螺旋線行波管收集極電源穩壓取樣方法

螺旋線行波管(以下簡稱行波管)作為微波放大部件，盡管生產工藝復雜，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構；燈絲電源通過燈絲給陰極加熱，受熱的陰極不斷發射電子，電子注經聚焦后通過慢波系統，在電子注通過螺線時產生群聚，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，而在慢波系統中完成了能量轉換任務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計來減小熱損耗，同時通過散熱設計使熱量有效地散出去，目前關于行波管的專業書籍書店很少見到，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，其它指標要求相對較低；通常情況下控制電路以地為參考點，要實現收集極電源的穩壓控制，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穩壓，下面介紹幾種常用的穩壓取樣方法。

2．1 穩定輸入電壓

　　這是一種最簡單的穩壓方式，電網電壓經過交流穩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。這種電源負載穩定度低，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隔離反饋實現穩壓

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

　　這種穩壓方式可實現高精度穩壓，同時高頻化使體積大大縮小；缺點是環路響應時間長，在行波管應用中，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路在電子注打開后才進入閉環穩壓；該線路另一缺點是不方便電壓調節，由于放大器及參考基準都浮動在陰極電壓上，高壓灌封后使電壓調節非常不便。

　　綜合該線路的優缺點，可以確定這種線路適合在穩定的連續波行波管上使用，這種行波管電壓參數穩定一致，電壓不需要經常調節，而電流只有兩種狀態，易于實現加電過程的控制。若電壓經常需要調整時，這種線路由于調節不便而不適用；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電源》介紹了用Buck加全橋電路實現的多輸出開關電源，電路由螺線電源取樣實現閉環控制，收集極作為從輸出。

　　這種電源形式的突出優點是兩組高壓電源可實現同步變化，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整，使用中靈活性較差。

　　對于一個確定的行波管，無論是連續波管還是脈沖管，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整，該電路因收集極不能單獨調節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換為以地為參考的壓差信號，原理如圖2所示，R1、R2構成陰極分壓取樣電路，R3、R4構成收集極分壓取樣電路；圖中Uk，Uc數值以地為參考。

　　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，實現穩壓控制；要使該電路調試方便，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，直接結果是Uk的變化影響Uc，使得Uc電源很難單獨調試。

　　用差分取樣方式實現穩壓控制，閉環時間短，可以適應多種用途，加電過程中防止瞬態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壓取樣方法各有特點，也有不同的適用范圍，孰優孰劣沒有定論，應具體問題具體分析；以上分析如有不妥之處請專家指正。