第４７卷第６期原子能科学技术Ｖｏｌ．４７，Ｎｏ．６ ２
０１３年６月Ａｔｏｍｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｊｕｎ．２０１３
毛玉周，袁 帅，赵燕平，王 磊，张新军，邓 旭，薛迪冶，陈 根，程 艳，琚松青，秦成明
（中国科学院等离子体物理研究所，安徽合肥 ２３００３１
条形码标签
）摘要：离子回旋波加热系统是ＥＡＳＴ装置最重要的辅助加热工具，作为系统最核心的分系统之一，高功率射频发射机为加热等离子体提供射频波能量，对提高等离子体运行参数起着极为重要的作用。基于电路分析、传输线和波导谐振腔等相关工程理论，本文系统地总结了射频发射机系统高功率放大器输入输出回路、放大器级间匹配、寄生振荡抑制、腔体冷却等部分的设计原理和实现方法。在假负载上进行了系统测试，在设计频段内获得了１．５ＭＷ的射频输出功率，测试结果表明系统达到了设计的技术指标。通过两轮ＥＡＳＴ射频加热实验验证，发射机系统运行稳定可靠，满足射频加热等相关物理实验要求。关键词：射频发射机；高功率放大器；阻抗匹配；寄生振荡；ＰＳＭ高压电源
中图分类号：ＴＬ６１２．１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００－６９３１（２０１３）０６－１０４８－０７收稿日期：２０１１－１１－１５；修回日期：２０１２－０３－
０１基金项目：国家磁约束核聚变能研究专项资助（２１０１ＧＢ１１００００）；中国科学院知识创新工程资助项目（Ｙ０５ＦＣＱ１１２６）作者简介：毛玉周（１９６３—）
，男，安徽合肥人，研究员，从事微波工程与射频技术研究ｄｏｉ：１０．７５３８／ｙ
ｚｋ．２０１３．４７．０６．１０４８Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｈｉｇ
ｈ－ｐｏｗｅｒ Ｗｉｄｅ－ｂａｎｄ ＲＦ Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ ｏｎ ＥＡＳＴＭＡＯ Ｙｕ－ｚｈｏｕ，ＹＵＡＮ Ｓｈｕａｉ，ＺＨＡＯ Ｙａｎ－ｐｉｎｇ，ＷＡＮＧ Ｌｅｉ，ＺＨＡＮＧ Ｘｉｎ－ｊ
ｕｎ，ＤＥＮＧ Ｘｕ，ＸＵＥ Ｄｉ－ｙｅ，ＣＨＥＮ Ｇｅｎ，ＣＨＥＮＧ Ｙａｎ，ＪＵ Ｓｏｎｇ－ｑｉｎｇ，ＱＩＮ Ｃｈｅｎｇ－ｍｉｎｇ
（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｌａｓｍａ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ
ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｈｅｆｅｉ ２３００３１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｉｏｎ ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（ＩＣＲＦ）ｈｅａｔｉｎｇ
湖南农业大学学报ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ＥＡＳＴ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆｔｈｅ ｍｏｓｔ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ ａｕｘｉｌｉａｒｙ ｈｅａｔｉｎｇ ｔｏｏｌｓ ｆｏｒ ｈｅａｔｉｎｇ ｐｌａｓｍａｓ．Ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（ＲＦ）ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ ｐｌａｙｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｏｆ ｐｌａｓｍａｓ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＲＦｗａｖｅ ａｓ ａ ｍａｉｎ ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ＩＣＲＦ ｓｙｓｔｅｍ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙ
ｓｉｓ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅ ａｎｄ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｃａｖｉｔｙ，ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｎ ｉｎｐｕｔ ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ，ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐａｒａｓｉｔｉｃｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｃｏｏｌｉｎｇ ｏｆ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｃａｖｉｔｙ ｗｅｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ａ ＲＦ ｐｏｗｅｒ ｏｆ １．５ＭＷ ｆｏｒｅａｃｈ ｗａｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｉｎ ａ ｍａｔｃｈｅｄ ｄｕｍｍｙ ｌｏａｄ ｄｕｒｉｎｇ ｔｅｓｔｓ ｏｆ ＲＦ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒｓ．Ｔｈｅ ＲＦｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒｓ ｏｐｅｒａｔｅ ｓｔａｂｌｙ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｙ ｏｎ ＥＡＳＴ ａｎｄ ａｒｅ ｐｒｏｖｅｄ ｔｏ ｂｅ ｃｏｍｐｅｔｅｎｔ ｉｎＥＡＳＴ ＩＣＲＦ ｈｅａｔｉｎｇ
ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＲＦ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ；ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ；ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ；ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｏｓｃｉｌ－ｌａｔｉｏｎ；ＰＳＭ ＨＶ ｐ
ｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ Ｅ
ＡＳＴ装置是我国独立设计建造的具有先进位型的全超导托卡马克装置，它主要用于探索
研究在稳态运行模式下的相关前沿物理问题，为未来聚变堆的建立提供技术基础。离子回旋波
加热是ＥＡＳＴ装置中等离子体最有效的辅助加热手段之一，它对获得高参数等离子体起关键作用。ＥＡＳＴ离子回旋波加热系统的建设分为两期，一期射频发射机系统能提供６ＭＷ的射频功率，二期完成后系统总的射频功率将达１２ＭＷ。系统主要研发部件包括高功率射频发射机［１－２］、高压电源［３］、阻抗匹配网络［４－６］、天馈系统［７－９］、数据采集与监控，高功率射频发射机分系统是整个射频加热系统的核心。目前，ＥＡＳＴ装置高功率射频发射机一期工程有４套系统，其中，每套系统能提供１．５ＭＷ的射频功率，３套已于２０１０年初投入运行，运行频率范围为２５～７０ＭＨｚ，在ＥＡＳＴ装置２０１０年秋季实验中注入的射频功率最高达２ＭＷ，并获得了长达６．５ｓ的Ｈ－ｍｏｄｅ等离子体［１０－１１］，第４套系统的运行频率为３０～１００ＭＨｚ，目前正处于最后的工程调试阶段，预计可于２０１２年投入运行。本文将系统总结射频发射机系统的
设计原理和实现方法。
１ 系统组成及技术参数
射频加热系统的结构示意图如图１所示。射频发射机系统主要包括射频功率放大器、ＰＳＭ直流高压电源、数据采集与监控，以及冷却等部分，如图１虚线框内所示。其中，射频放大器包括低功率放大和高功率放大两部分。低功率放大部分包括射频信号源、相位、功率与频率控制器、射频开关、射频波形控制器，以及数
据采集与控制系统。射频波形控制用于设定射频波形的脉冲宽度、上升沿、下降沿，以及调制频率等参数；相位和功率控制器有４路输出，每路输出的相位和射频功率电平由控制系统进行独立调节，相位可在０°～３６０°范围内变化，最小步进为１°，射频功率电平能在－３０～１３ｄＢｍ范围内调节，最小步长为０．１ｄＢｍ；４路射频输出分别送入射频开关，一旦系统的反射功率或驻波比超过设定阈值，来自定向耦合器的监测保护信号在送入数据采集与控制系统的同时，射频开关将会快速切断射频输入信号，以保护整个系统。高功率放大部分包括５ｋＷ、１００ｋＷ、１．５ＭＷ等３级高功率射频放大器，来自射频开关的射频信号依次经３级高功率放大器进行放大，最后输出１．５ＭＷ的射频功率。
系统设计的工作频带为２５～７０ＭＨｚ，以满足各种不同射频加热等相关物理实验的要求，因此，
射频发射机除了能够高功率稳定运行外，宽频带是系统研发的一个主要内容。射频发射机系统的主要技术指标为：最大输出功率，１．５ＭＷ（ＶＳＷＲ＜１．５）；运行频率范围，２５～７０／１００ＭＨｚ；输入输出阻抗，５０Ω；谐波抑制，优于－３０ｄＢｍ。举宫
２ 射频放大器
２．１ 电子管高功率放大器
高功率放大部分由３级射频放大器组成，即５ｋＷ级固态宽带功率放大器、１００ｋＷ级
电
图１ 离子回旋波加热系统结构示意图
Ｆｉｇ．１ Ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ＩＣＲＦ ｈｅａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ
９
４
０
１
第６期 毛玉周等：ＥＡＳＴ装置高功率宽带射频发射机系统研制
子管放大器和１．５ＭＷ级电子管放大器，其增益分别设计为４６、１４和１３ｄＢｍ，每级放大器的输入输出阻抗为５０Ω，每级间通过特性阻抗为５０Ω的同轴馈线连接。５ｋＷ固态功放由６个１ｋ
Ｗ的功率模块合成后形成５ｋＷ的功率输出，去推动１００ｋＷ级放大器。１００ｋＷ级放大器选用ＴＨ５３５电子管，运行于Ｃ类工作状态，图２为放大器结构示意图，图中上部为输出回路，下部为输入回路。输入回路采用集中参数与分布参数相结合的结构形式，由可调真空电容Ｃｉｎ和带状线Ｌ１、Ｌ２组成１个π型输入阻抗匹配电路，设计时须确保回路中Ｌ２与电子管的输入电容Ｃｔｕｂｅ的并联等效阻抗在低频段呈现感性，高频段呈现容性；输出回路采用同轴谐振方腔结构，腔长３ｍ，内、外导体的边长分别为０．３５ｍ和０．７２ｍ，射频功率通过可变电容耦合输出，输出腔有上下两个输出端口，在２５～６０ＭＨｚ频带频功率由下端口耦合输出，上端口用于６０ＭＨｚ以上的射频功率输出
。
图２ １００ｋＷ级电子管射频功率放大器结构示意图
Ｆｉｇ．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｒａｗｉｎｇ ｏｆ １００ｋＷ ＲＦ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ
宽频带（２５～７０／１００ＭＨｚ）、高功率（１．５ＭＷ）是１．５ＭＷ末级放大器研发的两个主要课题，两种电子管ＴＨ５２５Ａ和Ｅｉｍａｃ８９７３分别用于Ｎｏ．１～Ｎｏ．３（２５～７０ＭＨｚ）和Ｎｏ．４（２５～１００ＭＨｚ）末级放大器。１．５ＭＷ末级放大器的结构示意图如图３所示，图中下部为输入阻抗匹配回路，上部为输出回路。输出回路采用折叠谐振腔结构，谐振腔有效腔长为３ｍ，谐振腔的内导体、中间导体和外导体的截面分别为圆形、正十二边形和方形，内腔与外腔的特性阻抗分别为２２．５Ω和２０Ω，该结构能覆盖２５～７０ＭＨｚ的整个工作频带，其中，内腔主要用于实现调谐，外腔主要用于实现调配。末级放大器之所以未采用类似１００ｋＷ驱动级的单谐振腔结构设计，主要有以下两方面考虑：首先，大功率电子管（如ＴＨ５２５Ａ、４ＣＭ２５００、Ｅｉｍａｃ８９７３）的输出极间电容较大，约为１４０～１８０ｐＦ，如采用单谐振腔结构，在某些频段放大器需工作于３／４λ模式时，则输出谐振腔有效腔长需达５ｍ，再加上辅助传动机
构和输入回路，整个放大器的高度将达约１２ｍ，显然这不是一个最优的结构设计，而采用折叠谐振腔，输出腔腔长仅为３ｍ，放大器的高度降为８ｍ左右；其次，折叠谐振腔结构可省去昂贵的易损器件———可调真空输出耦合电容，输出功率直接从中间导体引出。该折叠腔设计不仅结构简单，且易维护，同时也降低了系统造价
。
图３ １．５ＭＷ级电子管射频功率放大器结构示意图Ｆｉｇ．３ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｒａｗｉｎｇ ｏｆ １．５ＭＷ ＲＦ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ图４为１．５ＭＷ级放大器输出谐振腔的等效电路，可看出，其等效电路相当于１个π型调谐匹配网络，内腔、外腔相互结合同时进行调谐、调配，内腔主要实现调谐，外腔主要实现调配，可覆盖２５～７０ＭＨｚ频率范围。对于内腔、外腔特性阻抗的计算，内腔等效为同轴圆形腔，
０
５
０
１原子能科学技术 第４７卷
外腔等效为方圆腔，依据图４所示的放大器输出谐振腔的等效电路，可得：
ＺＬ＝
ＺＭＺＣｏＲｏｅ＋ＺＭＺＴ（Ｒｏｅ＋ＺＣｏ）
ＲｏｅＺＣｏ＋（ＺＭ＋ＺＴ）（Ｒｏｅ＋ＺＣｏ）＝ＲＬ＋ｊ
ＸＬ（１）式中：ＺＬ为放大器负载阻抗；ＺＣｏ为电子管总输出电容Ｃｏ的容抗；Ｒｏｅ为电子管阳极输出电阻；ＺＴ、ＺＭ分别为内腔、
外腔所对应的阻抗。根据匹配谐振条件，令ＲＬ＝５０，ＸＬ＝０，求解ＺＴ、ＺＭ，
便可得到内腔长度ＬＴ、外腔长度ＬＭ。图５示出放大器输出谐振腔的电压分布，其中，ａ、ｂ、ｃ分别对应输出腔运行于０～１／４λ、１／４λ～１／２λ、１／２λ～３／４λ时的情形。输出回路的
调谐调配通过改变２个短路线的短路位置来实现，因此对于某一工作频率，存在着多个同轴短路线的组合位置；
另一方面，从电子管向外看的阳极负载阻抗Ｒｏｅ，
从能量守恒定则可推导出下式：Ｒｏｅ＝ＲＬ（
Ｖ０／ＶＲＬ）２
（２）式中：ＲＬ为负载电阻；ＶＲＬ为负载电压；Ｖ０为电子管阳极射频电压。欲实现负载电阻ＲＬ和电
子管阳极输出电阻Ｒｏｅ的阻抗变换，需调整２个同轴短路线，可见在某一工作频率点，外腔和内腔存在一确定的长度，
在此位置上，放大器处于最佳工作状态，其输出功率最大
。
图４ １．５ＭＷ级放大器输出谐振腔等效电路Ｆｉｇ．４ Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｏｕｔｐｕｔ ｃａｖｉｔｙ
ｏｆ １．５ＭＷ ａｍｐ
ｌｉｆｉｅ
ｒ图５ １．５ＭＷ级放大器输出腔射频电压分布模型
Ｆｉｇ．５ ＲＦ ｖｏｌｔａｇｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎ ｏｕｔｐｕｔ ｃａｖｉｔｙ
ｏｆ １．５ＭＷ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ２．２ 放大器级间匹配
驱动级１００ｋＷ放大器的输出阻抗为５０Ω，当末级１．５ＭＷ放大器的输出功率为１～
１．５ＭＷ时，其在输入阻抗范围内变化约为１０～５Ω，
因此，驱动级与末级放大器间需一阻抗匹配电路，
以实现功率的有效传输。阻抗匹配回路由双Ｔ支节匹配器和１个电感谐振腔组成，为避免匹配盲区，支节匹配器间的传输线长度被分成４段，以对应不同的频率匹配范围，其长度分别为４３７、３４５
、２６１、１３７ｃｍ，而长度为８０ｃｍ、特性阻抗为３５Ω的输入电感腔起着辅
助匹配的作用，放大器的输入回路结构示意图如图３下半部分所示，图６示出归一化双支节匹配系统在输入阻抗为５～１０Ω时的阻抗匹配变化趋势，图中支节ａ为１００ｋＷ级放大器侧支节，支节ｂ为１．５ＭＷ级放大器侧支节，ｄ为两支节间传输线长度。从图６可看出，当系统
匹配时，支节ａ的变化范围很小，而支节ｂ的调节范围为半波长。可见，只要选取合适的ｄ，该匹配系统在整个运行频带内即可实现放大器级间的阻抗匹配，而不会出现匹配盲区，从而达到射频功率有效传输的目的
。
图６ 归一化双支节匹配系统阻抗匹配变化趋势Ｆｉｇ．６ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｍａｐ
ｉｎ ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄｄｏｕｂｌｅ－ｓｔｕｂ ｔｕｎｅｒ ｍａｔｃｈｉｎｇ
ｎｅｔｗｏｒｋｆｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌｏａｄ ｉｍｐ
ｅｄａｎｃｅｓ１
５０１第６期 毛玉周等：ＥＡＳＴ装置高功率宽带射频发射机系统研制
２．３ 寄生振荡抑制
放大器在高功率运行时，寄生振荡的产生将会对放大器的工作稳定性造成严重影响，因此，除了高功率和宽频带，
寄生抑制是设计放大器时须考虑的重要因素。对于电子管ＴＨ５２５Ａ，其寄生频率范围为１．２～１．３ＧＨｚ。为了抑制寄生振荡，首先，在电子管的帘栅极缠绕１圈铁氧体环，并用水冷却；
其次，在电子管管座四周放置一些铁氧体方块以吸收抑制杂波；再次，设计一终端为楔形的长方形波导吸收体，波导内填充吸收材料，根据规则金属波导的传输截止特性，用来吸收抑制电子管和腔体产生的寄生。假设吸收材料的介电常数和磁导率分别为ε、μ，
传输常数β由下式给出：β＝ｋ２－ｋ槡
２
ｃ＝ｋ２
（－ｍπ
）ａ
２
（－
ｎπ）
ｂ
情天欲海
槡２
ｋｃ
（＝ｍπ）ａ
２
（－ｎπ）ｂ槡２
（３
）式中：ｋ为波数；ｋｃ为截止波数；ａ、ｂ为波导的两个边长；ｍ、ｎ为自然常数。每种模式的截止波长由下式给出：
ｆ
ｃｕｔ＿ｍｎ
＝
ｋｃ２πμ
槡ε＝
１２πμ
槡（εｍπ
）ａ
２
（－
ｎπ）ｂ
槡
金山打字通2002２
（４
） 在本设计中，
截止波长为０．７５～１．５ＧＨｚ模式的射频波被传输，然后被吸收，如ＴＥ１０、ＴＥ０１、ＴＥ１１、ＴＥ２
０等模式，在１．５ＭＷ级放大器腔体内部的侧边和底部共安装１７个波导吸收体，如图７所示。图７ 波导吸收体安装及其几何形状Ｆｉｇ．７ Ａｓｓｅｍｂｌｉｎｇ ａｎｄ ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｏｆ ｗａｖｅｇｕｉｄｅａｂｓｏｒｂｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅｓ ｆｏｒ ｄａｍｐｉｎｇ
ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｒｅｓｏｎａｎｃｅｓ２．４ 放大器腔体冷却
在系统运行于大功率稳态的条件下，必须充分考虑系统的冷却问题，
良好的冷却措施可确保放大器在稳态运行时无过热的情况发生。对于某一固定的输出功率，输出腔导体表面的功率损耗与工作频率呈正比，腔体单位长度的
欧姆损耗可由下式求得：
Ｐｌｏｓｓ＝
ＰｒｆｄＺ０ｆμ１πσ槡
１
（５
）式中：Ｐｒｆ为射频输出功率；Ｚ０为腔体的特性阻抗；ｄ为腔体直径；ｆ为工作频率；μ
１为腔导体的磁导率；σ１为腔导体的电导率
。
图８为输出功率为１．５ＭＷ时末级放大器输出腔的欧姆损耗理论计算值。
图８ １．５ＭＷ末级放大器输出腔体欧姆损耗
Ｆｉｇ．８ Ｏｈｍｉｃ ｌｏｓｓｅｓ ｏｆ ｏｕｔｐｕｔ ｃａｖｉｔｙｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ｏｆ １．５ＭＷ ａｍｐ
ｌｉｆｉｅｒＥＡＳＴ发射机系统高功率放大器采用风冷
和水冷两种冷却方式，
其中，两级电子管放大器的腔体和电子管ＴＨ５３５阴极采用强迫风冷，
山东行政学院学报
如图２、３中箭头所示，ＴＨ５３５阳极和ＴＨ５２５Ａ各电极为水冷。水冷系统为每套射频发射机系
统提供水流量＞６５ｔ／ｈ、水电阻＞１ＭΩ／ｃｍ
２
的去离子水；末级放大器输出腔体的风流量约为
２０ｍ３
／ｍｉｎ，风压约１
５００Ｐａ。通过冷却风带走的热能（Ｗ）
可由下式求出：Ｐ＝ρｃｐ
ＱａΔｔ（６
）式中：ρ、ｃｐ、Ｑａ、Δｔ分别为空气密度（ｋｇ／ｍ３
）、空气的比定压热容（Ｊ／（ｋｇ·℃））、风流量（ｍ３
／ｓ）和温升（℃）。假定温升为２０℃，则由２０ｍ３
／ｍｉｎ的
冷却风带走的热能约为７．７ｋＷ，由图８可知，对于输出功率为１．５ＭＷ、腔长为３ｍ的末级放大器，其腔体的总体欧姆损耗不足１．５ｋＷ。可见，
流量为２０ｍ３
／ｍｉｎ的冷却风足以确保放大器在
稳态运行时无过热的情况发生。
３ ＰＳＭ高压电源
高性能的高压电源为射频放大器的稳定运行提供了可靠的保证，在ＥＡＳＴ射频发射机系统中，
２
５０１原子能科学技术 第４７卷
由撬棒构成的常规整流滤波直流高压电源被基于ＰＳＭ技术的直流高压电源所取代，为此研制了电子管ＴＨ５３５和ＴＨ５２５Ａ的阳极、帘栅极ＰＳＭ高压电源，它们的过流保护时间短（＜
５μｓ）、短路能量低（＜１０Ｊ）、纹波小（＜３％）、效率高（～９５％）、电压调节灵活、使用安全可靠，图９ａ为电子管ＴＨ５２５Ａ阳极高压电源（２４ｋＶ／１３０Ａ）
在过流保护值设定为１００Ａ时的测试结果，图９ｂ为电子管ＴＨ５３５阳极高压电源（１５ｋＶ／２５Ａ）
在过流保护值设定为２０Ａ时的测试结果。从图中可知，２４ｋＶ／１３０Ａ高压电源和１５ｋＶ／２５Ａ高压电源的过流关
断响应时间分别为２μｓ和５μｓ。可见ＰＳＭ高压电源响应速度快，过流时能在几μｓ内快速切断电源，
有效保护了电子管等核心器件，提高了放大器运行的安全可靠性。同时，由于ＰＳＭ高压电源采用模块化冗余设计，输出电压可自由调节，极大提高了电源应用的灵活性
。
图９ ２４ｋＶ／１３０ＡＰＳＭ高压电源（ａ）和１５ｋＶ／２５ＡＰＳＭ高压电源（ｂ
）过流保护测试波形Ｆｉｇ．９ Ｔｅｓｔｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ＰＳＭ ＨＶＰＳｗｉｔｈ ２４ｋＶ／１３０Ａ（ａ）ａｎｄ
１５ｋＶ／２５Ａ（ｂ）４ 射频发射机系统测试
射频发射机系统在５０Ω假负载上进行了测试，
测试频率为频带内的每个整数频率点。在２４～７０ＭＨｚ频带内，１００ｋＷ驱动级放大器的平均输出功率为９０ｋＷ，增益约为１４ｄＢｍ；
１．５ＭＷ末级放大器平均输出功率为１．５ＭＷ，
增益约为１３ｄＢｍ，效率在６０％～７５％之间，图１０为１．５ＭＷ级放大器测试结果。可看出，当ｆ＞６５ＭＨｚ时，输出功率和能量转换效率均急剧下降，这是由电子管ＴＨ５２５Ａ极限工作频率的限制所引起的。另外，在３５和３６ＭＨｚ时输出功率仅为１．２ＭＷ左右，造成功率下降的原因目前尚不清楚，有待进一步分析。测试时，高功率电子管放大器级间匹配状况通过双支节匹配器进行调节，
入射功率、反射功率通过定向耦合器被监视，１．５ＭＷ末级放大器通过调整匹配腔和调谐腔以获得最佳的运行模式。图１１示出了输出腔体长度的理论计算值与在５０Ω负载上实际调试结果。从图１１可看出，理论计算值与实际测试值具有非常好的一致性。由于放大器运行频带较宽，
约３个倍频程，因此在不同的频段谐振腔的工作模式是不同的。内腔（调谐腔）在整个频段（２５～７０ＭＨｚ）内皆运
行图１０ １．５ＭＷ级放大器在２４～７
０ＭＨｚ频带内高功率测试结果
Ｆｉｇ．１０ Ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｔｅｓｔ ｏｆ １．５ＭＷ ＲＦ ａｍｐ
ｌｉｆｉｅｒｏｖｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
ｒａｎｇｅ ｆｒｏｍ ２４ｔｏ ７０ＭＨｚ于０～１／４λ短路线模式，呈现感性。而外腔（匹配腔）电路模式在频率低端和频率高端是不同的，在频率低端（２５～４０ＭＨｚ），匹配腔应用０～１／４λ同轴短路线模式，呈现感性；在频率高端（４１～７０ＭＨｚ），调节过程中需进行电路的模式转换，由于腔长过短，腔底部电子管、输出引出馈线等边缘效应的影响，
腔体调节受到限制，腔体调整已无法满足要求，所以其匹配腔应用１／４λ～１／２λ同轴短路线模式，呈容性，外腔调节位置要相应提高，则内腔调节位置也相应提高。若放大器运行于７０ＭＨｚ以上的更高频率，则调谐或调配腔体需应用１／２λ～３／４λ的模式。
３
５０１第６期 毛玉周等：ＥＡＳＴ装置高功率宽带射频发射机系统研制
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