一种固态功率源的前级不间断失效冗余结构

1.本发明涉及一种加速器技术领域，特别是关于一种固态功率源的前级不间断失效冗余结构。

背景技术：

2.全固态功率源系统具有工作电压低、性能稳定可靠、故障率低、易于维护且维护成本低等特点，近年来在加速器领域得到了越来越广泛的应用。但是，在一些稳定性要求较高的场所，要求功率源带故障输出功率以满足束流可用性指标，末级功放可以通过提高其他功放的功率容量来保证个别模块失效带来的影响，但是前级功放由于采用串列形式，在单个失效的情况下可能会造成关闭射频的严重后果，使束流出现不可逆转的失配。目前的双工器的设计形式必不可少的会有一个小的时间间隙，一般在10ms左右，这对闭环运行的低电平来说非常危险。

技术实现要素：

3.针对上述问题，本发明的目的是提供一种固态功率源的前级不间断失效冗余结构，其能没有间断的在低电平闭环下对前级失效进行补偿，具有非常高的可靠性和可实现性。
4.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种固态功率源的前级不间断失效冗余结构，其包括：功率分配器，其输入端与输入控制单元的输出端连接，用于将接收到的信号功率进行再分配，所述功率分配器的输出端口设置为至少八个；前级小功率功放，至少设置为八个，分别与所述功率分配器的各输出端口连接，用于将接收到的再分配的信号功率进行放大后输出；功率合成器，其输入端与各所述前级小功率功放的输出端连接，将接收到的放大后的信号功率合成后，经功率传输线传输至末级功放单元。
5.进一步，所述功率分配器和所述功率合成器中都内置平衡电阻。
6.进一步，所述前级小功率功放与所述功率分配器、所述功率合成器之间采用拔插结构。
7.进一步，所述前级小功率功放采用金属包边结构；前级壳体间隙处进行防辐射设计。
8.进一步，所述固态功率源的前级不间断失效冗余结构能实现的不间断失效补偿，具体实现方法为：
9.通过功率分配器将接收到的信号功率分配至多个前级小功率功放内，进行放大后，再传输至功率合成器内进行合成；
10.当某一个或几个前级小功率功放故障时，其他前级小功率功放会保持正常工作状态，功率不会跌落至零，没有间断且在幅度闭环的情况下不会对束流产生影响。
11.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
12.1、本发明采用模块化结构，有利于产品产业化。
13.2、本发明的前级插件与功率分配器、电源以及通讯控制单元间采用拔插结构，便于单插件的更换和维护。
14.3、本发明能实现前级的不间断失效补偿，失效后的功率跌落，且跌落程度可以满足低电平的运行要求。
15.4、本发明将单个大功率推动前级更换为八个低功率前级并联工作。
16.5、本发明将单个前级分为八个小功率前级后，使功率密度降低，可以更改冷却设计为自然冷却，简化设计。
17.6、本发明电磁兼容设计，前级插件采用金属包边结构；机柜缝隙间填充导电橡胶胶条，减低外部干扰以提高小信号的信噪比。
附图说明
18.图1是现有技术中前级备份采用的双工切换方式示意图；
19.图2是本发明一实施例中固态功率源的前级不间断失效冗余结构示意图。
具体实施方式
20.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
22.如图1所示，常规的前级备份采用的双工切换方式，根据实测，这种方案最快可以提供10ms左右的间断空隙，在低电平闭环的情况下，瞬间激励变化非常剧烈，如果功率源输出要求很严的情况下，尤其是现在的加速器运行方面，有一定的压力。故本发明提出了一种基于合成器方案的无间断的前级冗余结构来降低前级冗余的实现和低电平系统压力。
23.本发明提供的固态功率源的前级不间断失效冗余结构是在加速器领域的固态功率源系统中应用，特别是功放设备的前级。本发明包括：功率分配器，其输入端与输入控制单元的输出端连接，用于将接收到的信号功率进行再分配，功率分配器的输出端口设置为至少八个；前级小功率功放，至少设置为八个，分别与功率分配器的各输出端口连接，用于将接收到的再分配的信号功率进行放大后输出；功率合成器，其输入端与各前级小功率功放的输出端连接，将接收到的放大后的信号功率合成后，经功率传输线传输至末级功放单元。本发明采用上述技术方案有效的解决了现有技术中存在的问题，当前级有功放出现故障时，本发明可以避免功率间断或过推导致的束流损失，同时本发明的功率跌落范围全程可控。而且，固态功率源前级在长期运行工况下，遇到故障时，不会产生幅度由于插件切换出现的“间断”或者闭环系统的“过推”，且通过本发明可以有效的控制某个插件故障后所产生的功率跌落值，从根本上解决高可靠性运行设备的mtbf在前级功放的“卡脖子”问题。
24.在本发明的一个实施例中，提供一种固态功率源的前级不间断失效冗余结构。本
实施例中，如图2所示，该结构包括：
25.功率分配器，其输入端与输入控制单元的输出端连接，用于将接收到的信号功率进行再分配，功率分配器的输出端口设置为至少八个；
26.前级小功率功放，至少设置为八个，分别与功率分配器的各输出端口连接，用于将接收到的再分配的信号功率进行放大后输出；
27.功率合成器，其输入端与各前级小功率功放的输出端连接，将接收到的放大后的信号功率合成后，经功率传输线传输至末级功放单元。
28.上述实施例中，在功率分配器和功率合成器中都可以内置平衡电阻，以充分的解决射频信号的不平衡问题。
29.其中，功率分配器的具体计算，即功率分配器结构的端口失效分析。如果没有平衡电阻的话需要考虑相位的矢量运算，某个端口失效后，一分八功分器的单个端口开路，接合其开路相位和其他七个端口组成的射频系统的功率再分配，计算较繁琐。
30.本发明采用在功率分配器和功率合成器中都内置平衡电阻，当功率分配器的八个输出端的某一个端口失效后，由于存在平衡电阻，可以最大限度的保持一分八的稳定性，损失的功率一般可以直接用公式(1-72/82)来进行估算，故分配的端口越多损失的功率越小。
31.由于现有平衡电阻是嵌于电路网络之间，如果输入端口很多的，要每两级之间都要接入电阻，需采用复杂的星型接法，同时要求很小的插入相移以降低分布参数的影响，电阻在电路网络中非常难实现散热功能，在较高功率下合成器结构复杂可靠性低。例如，大功率场合，几乎都要考虑散热，对电阻的冷却要求很高，就很难设置该平衡电阻。本发明采用多个前级小功率功放，再增设平衡电阻后，小功率情况下几乎不需要考虑增设平衡电阻后的散热问题。
32.上述实施例中，优选的，功率分配器的输出端口设置为八个，前级小功率功放对应设置为八个，可以保证功率跌落70％以上。功率分配器的输出端口及前级小功率功放设置的越多越好。
33.上述实施例中，前级小功率功放与功率分配器、功率合成器之间采用拔插结构，各前级小功率功放内的电源和通讯控制单元与其前级小功率功放之间也采用拔插结构。
34.上述实施例中，前级小功率功放采用金属包边结构；前级壳体间隙处进行防辐射设计。
35.上述实施例中，本发明固态功率源的前级不间断失效冗余结构能实现的不间断失效补偿，具体实现方法为：
36.通过功率分配器将接收到的信号功率分配至多个前级小功率功放内，进行放大后，再传输至功率合成器内进行合成；
37.当某一个或几个前级小功率功放故障时，其他前级小功率功放会保持正常工作状态，这样功率不会跌落至零，即没有间断且在幅度闭环的情况下几乎不会对束流产生影响，且多个前级小功率功放对整机的运行mtbf要远优于单个高功率功放的运行。
38.在本实施例中，如图1所示，老式的“切换方案”，它采用单功放的前级设计，一个n瓦的高功率前级为整个机柜提供推动级，它的故障发生将会严重影响整机的功率输出。当发生故障时，当监控系统检测到功率降为0时，会自动切换为另一个热备的功放前级，切换时间一般为10-20ms，即功率输出产生间断，且整个过程中由于低电平系统的幅度稳定在闭
环的状态下，不一定可以将功率始终保持在原额定值，尤其是在“间断”间隙内，必然会导致期间的束流损失，甚至是由于推动过大导致整机的连锁保护而停机，造成束流时间的极大损失。
39.而本技术采用的不间断设计，如图2所示，采用n个n/n瓦的前级小功率功放并联放大的结构，由于每个前级小功率功放功率被降低了n倍，功率分配器和合成器的设计简单可靠，且容易解决平衡电阻的散热问题，功率的跌落完全可以通过n值的选择来进行控制。而且最重要的是，当某一个或几个前级小功率功放故障时，功率不会跌落至零，即没有间断且在幅度闭环的情况下几乎不会对束流产生影响，且n个n/n瓦的前级小功率功放对整机的运行mtbf要远优于单个n瓦的高功率功放的运行。
40.本发明在使用时，单个插件失效后的功率将下降至原值的76.6％，而且由于功率合成器输出并且带有平衡电阻，信号没有间断，在低电平的闭环控制下，可以通过增加激励来弥补降低的13.4％的功率跌落。在经过精密的计算后，可以改用七合一或者六合一的方案，前提是更大的功率跌落可以被低电平系统足额的弥补，可以进一步降低成本。
41.综上，本发明具有前级模块失效后功率不切断、跌落幅度可控的优势，具备拆分和重组的能力，降低冷却系统复杂性等多重优势。
42.本发明失效后功率跌落只有15％左右，且不同于常规的热备切换的方案，功率信号完全没有掉落间隙，对低电平闭环系统来说具有安全、稳定、可靠的优势(功率瞬间跌落到零，低电平会以最大能力推动激励，非常危险，且很难短时间恢复至额定值)，对长期闭环运行系统而言具有非常高的实用价值。
43.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：

1.一种固态功率源的前级不间断失效冗余结构，其特征在于，包括：功率分配器，其输入端与输入控制单元的输出端连接，用于将接收到的信号功率进行再分配，所述功率分配器的输出端口设置为至少八个；前级小功率功放，至少设置为八个，分别与所述功率分配器的各输出端口连接，用于将接收到的再分配的信号功率进行放大后输出；功率合成器，其输入端与各所述前级小功率功放的输出端连接，将接收到的放大后的信号功率合成后，经功率传输线传输至末级功放单元。2.如权利要求1所述固态功率源的前级不间断失效冗余结构，其特征在于，所述功率分配器和所述功率合成器中都内置平衡电阻。3.如权利要求1所述固态功率源的前级不间断失效冗余结构，其特征在于，所述前级小功率功放与所述功率分配器、所述功率合成器之间采用拔插结构。4.如权利要求1所述固态功率源的前级不间断失效冗余结构，其特征在于，所述前级小功率功放采用金属包边结构；前级壳体间隙处进行防辐射设计。5.如权利要求1所述固态功率源的前级不间断失效冗余结构，其特征在于，所述固态功率源的前级不间断失效冗余结构能实现的不间断失效补偿，具体实现方法为：通过功率分配器将接收到的信号功率分配至多个前级小功率功放内，进行放大后，再传输至功率合成器内进行合成；当某一个或几个前级小功率功放故障时，其他前级小功率功放会保持正常工作状态，功率不会跌落至零，没有间断且在幅度闭环的情况下不会对束流产生影响。

技术总结

本发明涉及一种固态功率源的前级不间断失效冗余结构，其包括：功率分配器，其输入端与输入控制单元的输出端连接，用于将接收到的信号功率进行再分配，所述功率分配器的输出端口设置为至少八个；前级小功率功放，至少设置为八个，分别与所述功率分配器的各输出端口连接，用于将接收到的再分配的信号功率进行放大后输出；功率合成器，其输入端与各所述前级小功率功放的输出端连接，将接收到的放大后的信号功率合成后，经功率传输线传输至末级功放单元。本发明能没有间断的在低电平闭环下对前级失效进行补偿，具有非常高的可靠性和可实现性。本发明能在加速器领域中应用。本发明能在加速器领域中应用。本发明能在加速器领域中应用。