射頻寬帶高功率電子管放大器同軸摺疊輸出諧振腔的製作方法
2023-07-10 21:51:31
專利名稱：射頻寬帶高功率電子管放大器同軸摺疊輸出諧振腔的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及離子迴旋波加熱系統射頻寬帶高功率發射機領域，具體是一種射頻寬帶高功率電子管放大器同軸摺疊輸出諧振腔。
背景技術：
在目前國際先進的大型託卡馬克核聚變裝置上，離子迴旋波加熱已成為託卡馬克上最主要的輔助加熱手段之一，其總的輔助加熱功率已高達二十兆瓦以上，作為離子迴旋波加熱系統最核心的子系統之一，射頻高功率發射機系統用於提供射頻波能量，並通過加熱天線將高功率的射頻波能量耦合給等離子體，以達到提高等離子體溫度的目的。此類高功率發射機一般由多級射頻功率放大器級聯組成，其末級放大器一般為高功率電子管放大器，最大輸出功率高達1. 5MW以上，運行的頻率依核聚變裝置設計參數的不同而有所變化， 但基本都在20-200MHZ的頻率範圍內。在英國JET裝置上，發射機的工作頻率為23_57MHz， 在法國的Tore-Supra裝置上，工作頻率為40_80MHz，在日本的JT-60U裝置上，工作頻率為 102-130MHZ，在我國大科學工程一大型非圓截面全超導託克馬克EAST裝置上，要求射頻高功率發射機系統的工作頻率為25-70MHZ，單機功率為1. 5MW,目標總功率達10MW，目前在 EAST裝置上已建成並投入運行的射頻發射機系統的輸出總功率已達4. 5MW。在上述國外的聚變裝置上運行的射頻發射機系統只有一些總體的性能指標，並沒有提供具體的設計，也無文獻資料可供參考，另外，國外裝置上的發射機系統的運行頻率範圍不盡相同，帶寬也較窄，一般在一至二個倍頻程之內，而EAST裝置的射頻發射機系統的頻率運行範圍較寬，其頻帶寬度達近三個倍頻程，那麼，對於EAST裝置上的射頻發射機系統，需要基於新的設計思想來進行設計。作為數十兆赫茲的射頻放大器陽極輸出調諧迴路，常常使用對應於1/4波長的同軸短路線，另外作為輸出阻抗匹配的方法，常常考慮採用電容與電感組合，但是，由於兆瓦級的大功率電子管的陽極與柵極之間的電容比較大，一般在150-200PF的範圍內，這限制了放大器工作的頻率上限，對於工作頻率從25-70MHZ、頻帶變化範圍如此寬廣的放大器， 1/4波長的同軸短路線已難以實現放大器輸出迴路全頻段的調諧，必須應用3/4波長同軸短路線，這將大大增加諧振腔的長度，其最大長度將達到5m左右，再加上輸入迴路和輸出諧振腔短路板調節螺杆，那麼整個放大器的高度將達12m，這種結構設計在工程上是極不合理的；其次、該電路結構用於阻抗匹配電路也變得非常困難，其原因在於電容組合的地方， 電壓必定高，而電感組合的地方，電流必然大。難以做到的是，要改變如此寬廣的頻率，不存在在同軸短路線上固定的一點，產生覆蓋全頻段的合適的電壓和電流來實現迴路的阻抗變換。最後，對於高達1.5MW的射頻功率的耦合輸出問題，如採用電容耦合，則要求電容的無功功率容量達到2麗以上，這也是一個難以解決的困難，而且這種電容造價高昂，壽命短， 需要水冷，容易損壞
實用新型內容
[0005]本實用新型的目的是提供一種射頻寬帶高功率電子管放大器同軸摺疊輸出諧振腔，將輸出電路與同軸短路線直接連接，通過改變二個同軸短路線的長度，同時進行調諧和阻抗匹配，不僅能夠解決末級電子管放大器輸出迴路的寬頻帶運行問題，而且又能夠將兆瓦級的射頻功率從放大器外腔的內導體直接耦合輸出。為了達到上述目的，本實用新型所採用的技術方案為射頻寬帶高功率電子管放大器同軸摺疊輸出諧振腔，其特徵在於包括有管狀的同軸設置的內、外導體和中間導體，所述中間導體套在內導體外，外導體套在中間導體外， 所述外導體頂部封閉，內導體和中間導體之間空腔為內諧振腔，外導體和中間導體之間空腔為外諧振腔，有與中間導體外壁底部連接的輸出同軸饋線穿過所述外導體側壁引出；所述內導體底部安裝有隔直電容，外導體底部設置有接地底板，接地底板上設置有與內導體同軸的電子管，所述電子管伸入隔直電容中與內導體電連接；有多個調節螺杆穿過所述外導體頂面分別伸入所述內、外諧振腔中，並可在內、外諧振腔中上下滑動，所述調節螺杆位於內、外諧振腔中的端頭處安裝有短路板，位於外諧振腔中的短路板兩側壁分別與外導體內壁、中間導體外壁接觸，位於內諧振腔中的短路板兩側壁分別與中間導體內壁、內導體外壁接觸。所述的射頻寬帶高功率電子管放大器同軸摺疊輸出諧振腔，其特徵在於所述內導體為截面為圓形的紫銅管，中間導體為截面為十二邊形的紫銅管，外導體為截面為方形的鋁覆銅管，輸出同軸饋線為截面為圓形的紫銅管。所述的射頻寬帶高功率電子管放大器同軸摺疊輸出諧振腔，其特徵在於所述短路板側壁設置有鈹青銅材料的彈簧觸點，位於外諧振腔中的短路板兩側壁分別與外導體內壁、中間導體外壁點接觸，位於內諧振腔中的短路板兩側壁分別與中間導體內壁、內導體外壁點接觸。所述的射頻寬帶高功率電子管放大器同軸摺疊輸出諧振腔，其特徵在於所述內諧振腔的特性阻抗為22. 5歐姆，外諧振腔的特性阻抗為20歐姆，輸出同軸饋線的特性阻抗為50歐姆。本實用新型包括有內導體、外導體、中間導體、同軸輸出饋線、內、外諧振腔中的短路板、接地底板，內諧振腔與外諧振腔同軸，內諧振腔、外諧振腔皆由可上下移動的鋁製材料的短路板所短路，形成同軸短路線，短路板彈簧觸點材料為鈹青銅；同軸饋線與中間導體外壁底部相連接，內導體底部通過隔直電容與電子管連接。本實用新型設計了一種二層同軸結構的同軸摺疊輸出諧振腔電路，通過改變腔體的二個同軸短路線的長度，同時進行調諧和阻抗變換，其中一個同軸短路線(內諧振腔)主要用於實現調諧，另一個同軸短路線(外諧振腔)主要用於實現阻抗變換；對於功率耦合輸出問題，我們把輸出同軸饋線與輸出腔的同軸短路線直接固定連接，將射頻功率從中間導體底部直接耦合輸出，省去了價格昂貴的輸出耦合真空電容，這樣既解決了射頻高功率的輸出耦合問題，又提高了放大器的上限頻率，拓寬了工作頻帶，同時也降低了研製成本。
圖1為本實用新型結構示意圖。圖2為本實用新型等效電路原理圖。[0015]圖3為本實用新型電壓分布示意圖。
具體實施方式
如圖1所示，射頻寬帶高功率電子管放大器同軸摺疊輸出諧振腔，包括有管狀的同軸設置的內、外導體8、10和中間導體9，中間導體9套在內導體8夕卜，外導體10套在中間導體9外，外導體10頂部封閉，內導體8和中間導體9之間空腔為內諧振腔2，外導體10和中間導體9之間空腔為外諧振腔1，有與中間導體9外壁底部連接的輸出同軸饋線3穿過外導體10側壁引出；內導體8底部安裝有隔直電容7，外導體10底部設置有接地底板，接地底板上設置有與內導體8同軸的電子管6，電子管6伸入隔直電容7中與內導體8電連接；有內諧振腔調節螺杆11、外諧振腔調節螺杆12穿過外導體10頂面分別伸入內、外諧振腔2、1 中，並可在內、外諧振腔2、1中上下滑動，內、外諧振腔調節螺杆11、12位於內、外諧振腔2、 1中的端頭處分別對應安裝有內諧振腔短路板5、外諧振腔短路板4，內諧振腔短路板5、外諧振腔短路板4的兩側壁分別設置有鈹青銅材料的彈簧觸點，位於外諧振腔1中的外諧振腔短路板4兩側壁分別與外導體10內壁、中間導體9外壁點接觸，位於內諧振腔2中的內諧振腔短路板5兩側壁分別與中間導體9內壁、內導體8外壁點接觸。內導體8截面為圓形的紫銅管，中間導體9截面為十二邊形的紫銅管，外導體10 面為方形的鋁覆銅管，輸出同軸饋線3截面為圓形的紫銅管。內諧振腔2的特性阻抗為22. 5 歐姆，外諧振腔1的特性阻抗為20歐姆，輸出同軸饋線3的特性阻抗為50歐姆。如圖2所示，輸出諧振腔的等效電路相當於一個π型調諧匹配網絡，內腔、外腔相互結合同時進行調諧調配，內腔主要實現調諧，外腔主要實現調配，可以覆蓋25 70MHz頻率範圍。通過分析計算可知，輸出諧振腔電路模式在頻率低端和頻率高端是不同的，在頻率低端，其匹配腔即外腔應用0 1/4 λ同軸短路線模式，呈現感性；輸出諧振腔工作在頻率高端時，在調節過程中需要進行電路的模式轉換，由於腔長過短，腔底部電子管、輸出饋線等邊緣效應的影響，腔體調整已經無法滿足要求，所以其匹配腔應用1/4λ 1/2λ同軸短路線模式，呈容性，外腔調節位置要相應增長，那麼內腔調節位置也相應隨之增長。如圖3所示，輸出迴路的調諧通過改變二個短路線的短路位置來實現，因此對於某一個調諧頻率，存在著多個同軸短路線的組合位置；另一方面，在調諧頻率上從電子管向外看的陽極負載阻抗Roe，從能量守恆定則可推導出下式Roe = Rl | Vo/VEL |2式中電阻&表示負載電阻，電壓Vo表示電子管陽極射頻電壓，Vkl表示負載電壓， Roe為電子管陽極輸出電阻。要實現負載電阻&和電子管陽極輸出電阻Roe的阻抗變換， 需調整二個同軸短路線，可見在某一工作頻率點，外腔和內腔存在一個確定的長度，在此位置上，放大器處於最佳工作狀態，其輸出功率最大。對於內腔、外腔特性阻抗的計算，內腔可以等效為同軸圓形腔，外腔可以等效為方圓腔，依據圖二所示的放大器輸出諧振腔的等效電路，可得下式
權利要求1.射頻寬帶高功率電子管放大器同軸摺疊輸出諧振腔，其特徵在於包括有管狀的同軸設置的內、外導體和中間導體，所述中間導體套在內導體外，外導體套在中間導體外，所述外導體頂部封閉，內導體和中間導體之間空腔為內諧振腔，外導體和中間導體之間空腔為外諧振腔，有與中間導體外壁底部連接的輸出同軸饋線穿過所述外導體側壁引出；所述內導體底部安裝有隔直電容，外導體底部設置有接地底板，接地底板上設置有與內導體同軸的電子管，所述電子管伸入隔直電容中與內導體電連接；有多個調節螺杆穿過所述外導體頂面分別伸入所述內、外諧振腔中，並可在內、外諧振腔中上下滑動，所述調節螺杆位於內、外諧振腔中的端頭處安裝有短路板，位於外諧振腔中的短路板兩側壁分別與外導體內壁、中間導體外壁接觸，位於內諧振腔中的短路板兩側壁分別與中間導體內壁、內導體外壁接觸。
2.根據權利要求1所述的射頻寬帶高功率電子管放大器同軸摺疊輸出諧振腔，其特徵在於所述內導體為截面為圓形的紫銅管，中間導體為截面為十二邊形的紫銅管，外導體為截面為方形的鋁覆銅管，輸出同軸饋線為截面為圓形的紫銅管。
3.根據權利要求1所述的射頻寬帶高功率電子管放大器同軸摺疊輸出諧振腔，其特徵在於所述內諧振腔的特性阻抗為22. 5歐姆，外諧振腔的特性阻抗為20歐姆，輸出同軸饋線的特性阻抗為50歐姆。
專利摘要本實用新型公開了一種射頻寬帶高功率電子管放大器同軸摺疊輸出諧振腔，內、外導體和中間導體，中間導體套在內導體外，外導體套在中間導體外，外導體頂部封閉，內導體和中間導體之間空腔為內諧振腔，外導體和中間導體之間空腔為外諧振腔，多個調節螺杆伸入所述內、外諧振腔中，調節螺杆位於內、外諧振腔中的端頭處安裝有短路板，位於外諧振腔中的短路板兩側壁分別與外導體內壁、中間導體外壁接觸，位於內諧振腔中的短路板兩側壁分別與中間導體內壁、內導體外壁接觸。
文檔編號H01J23/36GK202084622SQ201020563178
公開日2011年12月21日 申請日期2010年10月14日 優先權日2010年10月14日
發明者毛玉周, 王磊, 琚松青, 程豔, 袁帥, 趙燕平, 鄧旭 申請人:中國科學院等離子體物理研究所