一種多路注入鎖定磁控管相干功率合成微波源的製作方法

2024-04-09 19:43:05 1

專利名稱：一種多路注入鎖定磁控管相干功率合成微波源的製作方法
技術領域：
本發明涉及微波輻射源，特別涉及利用獨立信號源微波注入進行鎖頻調相(頻率鎖定和相位調整)的磁控管組合構成的相干微波發射系統。主要用於微波能量傳輸和微波能工業應用領域的微波相干功率合成技術。
背景技術：
在微波能量傳輸和微波能工業應用等高功率微波技術領域中，常常需要獲得儘可能高的微波功率。由於單個微波源的輸出功率受器件本身功率容量限制，採用微波功率合成技術是解決此難題的有效途徑。在現有微波功率合成技術中，分為相干功率合成與非相干功率合成技術兩大類。微波相干功率合成技術，要求系統中各個微波功率源的發射頻率、相位必須一定的條件，通常要求各個微波功率源的微波發射頻率和相位相同，這就需要使用大功率的微波鎖相、移相等技術。常用的微波發生器主要有固態器件和電真空管兩大類。目前獲得大功率微波主要採用固態器件逐級合成的方法。由於受到單個固態器件功率偏低的限制，固態器件多級合成的微波輸出功率僅達到千瓦量級。而目前微波能量傳輸等特殊領域常常需要兆瓦量級的微波源。考慮到壽命、成本等諸多因素，美國科學家首先在微波能量傳輸中提出採用價格低廉的商用連續波磁控管(簡稱為磁控管)來實現合成。為了提高合成效率，往往希望滿足微波相干合成的要求。磁控管是一種具有複雜幅相特性的微波器件。商用磁控管雖然具有價格低廉、單管輸出功率大、壽命長、功質比高等優點，但卻存在頻譜範圍較寬、相位不穩定的缺點。其工作頻率在較大範圍內隨機變化(如中心頻率為2450MHz和5800MHz的磁控管，其頻率範圍通常分別為2450±25MHz和5800±30MHz)，相位也在O 2JI範圍內隨機變化。因此必須對商用磁控管增加外圍輔助系統進行改造和控制，實現鎖頻調相後才能滿足多個磁控管微波源進行相干功率合成的要求，隨之出現了相位控制磁控管(PCM)。目前相位控制磁控管實現方法主要有兩種，一種是由美國科學家Brown提出的分別採用頻率和相位兩條反饋迴路，通過增加的「buck boost」線圈控制磁控管外磁場進行鎖頻調相的方法；另一種是日本京都大學研究提出的，通過控制高壓電源改變磁控管陽極電流達到鎖頻調相的方法。這兩種方法都是通過改變磁控管工作參數來實現鎖頻調相的，都涉及到磁控管本身結構的改造，結構複雜，實現困難。

發明內容
本發明所要解決的技術問題，就是提供一種多路注入鎖定磁控管相干功率合成微波源，採用功率注入的方法對系統中的磁控管進行微波注入鎖頻調相。本發明解決所述技術問題，採用的技術方案是，一種多路注入鎖定磁控管相干功率合成微波源，包括N個獨立信號源、N個磁控管、N個環行器、N個耦合器、N個混頻器、N個濾波器、控制裝置，所述獨立信號源輸出的注入信號通過環行器注入磁控管，調整磁控管輸出的功率信號頻率，所述功率信號通過環行器和耦合器輸出，所述耦合器輸出的一部分信號通過混頻器產生混頻信號，所述混頻信號經過濾波器輸入控制裝置，所述控制裝置根據混頻信號與標準信號的差異輸出控制信號，分別控制N個獨立信號源輸出的注入信號頻率和相位，所述標準信號由信號發生器提供，所述信號發生器與N個獨立信號源和控制裝置連接小為整數，N彡2。本發明的技術方案，使用高穩定度信號源產生頻率接近磁控管固有諧振頻率的注入信號，該信號經過環行器直接注入到磁控管中，當注入信號幅度達到相當數量級時，磁控管振蕩頻率與注入信號相位同步。在鎖頻範圍內，磁控管的輸出頻率與注入信號為同一值，磁控管的輸出頻率直接由注入信號頻率控制，實現了通過注入信號的方法對普通商用磁控管進行鎖頻調相控制。當N個獨立信號源在控制裝置控制下，將N個磁控管頻率鎖定到同一頻率和相位時，系統就達到了相干微波功率合成的要求，N個磁控管輸出的微波可以進行相干合成，得到大功率微波源。N的具體數值可以根據微波總功率和每個磁控管的微波功率決定，理論上幾乎不受限制。具體的，所述控制裝置由可編程邏輯控制器和計算機系統構成，所述可編程邏輯控制器具有N+1個輸入端，分別連接N個濾波器及信號發生器，所述可編程邏輯控制器輸出端與計算機系統連接，所述計算機系統的N+1個輸出端分別連接N個獨立信號源及信號發生器，對其輸出信號頻率和相位進行控制。採用可編程邏輯控制器和計算機系統組成控制裝置，是本領域最成熟的方案之一，特別適合用於本發明對多個獨立信號源輸出信號頻率和相位的控制。進一步的，所述控制裝置基於人工智慧學習算法，對N個獨立信號源輸出的注入信號頻率和相位進行控制。由於注入信號經過環行器、磁控管以及定向耦合器各級的延遲影響，加之磁控管工作中受直流高壓源、陽極電流、燈絲電壓、磁控管溫度等諸多因素影響，其輸出的功率信號特性參數(頻率、相位)在鎖定中仍存在動態變化，必須建立反饋迴路時刻動態調整其偏差，而且因上述原因存在一個相位的非線性變化過程。為此，本發明控制裝置中，採用了控制技術領域非常成熟的人工智慧學習算法，進一步提高了鎖頻調相的精度。進一步的，每個獨立信號源與環行器之間連接有功率放大器，用於放大注入信號到設定功率。在獨立信號源與環行器之間增加功率放大器，可以對獨立信號源輸出的注入信號功率進行放大，彌補信號功率不足的缺陷，以滿足磁控管鎖頻的要求。具體的，所述磁控管的直流高壓紋波< 1%。磁控管採用低紋波的直流高壓電源，其紋波< 1%，能夠降低電源本身噪聲對磁控管工作特性的不良影響，提高鎖頻調相的精度。推薦的，所述一種多路注入鎖定磁控管相干功率合成微波源用於空間微波能量傳輸和微波能的工業應用。空間微波能量傳輸和微波能工業應用往往需要大功率的微波源，採用本發明的微波源可以組成相干微波功率合成系統，從而得到大功率微波，滿足空間微波能量傳輸的大功率要求。
本發明的有益效果是，使用多個獨立的高穩定度信號源通過注入信號的方法對多個普通商用磁控管進行注入鎖頻調相；採用反饋迴路通過對高穩定度信號源輸出的注入信號的相位控制實現了磁控管的移相功能。本發明提高了磁控管輸出微波的頻率和相位穩定性，能夠滿足微波相干功率合成的要求，特別適合用於微波傳輸能量和微波能工業應用的技術領域。


圖1是N條支路構成的微波源結構示意圖；圖2是支路結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例，詳細描述本發明的技術方案。本發明採用微波注入鎖頻技術，在磁控管起振前，先注入一個低電平高穩定度的外部基準頻率微波信號(本發明稱為注入信號)，其頻率接近於磁控管的固有諧振頻率(或稱為中心頻率)。該信號經過環行器直接注入到磁控管中，當注入信號幅度達到相當數量級時，磁控管振蕩頻率與注入信號的相位同步。在鎖頻範圍內，磁控管的輸出頻率與注入信號頻率為同一值，磁控管的輸出頻率直接由注入信號頻率控制。實施例本發明的多路注入鎖定磁控管相干功率合成微波源，可以看成是有N條支路並聯構成，如圖1所示。每條支路結構相同，如圖2所示，包括獨立信號源1、功率放大器12、環行器2、耦合器3、磁控管4、混頻器5和濾波器7 (圖2中虛線上面部分)，其中控制裝置6 (圖2中虛線下面部分)為系統共有，用於對N個獨立信號源進行分別控制。下面以工作在C波段，頻率為5.799GHz的磁控管微波源為例，說明本發明的結構和實現方式。相應的，注入信號頻率=5.799GHz，磁控管中心頻率=5.800GHz，標準信號頻率=IOOkHz0本發明的多路注入鎖定磁控管相干功率合成微波源由N條支路並聯構成，如圖1所示，每條支路結構結構如圖2所示，包括信號源1、功率放大器12、環行器2、耦合器3、磁控管4、混頻器5、濾波器7和控制裝置6。信號源I功率大小約為OdBm，輸出的注入信號頻率設定為5.799GHz。功率放大器12增益為40dB，輸出功率約為10W。信號源I輸出的注入信號通過環行器2注入磁控管4，調整磁控管4輸出的功率信號頻率，使其鎖定到5.799GHz。磁控管4輸出的功率信號通過環行器2進入耦合器3，其大部分作為微波功率輸出，耦合器3輸出的一部分信號經過混頻器5、濾波器7進入控制裝置6。混頻器5將功率信號進行混頻處理，產生一個頻率為IOOkHz的混頻信號，該混頻信號經過濾波器7濾除帶外雜波後輸入控制裝置6。控制裝置6基於人工智慧的學習算法，將IOOkHz的混頻信號與標準信號(IOOkHz)進行比較，產生一個控制信號輸出到獨立信號源I，控制獨立信號源I輸出的注入信號頻率和相位。IOOkHz標準信號，可由一個信號發生器(圖中未示出)提供，該信號發生器同時為N個信號源提供基準頻率信號，並接受控制裝置6的控制。通過反覆調整，最終使磁控管4的輸出頻率鎖定到5.799GHz，相位與獨立信號源I輸出的注入信號同步。其他各支路的工作過程與上述過程相同，當N個獨立信號源在控制裝置6的控制下，將N個磁控管4頻率鎖定到同一頻率5.799GHz時，N條支路輸出頻率和相位達到同步，系統就達到了相干微波功率合成的要求，N個磁控管輸出的微波可以進行相干合成。
本例控制裝置6的作用與通信技術中常見的鎖相環路(PLL)作用相當。控制裝置6基於人工智慧的學習算法，產生一個控制信號輸出到獨立信號源1，控制獨立信號源I輸出的注入信號頻率和相位。本例中，磁控管4的高壓直流電源為紋波小於1%的4200V直流高壓電源。低紋波的直流高壓電源，能夠降低電源本身噪聲對磁控管工作特性的不良影響，進一步提高鎖頻調相的精度。磁控管4在注入信號作用下起到一個放大器的作用，通過環行器2將約650W的微波功率輸出到耦合器3中，最終該微波功率通過負載天線系統輻射出。本發明的連續波磁控管微波源頻率穩定度達到10_8，相位穩定度優於±3°，輸出功率約655W，相位可調範圍±180°，相位移動步進1°。該微波源滿足用於實現相干功率合成的要求。非常適合用於空間微波能量傳輸和微波能工業應用領域，對於N條支路構成的系統，可以實現大功率的微波輸出。本例控制裝置6由可編程邏輯控制器和計算機系統構成，可編程邏輯控制器具有N+1個輸入端，分別連接N個濾波器及信號發生器，可編程邏輯控制器輸出端與計算機系統連接，計算機系統的N+1個輸出端分別連接N個獨立信號源及信號發生器，對其輸出信號頻率和相位進行獨立控制。本發明的控制裝置能夠對N個獨立信號源進行分別控制，互不影響，極大地提高了系統的穩定性和可靠性。
權利要求
1.一種多路注入鎖定磁控管相干功率合成微波源，包括N個獨立信號源、N個磁控管、N個環行器、N個耦合器、N個混頻器、N個濾波器、控制裝置，所述獨立信號源輸出的注入信號通過環行器注入磁控管，調整磁控管輸出的功率信號頻率，所述功率信號通過環行器和耦合器輸出，所述耦合器輸出的一部分信號通過混頻器產生混頻信號，所述混頻信號經過濾波器輸入控制裝置，所述控制裝置根據混頻信號與標準信號的差異輸出控制信號，分別控制N個獨立信號源輸出的注入信號頻率和相位，所述標準信號由信號發生器提供，所述信號發生器與N個獨立信號源和控制裝置連接；N為整數，N > 2。
2.根據權利要求1所述的一種多路注入鎖定磁控管相干功率合成微波源，其特徵在於，所述控制裝置由可編程邏輯控制器和計算機系統構成，所述可編程邏輯控制器具有N+1個輸入端，分別連接N個濾波器及信號發生器，所述可編程邏輯控制器輸出端與計算機系統連接，所述計算機系統的N+1個輸出端分別連接N個獨立信號源及信號發生器，對其輸出信號頻率和相位進行控制。
3.根據權利要求2所述的一種多路注入鎖定磁控管相干功率合成微波源，其特徵在於，所述控制裝置基於人工智慧學習算法，對N個獨立信號源輸出的注入信號頻率和相位進行控制。
4.根據權利要求1所述的一種多路注入鎖定磁控管相干功率合成微波源，其特徵在於，每個獨立信號源與環行器之間連接有功率放大器，用於放大注入信號到設定功率。
5.根據權利要求1所述的一種多路注入鎖定磁控管相干功率合成微波源，其特徵在於，所述磁控管的直流高壓紋波< 1%。
6.根據權利要求1所述的一種多路注入鎖定磁控管相干功率合成微波源，其特徵在於，所述一種多路注入鎖定磁控管相干功率合成微波源用於空間微波能量傳輸和微波能的工業應用。
全文摘要
本發明涉及微波輻射源，本發明公開了一種多路注入鎖定磁控管相干功率合成微波源，採用功率注入的方法對多個支路的磁控管進行微波注入鎖頻調相。本發明的多路注入鎖定磁控管相干功率合成微波源，包括N個獨立信號源、N個磁控管、N個環行器、N個耦合器、N個混頻器、N個濾波器、控制裝置。本發明使用高穩定度信號源產生頻率接近磁控管固有諧振頻率的注入信號，該信號經過環行器直接注入到磁控管中，當注入信號幅度達到相當數量級時，磁控管振蕩頻率與注入信號相位同步。本發明提高了磁控管的輸出微波的頻率和相位穩定性，能夠滿足微波相干功率合成的要求，特別適合用於微波傳輸能量和微波能工業應用的技術領域。
文檔編號H03L7/00GK103199855SQ201310111478
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月2日 優先權日2013年4月2日
發明者黃卡瑪, 劉長軍, 郭慶功, 胡羅林, 楊陽, 閆麗萍, 陳星 , 趙翔, 沈照國 申請人:四川大學