固态射频功率源的研究与设计

发布时间：2017-12-11 01:25

  本文关键词：固态射频功率源的研究与设计

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【摘要】：固态射频功率源比起真空管器件拥有较低的工作电压,使用寿命长,易于维护等优点。固态射频功率源代替真空管器件为大型加速器等设备提供功率是未来功率源的发展方向。上海软X射线自由电子激光装置作为第四代光源的代表,具有峰值亮度比同步辐射光源高109的优点。为科学研究提供了前所未有的探测能力。自由电子激光装置是利用高相对论品质的电子束作为其工媒质,然后在波荡器的周期性变化磁场中以受激辐射方式放大电磁辐射的一种新型光源。自由电子激光装置功率源的幅度和相位稳定,对其获得高亮度,短脉冲,相干性好的激光有着重要的作用。本文详细介绍了一台用于上海软X射线自由电子激光装置的S波段固态射频功率源的设计和制造过程,以及固态功率源完整的性能测试实验结果。这个固态射频功率源的工作频率在2856MHz,使用三级放大,四路合成的放大方式。在一分贝压缩点处,功率增益大于59dB。固态功率源中集成了一个射频开关模块,可以将行波输入变成脉冲波,并且脉冲宽度可调。。本文的创新点在于将固态功率放大器相位抖动的RMS值降低到0.015°以下。这是世界上第一台相位稳定性可以达到这个量级的S波段固态功率源。除此之外,功率放大器的输出脉冲前后沿抖动小于5ns,脉冲平顶的RMS值小于0.2%。这些性能都属于世界领先水平。本文分析了固态功率放大器在设计过程中产生相位抖动的原因。使用模块化设计的方法设计固态功率源。通过软件仿真模拟设计的固态功率放大器模块,使其可以达到要求的输出功率。在此基础上,使用消除寄生参数,降低电磁耦合噪声的影响等方法实现功率放大器模块低相位抖动功率输出的结果。同时,使用电源保护电路,光耦元件等方法降低其他模块对相位抖动的影响。从而得到需要的结果。固态功率源设计完成之后,对其进行了完整的参数测试实验。使用频谱仪测试了功率放大器的频谱曲线,使用功率计测量了功率源的输出功率。并使用上海应用物理研究所自行研发的低电平系统测试了固态功率源的相位抖动以及脉冲平顶。均达到了设计指标。本文还介绍了一个台工作在250MHz的高线性固态功率放大器模块的设计过程。该放大器模块将用于组成输出功率为100kW的固态功率源为能量回收型直线加速器提供功率。放大器模块使用传输线匹配和集总元件匹配相结合的方式进行设计。设计过程利用ADS软件进行仿真和优化,达到需要的设计指标。在输入阻抗匹配设计中,使用了紧凑化结构,缩小电路尺寸。在输出阻抗匹配电路的设计中,使用了可以有效抑制高次谐波,提高放大器的性能的滤波器匹配结构。仿真结果得出,该放大器具有结构紧凑,高次谐波抑制性好,输出功率大等优点。本文的最后,介绍了一个X波段功率放大器设计过程,介绍了X波段固态功率放大器的设计难点。分析了金线键合对放大器的影响。并提出了使用金线补偿电路的方法,消除金线键合对放大器匹配电路的影响。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN722.75;TN249

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本文编号：1276670