螺旋线行波管收集极电源稳压取样方法

0 引言

螺旋线行波管(以下简称行波管)作为微波放大部件，尽管生产工艺复杂，价格昂贵，但因为它具有宽带大功率的特点，直到目前还没有一种完全替代方案，固态放大器虽然己大量使用，但要想取代行波管还有待时日。行波管电源性能的好坏直接影响行波管的性能及使用寿命；下面通过行波管原理的简单叙述，介绍几种收集极电源的稳压取样方法。

1 行波管工作原理

螺旋线行波管是一种特殊的电真空器件，采用螺线状的慢波结构；灯丝电源通过灯丝给阴极加热，受热的阴极不断发射电子，电子注经聚焦后通过慢波系统，在电子注通过螺线时产生群聚，群聚过程不断与射频信号交换能量，最后在输出口得到放大了的射频信号，而在慢波系统中完成了能量转换任务的电子注穿出螺旋线后被收集极所收集，可见收集极电源功率较大；由于收集极的热损耗很大，为防止收集极温度过高而损坏行波管，通常通过降压收集极设计来减小热损耗，同时通过散热设计使热量有效地散出去，目前关于行波管的专业书籍书店很少见到，详细介绍参考文献。

2 几种收集极电源稳压取样方法

通过行波管原理的简单介绍可见，收集极电源的目的是收集经过能量交换后的电子。收集极电源以阴极为参考，主要特点是功率大，其它指标要求相对较低；通常情况下控制电路以地为参考点，要实现收集极电源的稳压控制，必须在取样电路与控制电路之间隔离或通过其他方法实现稳压，下面介绍几种常用的稳压取样方法。

2．1 稳定输入电压

这是一种最简单的稳压方式，电网电压经过交流稳压器后由工频变压器升压，再通过整流滤波电路输出收集极电源。这种电源负载稳定度低，空载时电压较高，电子注打开后电压下降，而这一特性正符合行波管加电要求，电子注打开过程中收集极电压由高降低可有效防止电子注散焦。它的最大缺点是由于低频变压器造成的大体积；同时，当这种线路用于脉冲行波管时，电源电压会随着脉冲占空比变化而变化，占空比小电流小则电压高，反之则低，这虽然影响效率但不会使行波管功耗超出额定值。这种线路简单可靠，比较适合实验室使用，但因体积大而不适合装备使用。

2．2 利用UC3901隔离反馈实现稳压

UC3901是一种专用于隔离取样的芯片，详细数据见文献；误差信号经过内部放大器放大后调制高频振荡器幅度，输出占空比为50％的高频调幅信号，该调幅信号经过变压器(或光电器件)隔离到低压端整流滤波后控制脉宽调制器(3525或其它控制器)，原理如图l所示。

这种稳压方式可实现高精度稳压，同时高频化使体积大大缩小；缺点是环路响应时间长，在行波管应用中，打开电子注时会引起收集极电压瞬间大幅下跌，这种电压瞬间跌落会引起电子注散焦，严重时行波管不能正常加电；通过时间窗控制(即加电过程中屏蔽保护功能)，虽然可加电，但由于加电瞬间存在散焦冲击，若长期处于这样的工作状态势必影响行波管寿命；解决加电过程散焦保护的另一个方法是通过控制电路使环路在电子注打开后才进入闭环稳压；该线路另一缺点是不方便电压调节，由于放大器及参考基准都浮动在阴极电压上，高压灌封后使电压调节非常不便。

综合该线路的优缺点，可以确定这种线路适合在稳定的连续波行波管上使用，这种行波管电压参数稳定一致，电压不需要经常调节，而电流只有两种状态，易于实现加电过程的控制。若电压经常需要调整时，这种线路由于调节不便而不适用；另外，在脉冲行波管中，由于电流是脉冲的，加电过程不易控制，该线路同样不适用。

2．3 收集极电源作为从输出

行波管两个主要的高压电源——螺线电源及收集极电源，可用某些电路形式由一个高压变压器输出；文献《Buck电流馈电全桥高压开关电源》介绍了用Buck加全桥电路实现的多输出开关电源，电路由螺线电源取样实现闭环控制，收集极作为从输出。

这种电源形式的突出优点是两组高压电源可实现同步变化，有利于减小加电过程对行波管的冲击，同时由于合用一组控制电路及高压变压器使体积可以做得更小；它的缺点在于收集极电源电压不能单独调整，使用中灵活性较差。

对于一个确定的行波管，无论是连续波管还是脉冲管，这种电路形式都能很好地满足需要；如果行波管不很成熟，各极电压在使用中需要调整，该电路因收集极不能单独调节给使用带来很大不便。

2．4 差分取样方式

借助差分放大电路中将双端差分信号变换成单端信号的方法，可以将以阴极为参考的收集极电压转换为以地为参考的压差信号，原理如图2所示，R1、R2构成阴极分压取样电路，R3、R4构成收集极分压取样电路；图中Uk，Uc数值以地为参考。

从以上分析看出，图2电路在运放U1C输出端得到了与(Uc一Uk)成比例的输出电压，即将以阴极为参考的收集极电源电压转换成以地为参考的信号。该取样信号可以直接反馈到3525反相输入端，实现稳压控制；要使该电路调试方便，必须满足kl=k2=k，R6=R7=R8=R9，否则在运放输出端得到的信号可能是Uk而不是(Uc一Uk)的函数，直接结果是Uk的变化影响Uc，使得Uc电源很难单独调试。

用差分取样方式实现稳压控制，闭环时间短，可以适应多种用途，加电过程中防止瞬态冲击的方法在该电路中都可以使用，该电路的缺点是取样分压关系及减法器的几个电阻要求精度高，否则阴极电压会影响收集极电压。

3 结语

行波管收集极电源在行波管所有电源中功率最大，其它指标要求较低；尽管如此，在大功率行波管中使用时，由于行波管耗散功率较大，还是希望有一个稳定的收集极电压以控制行波管功耗。上面介绍的几种常用的稳压取样方法各有特点，也有不同的适用范围，孰优孰劣没有定论，应具体问题具体分析；以上分析如有不妥之处请专家指正。