提高[1,2]。此外，发射机相位稳定性的提高可以提高传输信号的质量，提高目标参数确定的精度，亦会促进日趋重要的电磁兼容性问题的解决[1]。对影响TWTA输出信号相位稳定性的电源调制器(Electric Power Conductor, EPC)电路参数进行定量分析，提出提高TWTA相位稳定性的EPC工程解决方案具有重要的工程应用意义。

行波管各电极电压的不稳定性、输入功率的不稳定性、负载阻抗的变化等是造成行TWTA输出信号相位不稳定的主要因素。此外，工作环境的变化、机械作用等因素同样会造成TWTA输出信号相位的不稳定性。但是，目前行波管及其功率放大器的设计、生产工艺水平使它们的影响微乎其微。在功率放大器的设计过程中可以不考虑这些因素。

2 影响行波管放大器输出相位稳定性主要因素的分析

根据行波管线性理论，对于大多数大功率行波管，由于加速电压(或阴极电压)U不稳定性造成TWTA相位增量的变化和由于控制极电压U不稳定性造成TWTA相位增量的变化工程估算公式表示为[6]

(2)

其中，为慢波线的电长度，为皮尔斯(Pierce)增益系数。

不失一般性，文献[3]以输出功率10 kW，增益60 dB，带宽5％的TWTA为例，给出了TWTA输出信号相位稳定性表主要影响因素的计算值和实际值，见表1。

表1 影响TWTA相位稳定性的主要因素

由表1可以看到影响TWTA输出信号相位稳定性的最主要因素是供电(阴极、控制极)电压的不稳定性、输入和输出功率的不稳定性。为保证的相位稳定性，行波管微波输出端和负载的驻波系数应该控制在1.5以内。输入功率的稳定度要求也并不是非常苛刻，这些在TWTA设计中相对容易实现。

综上所述，保证TWTA输出信号相位稳定性的关键是保证供电电压的稳定性，特别是阴极和控制电压的稳定性。下面进一步研究EPC电路对TWTA微波输出信号相位稳定性的影响。

3 EPC电路对TWTA微波输出信号相位稳定性的影响

3.1 选择合理的EPC供电电源电路

供电电源电路可分为两大类：阴极和收集极电源串联和并联电路。从保证脉冲TWTA相位稳定性的角度，并联电路具有优越性。这是由于虽然收集极电压并不影响相位稳定性，但是串联电路阴极电源的等效负载小于并联电路，储能电容的放电时间常数小，加速电压脉冲内顶降大，相位稳定性差。在相同的条件下，采用并联电路可以将相位稳定性提高一个数量级。为了提高功率放大器的效率，可以采用降压收集极的方案，也就是说收集极电压在数值上低于阴极电压。图1是考虑到供电电路影响，推荐采用的EPC电原理框图。

图1 并联供电电路EPC电原理框图

图中1~5分别表示行波管的灯丝、阴极、控制极(栅极)、慢波系统和收集极。PS1是灯丝电源；PS2提供控制极的截止电压电源；C1是旁路电容；M为调制器；PS3是阴极电源，大功率脉冲TWTA中通常是104~105V高压，C2是PS3的储能电容；PS4为收集极电源。选取相应的收集极电压可以提高行波管的电效率。收集极可以采取多级降压技术。由于这并不是问题所在，所以这里给出简化的电原理框图。

3.2 采用低压储能高频高压电源保证阴极电压的稳定性

上述分析表明，提高TWTA相位稳定性的关键是保证EPC阴极输出电压的稳定性。优化设计EPC的阴极电源是整个EPC设计的核心之一。

图2给出了低压储能高频高压EPC阴极电源电原理框图。其主要特点在于将高压储能电容器移至电压较低的输入端。图2中1为输入模块。它的作用是保证电源与供电网的隔离，提供高频交流转换器2输入电压及其初步稳压。这一电压值应保证400 V左右，这样可以使用廉价电解质电容器。谐振高频交流变换器2、滤波电路3、高频高压变压器4和桥式高压整流器5共同完成输入电压的高频高压转换。输出频率应在105Hz数量级。这样可以降低输出端滤波电容容值。电源有稳压回路。它包括分压器6和反馈回路模块7。它们与模块2~5以及和高压滤波电容器C3共同完成稳定输出电压的任务。图2中R是阴极电源的等效电阻。K是等效开关。

其中，K为升压系数，即阴极电路输出U和输入端电压和in之比，R为行波管阴极电路的等效电阻，/U为行波管阴极输出电压的相对稳定性，为脉冲宽度。

利用低压储能电容的另一优势在于低压储能电容的能量不会在打火时通过输出回路释放，从而不会对行波管造成破坏。这是由于当输出回路出现打火现象的瞬间，输出回路瞬态电流很大，由于电源内阻图2中A点的电压下降，而B点的电压由于滤波电容的作用仍然维持在标称输出电压，也就是说B点电压高于A点，这样整流二极管电桥开路电源变压器原边的能量不能传输到输出端，从而起到了保护行波管的作用。虽然储能电容的储能往往远大于电真空管的击穿能量，但是采用图2的设计使的能量在行波管火花放电时由5截止，形成了对行波管的保护，避免了真空放电器件的使用，缩小了放大器体积，提高了可靠性，工艺更为简单。除此以外，低压电容虽然在数值上大于高压电容，但其体积和价格均远小于。这些都为研制小体积、高电压稳定性和高可靠性的全固态高压电源奠定了基础。

图2 低压储能高频高压阴极电源的电原理框图

采用此电路的优点是高频纹波的性能好；避免高压储能电路中必须使用的保护行波管的真空放电器；大大缩小了电源的体积和质量。

脉冲TWTA中EPC的调制器由控制极的截止电压电源和保证行波管导通的正偏压调制器组成，它提供具有相应幅度和宽度的脉冲电压以开关TWTA。

仔细研究式(1)和式(2)可以发现，阴极和控制极电压的变化会造成符号相反，数值相差一个数量级的输出信号相位变化。脉冲式TWTA脉冲时储能电容放电造成的阴极电压的不稳定性是遵循幂指数函数规律变化。因此可以利用脉冲内控制极电压相应的调节对阴极电压脉冲内顶降造成的相位不稳定性进行补偿。这一变化规律可近似的表示为

其中，()为控制极时刻的电压，M为控制极行波管的导通电压，2为控制极行波管的截止电压，为脉冲重复频率，为脉冲宽度，为储能电容充电电路时间常数，为行波管皮尔斯增益系数。

实现这一思路的调制器M电路见图3。输出端1接行波管的控制极，输出端2接行波管的阴极。在脉冲行波管两个脉冲间隔期间变压器将控制脉冲形成两路，一路控制VT4，其栅极电压高于源极电压，VT4导通。另一路控制VT1，其栅极电压低于源极电压，VT1截止。VT2和VT3也处于截止状态。此时，调制器M输出端电压()2，保障脉冲行波管处于截止状态。当调制器M输入处于脉冲期间，VT1~VT3导通，而VT4截止。此时，调制器M输出端电压()=M+M()。改变VT3栅极电压可以实现对M()的调整。这一调整由VT2和电阻R3~R8实现，其中R3远远大于R4~R8的阻值。当K处于滑动电阻的上半部分时，电容C2的放电将造成VT2基极电流下降，通过R10的电流也下降，VT3栅极的电压也下降，其规律遵循指数变化，时间常数，当脉冲宽度>(3~5)时，脉冲末期，调制器M输出端电压值为

当K处于滑动电阻的下半部分时，电容C1放电将造成VT2基极电流增加，通过R10的电流也增加，VT3栅极的电压也增加，其规律遵循指数变化，时间常数，当脉冲宽度> (3~5)时，脉冲末期，调制器M输出端电压值为

(6)

这一电路优点在于对脉冲内控制极电压的调整，实现功率放大器输出信号的相位稳定。需要说明的是这一方案有一定的局限性，控制极电压调整应在(1%~10%)M的范围内，过大的调整会影响行波管的正常工作。过小的调整会由于控制极电压纹波的原因难以实现。因此，可以补偿的相位不稳定性对应阴极电压的不稳定性有一定的范围，它由Pierce放大系数确定。

5.并购价值的效应体现。一个是效益效应，据某些资料显示，对于双方融资成立的新公司，首次融资已经超33亿元，融资后公司的估值可超180亿元，这是全球范围最大的私募融资之一，这有利于新企业在未来的时间内上市。两家的合并重构使得用户数量急剧上升，覆盖的群体范围以及地域范围也扩大。新公司覆盖了超过2800个县、市、区，日订单量突破1000万单，移动端月度活跃用户超1.5 亿人，年购买用户近2亿人，2015年总交易额超过1700亿元人民币。另一个是战略效应，对于企业来说，拿下O2O市场，就有在互联网领域的主动权，未来发展的潜力不可限量，美团与大众点评的战略整合，两家企业优势互补，有利于公司的长远发展。

图3 可实现控制极电压调节的EPC脉冲调制器电原理图

4 实验验证

利用上述理论完成脉冲行波管EPC的电路方案设计。行波管工作频段为S波段，频带宽度不小于62 MHz，输出峰值功率不小于2400 W，最大脉冲宽度40ms，最大工作比12.5%，效率不小于28.5%。行波管阴极电压，慢波线平均电流，根据输出信号相位稳定性小于5o的要求，电压稳定性/U达到数量级，2级降压收集极一次电源电压标称值42 V，总功耗。脉冲行波管EPC的照片见图4。

主要参数的测试结果见表2。采用本方案的EPC 阴极电压稳定性，纹波小于3 V，相位稳定性5o。同时大大降低了电源体积、重量和研制成本，具备很好的打火保护功能，提高了TWA的可靠性。

5 结论

本文在定量分析EPC电路参数对TWTA相位稳定性影响的基础上，提出了保证TWTA相位稳定性的EPC设计方案。通过EPC研制验证了所提方案的有效性。本文提出的提高相位稳定性的方法为研制体积小、功率大、相位稳定性高的TWTA提供了依据。微波技术的发展还需要我们对TWTA输出信号相位稳定性作进一步的研究，尤其是相位不稳定性与其因素解析关系的理论研究。此外，本文提到的稳定TWTA相位的方法也可以应用在行波管相控阵天线系统各单元相位的控制过程中。

图4 脉冲行波管EPC照片

表2 EPC主要参数测试结果

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Study on Influence of Electric Power Conductor Circuits on Traveling Wave Tube Amplifier Phase Stability

DONG Ge①HU Boxiong②XIAO Xi③

①(,,100084,)②(,,100190,)③(,,100084,)

Traveling Wave Tube Amplifier (TWTA) is used extensively in the fields of radars and communication. And its phase stability could exert influence upon the quality of transmission signals, the detection accuracy of target parameters and the electromagnetic compatibility. This paper quantitatively analyses the effects of Electric Power Conductor (EPC)’s circuit parameters upon the phase stability of TWTA, and proposes further advanced three designing schemes on the EPC to improve the phase stability of TWTA,.. selecting a reasonable power supply circuit; adopting low-voltage-charging, high-frequency, high-voltage source to raise the stability of high-cathode voltage; compensating the phase instability from the cathode voltage pulse top fall effect through the adjusting of the amplitude of control pulse. This paper provides theoretical basis for the researching of TWTAs with compact size, high power, and high phase stability.

Traveling Wave Tube Amplifier (TWTA); Electric Power Conductor (EPC); Phase stability

TN124

A

1009-5896(2017)02-0504-05

10.11999/JEIT160876

2016-08-24；改回日期：2016-11-07；

2016-12-29

董戈 dongge@tsinghua.edu.cn

中国科技部政府间科技合作项目(CR20-09)

Program of International Science and Technology Cooperation (CR20-09)

董 戈： 男，1971年生，教授，博士生导师，主要从事航空航天电子技术、微波遥感技术和星载TWTA等方面的研究工作.

胡波雄： 男，1979年生，工程师，主要从事雷达发射机方面的研究工作.

肖 曦： 男，1973年生，教授，博士生导师，主要从事电机控制与电力电子方面的研究工作.