螺旋線行波管收集極電源穩(wěn)壓取樣方法

0 引言

　　螺旋線行波管(以下簡稱行波管)作為微波放大部件，盡管生產(chǎn)工藝復(fù)雜，價格昂貴，但因為它具有寬帶大功率的特點，直到目前還沒有一種完全替代方案，固態(tài)放大器雖然己大量使用，但要想取代行波管還有待時日。行波管電源性能的好壞直接影響行波管的性能及使用壽命；下面通過行波管原理的簡單敘述，介紹幾種收集極電源的穩(wěn)壓取樣方法。

1 行波管工作原理

　　螺旋線行波管是一種特殊的電真空器件，采用螺線狀的慢波結(jié)構(gòu)；燈絲電源通過燈絲給陰極加熱，受熱的陰極不斷發(fā)射電子，電子注經(jīng)聚焦后通過慢波系統(tǒng)，在電子注通過螺線時產(chǎn)生群聚，群聚過程不斷與射頻信號交換能量，最后在輸出口得到放大了的射頻信號，而在慢波系統(tǒng)中完成了能量轉(zhuǎn)換任務(wù)的電子注穿出螺旋線后被收集極所收集，可見收集極電源功率較大；由于收集極的熱損耗很大，為防止收集極溫度過高而損壞行波管，通常通過降壓收集極設(shè)計來減小熱損耗，同時通過散熱設(shè)計使熱量有效地散出去，目前關(guān)于行波管的專業(yè)書籍書店很少見到，詳細介紹參考文獻。

2 幾種收集極電源穩(wěn)壓取樣方法

　　通過行波管原理的簡單介紹可見，收集極電源的目的是收集經(jīng)過能量交換后的電子。收集極電源以陰極為參考，主要特點是功率大，其它指標(biāo)要求相對較低；通常情況下控制電路以地為參考點，要實現(xiàn)收集極電源的穩(wěn)壓控制，必須在取樣電路與控制電路之間隔離或通過其他方法實現(xiàn)穩(wěn)壓，下面介紹幾種常用的穩(wěn)壓取樣方法。

2．1 穩(wěn)定輸入電壓

　　這是一種最簡單的穩(wěn)壓方式，電網(wǎng)電壓經(jīng)過交流穩(wěn)壓器后由工頻變壓器升壓，再通過整流濾波電路輸出收集極電源。這種電源負(fù)載穩(wěn)定度低，空載時電壓較高，電子注打開后電壓下降，而這一特性正符合行波管加電要求，電子注打開過程中收集極電壓由高降低可有效防止電子注散焦。它的最大缺點是由于低頻變壓器造成的大體積；同時，當(dāng)這種線路用于脈沖行波管時，電源電壓會隨著脈沖占空比變化而變化，占空比小電流小則電壓高，反之則低，這雖然影響效率但不會使行波管功耗超出額定值。這種線路簡單可靠，比較適合實驗室使用，但因體積大而不適合裝備使用。

2．2 利用UC3901隔離反饋實現(xiàn)穩(wěn)壓

　　UC3901是一種專用于隔離取樣的芯片，詳細數(shù)據(jù)見文獻；誤差信號經(jīng)過內(nèi)部放大器放大后調(diào)制高頻振蕩器幅度，輸出占空比為50％的高頻調(diào)幅信號，該調(diào)幅信號經(jīng)過變壓器(或光電器件)隔離到低壓端整流濾波后控制脈寬調(diào)制器(3525或其它控制器)，原理如圖l所示。

　　這種穩(wěn)壓方式可實現(xiàn)高精度穩(wěn)壓，同時高頻化使體積大大縮小；缺點是環(huán)路響應(yīng)時間長，在行波管應(yīng)用中，打開電子注時會引起收集極電壓瞬間大幅下跌，這種電壓瞬間跌落會引起電子注散焦，嚴(yán)重時行波管不能正常加電；通過時間窗控制(即加電過程中屏蔽保護功能)，雖然可加電，但由于加電瞬間存在散焦沖擊，若長期處于這樣的工作狀態(tài)勢必影響行波管壽命；解決加電過程散焦保護的另一個方法是通過控制電路使環(huán)路在電子注打開后才進入閉環(huán)穩(wěn)壓；該線路另一缺點是不方便電壓調(diào)節(jié)，由于放大器及參考基準(zhǔn)都浮動在陰極電壓上，高壓灌封后使電壓調(diào)節(jié)非常不便。

　　綜合該線路的優(yōu)缺點，可以確定這種線路適合在穩(wěn)定的連續(xù)波行波管上使用，這種行波管電壓參數(shù)穩(wěn)定一致，電壓不需要經(jīng)常調(diào)節(jié)，而電流只有兩種狀態(tài)，易于實現(xiàn)加電過程的控制。若電壓經(jīng)常需要調(diào)整時，這種線路由于調(diào)節(jié)不便而不適用；另外，在脈沖行波管中，由于電流是脈沖的，加電過程不易控制，該線路同樣不適用。

2．3 收集極電源作為從輸出

　　行波管兩個主要的高壓電源——螺線電源及收集極電源，可用某些電路形式由一個高壓變壓器輸出；文獻《Buck電流饋電全橋高壓開關(guān)電源》介紹了用Buck加全橋電路實現(xiàn)的多輸出開關(guān)電源，電路由螺線電源取樣實現(xiàn)閉環(huán)控制，收集極作為從輸出。

　　這種電源形式的突出優(yōu)點是兩組高壓電源可實現(xiàn)同步變化，有利于減小加電過程對行波管的沖擊，同時由于合用一組控制電路及高壓變壓器使體積可以做得更小；它的缺點在于收集極電源電壓不能單獨調(diào)整，使用中靈活性較差。

　　對于一個確定的行波管，無論是連續(xù)波管還是脈沖管，這種電路形式都能很好地滿足需要；如果行波管不很成熟，各極電壓在使用中需要調(diào)整，該電路因收集極不能單獨調(diào)節(jié)給使用帶來很大不便。

2．4 差分取樣方式

　　借助差分放大電路中將雙端差分信號變換成單端信號的方法，可以將以陰極為參考的收集極電壓轉(zhuǎn)換為以地為參考的壓差信號，原理如圖2所示，R1、R2構(gòu)成陰極分壓取樣電路，R3、R4構(gòu)成收集極分壓取樣電路；圖中Uk，Uc數(shù)值以地為參考。

　　從以上分析看出，圖2電路在運放U1C輸出端得到了與(Uc一Uk)成比例的輸出電壓，即將以陰極為參考的收集極電源電壓轉(zhuǎn)換成以地為參考的信號。該取樣信號可以直接反饋到3525反相輸入端，實現(xiàn)穩(wěn)壓控制；要使該電路調(diào)試方便，必須滿足kl=k2=k，R6=R7=R8=R9，否則在運放輸出端得到的信號可能是Uk而不是(Uc一Uk)的函數(shù)，直接結(jié)果是Uk的變化影響Uc，使得Uc電源很難單獨調(diào)試。

　　用差分取樣方式實現(xiàn)穩(wěn)壓控制，閉環(huán)時間短，可以適應(yīng)多種用途，加電過程中防止瞬態(tài)沖擊的方法在該電路中都可以使用，該電路的缺點是取樣分壓關(guān)系及減法器的幾個電阻要求精度高，否則陰極電壓會影響收集極電壓。

3 結(jié)語

　　行波管收集極電源在行波管所有電源中功率最大，其它指標(biāo)要求較低；盡管如此，在大功率行波管中使用時，由于行波管耗散功率較大，還是希望有一個穩(wěn)定的收集極電壓以控制行波管功耗。上面介紹的幾種常用的穩(wěn)壓取樣方法各有特點，也有不同的適用范圍，孰優(yōu)孰劣沒有定論，應(yīng)具體問題具體分析；以上分析如有不妥之處請專家指正。