C波段能量倍增器的研制

C波段(5712 MHz)能量倍增器——SLED是我国研制的首台C波段能量倍增器。简述了利用三维电磁场仿真软件HFSS和CST对C波段能量倍增器的高品质因数储能腔、耦合孔、3 dB桥等进行优化设计的情况,对加工的能量倍增器做了射频低功率测试,实验测试和理论计算的一致性很好,测试结果表明所有技术参数指标均达到了设计要求。

3dB桥误差对能量倍增器性能的影响

根据能量倍增器的工作原理,对3dB桥误差引起的能量倍增器性能变化进行了理论分析,并对BEPC和BEPCⅡ直线加速器所使用能量倍增器的3dB桥误差进行了讨论,为判断焊接后3dB桥桥臂波导变形提供了理论参考。结果表明:无论是功率分配不平衡,还是相位关系偏离,都会使部分功率反射回速调管。功率分配不平衡和微波相位关系偏离值越大,则功率倍增因子下降得越多。

能量倍增器法微波脉冲压缩

为了开展S波段能量倍增器脉冲压缩实验,对能量倍增器进行了冷测和热测工作,主要包括对能量倍增器的指标、参数的测量以及在高功率下对能量倍增器的输出功率、功率增益等参数的测量。实验中,完成了微波固态源系统的改造,研制了同步信号控制器,研究了输入输出脉冲宽度对输出峰值功率的影响,并对实验中可能的射频击穿问题进行了研究。在输入功率5 MW时,得到了功率增益7.122,输出脉宽260 ns,输出峰值功率35.35 MW。

高功率微波脉冲压缩的能量倍增器

为了实现高功率微波初级波源的小型化,获得更高功率的输出微波脉冲,研制了用于高功率微波脉冲压缩的能量倍增器。利用了快速反转开关,实现了功率的瞬时放大。实验结果表明在输入微波功率达到5.3MW时,输出脉冲功率可以达到35MW,输出峰值功率增益达到7dB。在此基础上对PM–AM技术进行了研究,并通过该技术获得了平顶的输出微波脉冲,以满足不同实验对初级波源的需求。

基于FPGA的能量倍增器相位翻转系统的研制

介绍了基于可编程逻辑门阵列(FPGA)的能量倍增器(SLED)相位翻转系统。该系统主要由微波IQ调制器、FPGA和高速DAC组成。在FPGA的控制下,DAC输出两路双极性脉冲电平信号,加载于调制器的IQ端,将微波连续波输入信号转变为4μs脉冲输出信号,并且在3μs时刻微波相位发生180°跳变。经测试,相位翻转精度为180°±2°,翻转相位的长期稳定度优于±0.5°;相位翻转系统驱动的6台SLED的输出功率增益均超过7dB,最高达到7.54dB,增益的长期稳定度达到±0.1dB。

用于实现能量倍增器平顶输出的双环PI控制技术研究及验证

上海软X射线自由电子激光(Shanghai Soft X-ray Free-electron Laser,SXFEL)升级改造工程中,升级项目之一是使装置在双束团模式下运行,即在一个微波脉冲内加速得到两个相同能量的电子束团。为此设计开发了基于双环比例积分(Proportional Integral,PI)控制的微波低电平(Low Level Radio Frequency,LLRF)控制系统,用于调制微波脉冲能量倍增器的输出波形,使其变为平顶脉冲,以满足双束团模式的要求。该方法使用了两个反馈闭环分别控制输出脉冲整体的幅相稳定性和保持波形的平坦化。通过在微波实验平台上的连续测试,证明了双环PI控制法可以长时间维持能量倍增器输出脉冲的平坦度,并保证整体的幅相稳定性在0.09%和0.1°以内(均方根值),满足了设计要求。当对系统施加较大的外部干扰时,无需人为干预,算法能自动恢复平顶输出。

SLED模型的完善和3dB耦合器性能研究

采用通用的非理想3d B耦合器散射矩阵进行模型完善。利用这一完善的模型对3d B误差进行了分析,研究了3d B耦合器误差对能量倍增器的倍增因子、输出信号峰值和反射信号峰值的影响。为制造和加工3d B耦合器的所允许的误差及其控制提供了理论参考。结果表明:功率分配不平衡误差及其相位关系偏差均可导致能量倍增因子的下降和部分功率发射回速调管。在能量倍增因子的平坦度要求控制在0.02%以内时,3d B耦合器的功率不平衡因子δ<0.035,相位偏差θ<10。

微波脉冲压缩研究

简要介绍了微波脉冲压缩技术的原理和实现方法,对储能切换法、能量倍增器法和功率二进压缩器法的实验原理进行了阐述。为了获得高功率的输出脉冲进行了L波段单路以及双路储能切换法脉冲压缩的实验,获得了GW级的输出脉冲。在此基础上对微波脉冲压缩的前景以及即将开展的工作进行了一个展望。

S波段高精度快速倒相开关设计

倒相开关是能量倍增器法(SLED)脉冲压缩系统中的关键器件,它的倒相精度和开关速度对脉冲压缩系统的性能有重要影响。设计了一种工作在S波段的精度可调、响应迅速的微带反射式倒相开关,并对其进行了理论分析,电路结构设计和仿真研究。对倒相开关的反射终端进行了改进设计,利用一个变容二极管来代替传统的并联枝节电路,通过调节变容二极管的偏置电压改变反射终端的反射系数,从而实现对倒相相位的精确调节。仿真结果表明,倒相开关响应时间约4 ns,且通过调节变容二极管偏置电压可以在一定范围内调节倒相精度。

BEPCⅡ直线加速器微波系统

BEPCⅡ直线加速器微波系统要求的技术指标比旧系统有了大幅度的提高,为此老系统的许多部件需要重新研制和改造．本文首先介绍了关键部件的改造研制情况,它包括能量倍增器、加速管、大功率波导阀门、大功率干负载及其中功率和高功率波导衰减／移相器;其次简要介绍了微波系统高功率运行情况．