行波管饱和增益平坦度测试方法的改进.pdf

V A C UUME L E C T RON I C S真空电子技术 工艺与整管研究行波管饱和增益平坦度测试方法的改进何晏彰,刘飞翔,于文杰(北京真空电子技术研究所,北京 )摘要:饱和增益平坦度是行波管的一项重要指标,其数值代表传输信号的失真程度,饱和增益平坦度测试的准确性一直受到重点关注.对一支K a频段行波管分别采用逐点法和网络分析仪法进行测试,发现双端口校准不能完全消除输入功率的波动,但测试结果会发生明显变化.改进测试方法后,饱和增益平坦度测试结果由 降低至 d B,与逐点法测试结果接近,表明饱和增益平坦度测试需要在双端口校准的基础上,进一步对输入功率进行校准和修正.关键词:饱和增益平坦度;行波管;电子测量技术中图分类号:T N 文献标识码:A文章编号:()d o i:/j c n k i c n /t n I m p r o v e m e n t o f S a t u r a t i o nG a i nF l a t n e s sM e a s u r i n gM e t h o d f o rT r a v e l i n gW a v eT u b e sHEY a n z h a n g,L I UF e i x i a n g,YU W e n j i e(B e i j i n gV a c u u mE l e c t r o n i c sR e s e a r c hI n s t i t u t e,B e i j i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:A sa n i m p o r t a n tp a r a m e t e ro f t r a v e l i n gw a v e t u b e s(TWT s),s a t u r a t i o ng a i nf l a t n e s s r e p r e s e n t s t h ed i s t o r t i o nd e g r e eo f t r a n s m i t t e ds i g n a l,a n dt h ea c c u r a t em e a s u r e m e n to f i th a sb e e np a i dm u c ha t t e n t i o n P o i n t b y p o i n tm e t h o da n dn e t w o r ka n a l y z e rm e t h o da r eu s e dt ot e s taK a b a n dTWT I ti sf o u n dt h a t t h ed u a l p o r tc a l i b r a t i o nc a n n o tc o m p l e t e l ye l i m i n a t et h ef l u c t u a t i o no f i n p u tp o w e r,a n dt h et e s t r e s u l t c h a n g e so b v i o u s l y B y i m p r o v i n gt h e t e s tm e t h o d,t h es a t u r a t i o ng a i nf l a t n e s s i sr e d u c e df r o m d Bt o d B,w h i c h i sc l o s et ot h er e s u l to fp o i n t b y p o i n tm e t h o d T h er e s e a r c hi n d i c a t e st h a t t h es a t u r a t i o ng a i nf l a t n e s s t e s tn e e d s t ob e f u r t h e rc a l i b r a t e da n dc o r r e c t e do nt h eb a s i so f t h ed u a l p o r tc a l i b r a t i o n K e y w o r d s:S a t u r a t i o ng a i nf l a t n e s s,T r a v e l i n gw a v e t u b e,E l e c t r o n i cm e a s u r e m e n t t e c h n o l o g y信号在传输过程中可能会出现幅度畸变,导致整机性能受限,这种情况往往与工作频带内增益波动较大有关.为了评估不同频率的信号经过行波管放大所产生的幅度失真,引入增益平坦度这一指标.主要 的 测 试 方 法 包 括 逐 点 法 和 网 络 分 析 仪法.在实践中发现,采用网络分析仪法测得的结果会明显大于采用逐点法测得的结果.本文从工程应用的角度分析了测试差异的主要原因,并提出了改进方法.饱和增益平坦度测试试验情况在窄带条件下,增益受到的主要影响通常是行波管内存在的某种反馈,这些反馈最终导致增益出现波动,因此需要对增益平坦度进行测试.行波管工作于最大输出功率下的增益平坦度称为饱和增益平坦度.其测试通常采用网络分析仪法,使用矢量网络分析仪,以中心频点饱和时的输入功率为激励,在规定带宽内,采用输入功率等激励进行测试.对一支K a频段的行波管进行测试,网络分析仪法测得的饱和增益平坦度为 d B.逐点法测得的结果为 d B.测试结果如下图所示.采用网络分析仪法时,如果在双端口校准的基础上,增加对行波管输入功率的校准,测试结果由 降低至 d B.对网络分析仪测试结果展开分析,如图所示,除原有图(a)所示的饱和增益平坦度曲线(S)外,增加图(b)矢网发射功率频响曲线(R,)、图(c)回波损耗频响曲线(S)以及图(d)矢网接收功率频响曲线(B,).真空电子技术V A C UUME L E C T RON I C S ab54.954.754.554.354.153.954.9054.8054.7054.6054.5054.4054.3054.2054.1054.0053.90Peak to Peak:0.58 dB Meal:54.42 dB Std Dev:0.10 dBTr 1 S21 LogM 0.100 dB/54.4 dB/dB/dBf0-0.7f0f0+0.7/GHzf0-0.7f0f0+0.7/GHz图行波管测试结果54.9054.8054.7054.6054.5054.4054.3054.2054.1054.0053.90-6.50-6.60-6.70-6.80-6.90-7.00-7.10-7.20-7.30-7.40-7.5050.0040.0030.0020.0010.000.00-10.00-20.00-30.00-40.00-50.0047.7047.6547.6047.5547.5047.4547.4047.3547.3047.2547.20Peak to Peak:0.52 dB Mean:54.41 dB Std Dev:0.10 dBPeak to Peak:0.46 dBm Mean:-6.94 dBm Std Dev:0.09 dBmPeak to Peak:0.17 dBm Mean:47.46 dBm Std Dev:0.03 dBmTr 1 S21 LogM 0.100 dB/54.4 dBTr 2 R1.1 LogM 0.100 dBm/-7.00 dBmTr 4 B1 LogM 0.050 dBm/47.5 dBmTr 3 S11 LogM 10.00 dB/0.00 dB(a)S21(b)R1,1(c)S11(d)B1/dB/dBm/dB/dBmf0-0.7f0f0+0.7/GHzf0-0.7f0f0+0.7/GHzf0-0.7f0f0+0.7/GHzf0-0.7f0f0+0.7/GHz图矢网测试结果展开情况可以看出,矢网测得的饱和增益平坦度曲线变化趋势与矢网发射功率频响变化趋势高度相关,而矢网接收功率的平坦度测试结果为 d B,与逐点法测得的结果基本一致.测试结果差异分析行波管增益的计算方式为输出功率减去输入功率.当行波管从小信号开始,逐步增大激励时,典型的输出功率变化情况如下图所示.图中横坐标 为饱和回退 d B,为饱和,为饱和过激励 d B.484236-20-10010/dB/dBm图行波管输入输出功率变化情况V A C UUME L E C T RON I C S真空电子技术 将图分为个区域.按照箭头所指,从左往右依次为线性区、饱和区和过饱和区.在线性区时,随着激励信号的增加,输出功率基本会线性的增长;在饱和区时,随着激励信号的增加,输出功率基本不变;在过饱和区时,随着激励信号的增加,输出功率会开始降低,因此饱和增益平坦度测试会受到输入功率的显著影响.上文中,当矢量网络分析仪经过双端口校准后,矢网发射功率仍然会存在 d B的波动,因此不满足网络分析仪法的要求,不能反映行波管的真实情况.可以得出推论,行波管小信号增益平坦度测试不会受到输入功率波动的影响,因为此时行波管工作于线性区,增益可以认为是一个常数.测试方法改进一种较为简单的解决方法是通过测试等激励下的输出功率平坦度来替代原有的饱和增益平坦度指标,从而规避矢量网络分析仪发射功率波动对测试结果的影响.另一种方法是在双端口校准的基础上,增加对矢网发射功率的校准和修正.目前市面上一些型号的矢网,内置有功率校准和功率调平模式,可以对矢网的发射功率进行检测和修正.以K e y s i g h t公司某型号矢网为例,其内置功率校准功能,可以通过外接功率计,对矢网发射功率进行校正,同时其内部还有一种叫做R 稳幅模式的功率调平模式.在该模式下,矢量网络分析仪会在每次正式开始测量前,通过发射端口的接收机对每个扫描点的发射功率进行测量,并依据测试结果对矢网发射功率进行修正,以降低发射功率的波动情况.采用改进后的方法对文中的K a频段行波管再次测试,饱和增益平坦度测试结果变为 d B.测试结果如图所示.逐点法与网络分析仪法测试的差异,由十分位减小到百分位,测试一致性有了明显提高.网格分析仪法测试结果随测试方法的变化如表所示.Peak to Peak:0.12 dB Mean:54.54 dB Std Dev:0.02 dBTr 1 R1.1 LogM 0.005 dBm/-7.20 dBmTr 2 S21 LogM 0.100 dB/54.5 dBTr 3 S11 LogM 10.00 dB/0.00 dBTr 4 B1 LogM 0.100 dBm/47.3 dBm-7.17-7.18-7.18-7.19-7.19-7.20-7.20-7.21-7.21-7.22-7.2255.0454.9454.8454.7454.6454.5454.4454.3454.2454.1454.0450.0040.0030.0020.0010.000.00-10.00-20.00-30.00-40.00-50.0047.8447.7447.6447.5447.4447.3447.2447.1447.0446.9446.84(b)S21(a)R1.1(d)S11(c)B1/dBm/dBm/dB/dBf0-0.7f0f0+0.7/GHzf0-0.7f0f0+0.7/GHzf0-0.7f0f0+0.7/GHzf0-0.7f0f0+0.7/GHz图网络分析仪法改进后的测试情况(下转第 页)真空电子技术V A C UUME L E C T RON I C S 结束语基于速调管的大功率微波辐射系统具有工作稳定、试验应用灵活方便等特点,在辐射远场区辐射场功率密度已达十W/c m的量级,对运动中以及静止中的车辆可实现有效拒止,满足开展相应高功率微波效应研究的需求.参考文献赵鸿燕国外高功率微波武器发展研究J航空兵器,():汪伟华高功率微波M北京:国防工业出版社,:许建军,肖开奇,张溪高功率微波辐射电磁环境模拟系统研究J真空电子技术,():B o r t i sD,O r t i zG,K o l a r JW,e t a l D e s i g nP r o c e d u r e f o rC o m p a c tP u l s e T r a n s f o r m e r s w i t h R e c t a n g u l a r P u l s eS h a p ea n dF a s tR i s eT i m e sJ I E E E T r a n s D i e l e c t r E l e c t I n s u l,():B o r t i sD,B i e l a J,K o l a r JW T r a n s i e n tB e h a v i o u r o f S o l i dS t a t e M o d u l a t o r w i t h S p l i tC o r e T r a n s f o r m e rJI E E EI n t e r n P u l s e dP o w e rC o n f(P P C),U S A:W a s h i n g t o nD C,:收稿日期:作者简介:李长年(),男,硕士,工程师,主要专业研究方向:大功率微波发射技术,E m a i l:l c h a n g n c o m,联系电话:.(上接第 页)表网络分析仪法测试结果变化双端口校准双端口输入功率校准双端口输入功率校准R 稳幅 d B d B d B结论工程应用中,采用网络分析仪法测试行波管饱和增益平坦度时,双端口校准不能完全消除矢网发射功率的波动,需要进一步增加输入功率校准和开启功率调平模式,才能满足网络分析法对输入功率的要求.本文在研究过程中,未能发现改进方法后的网络分析仪测试结果与逐点法测试结果在百分位的差异来源,还需进一步探讨.参考文献薛凯微波、毫米波增益均衡器技术研究D成都:电子科技大学,李镇远,冯进军,梁友焕等行波管中的微波测量技术M北京:国防工业出版社,A SG i l m o u r,J r P r i n c i p l e so fT r a v e l i n g W a v eT u b e sM N o r w o o d,MA:A R C T E CHHOU S E,收稿日期:作者简介:何晏彰(),男,工程师,年毕业于西安交通大学电子科学与技术专业,现主要从事空间行波管研 制工作,E m a i l:h e y a n z h a n g c o m.