随着科技的发展,微波工业应用得到了越来越多的重视。磁控管功率大、体积小、效率
高、成本低,是微波加热、微波无线能量传输等应用的首选器件
[1-4]
。自由振荡的磁控管受阳极
电压和电流、负载变化、谐振腔温度等影响,相位噪声差、输出频带宽等
[5-9]
,制约了其在微波
工业中的推广应用。
Mitani 等
[10]
提出了关断磁控管灯丝电流提高磁控管输出质量的方法,效果显著。Neculaes
等
[11]
提出施加一个非对称轴向磁场抑制近载波的噪声,改善了磁控管的输出。Chen 等
[12]
通过
降低磁控管阳极电压纹波改善 20 kW 磁控管的输出,提升了注入锁频性能。Han 等
[13]
提出了低
纹波高压电源结合锁相电路,提高磁控管的相位稳定度。但对阳极电流进行稳定以改善磁控管
输出性能的研究鲜有报道。
本文提出一种通过引入电子恒流负载稳定磁控管阳极电流的方法,低成本地实现了改善磁
控管输出频谱、抑制相位抖动的效果,对磁控管的微波工业应用具有推广作用。
1. 磁控管特性及注入锁频技术
1.1 频率推移效应
对于微波源,其工作频率是最重要的参数之一,但磁控管的工作频率会受到较多因素的影
响。在磁控管稳定工作的情况下,它的输出特性主要被阳极电压和阳极电流所影响。磁控管的
频率推移特性定义为磁控管振荡频率随阳极电流的变化而变化
[14]
。该特性的成因是磁控管工作
时,内部谐振腔中阴极与阳极之间的电子轮辐相比射频电场最大值有一个超前的相位差。当磁
控管阳极电流增大时,该超前相位将增大,同时电子轮辐变宽,这种变化降低了阴极与阳极之
间的等效电容,即增大了磁控管的输出频率。此外,磁控管的阳极电流即是通过电子轮辐的电
流,它与射频场直接相关,因此磁控管的频率与电流而非电压瞬时相关
[15]
。
对于 1 个磁控管,其自由振荡角频率 ω'可以定义为关于阳极电流 i 的函数,即
式中:ω
0
为谐振腔固有频率,δω(i)为由阳极电流波动带来的频率波动。所以,为了提高
磁控管频率稳定性,获得更好的输出频谱,改善磁控管的阳极电流稳定性是行之有效的方法。
1.2 注入锁定磁控管
磁控管注入锁定技术是指向高功率连续波磁控管中注入 1 个低功率高稳定性外部信号,当
注入信号的频率和幅度满足一定条件时,连续波磁控管输出频率与被注入信号的频率一致,相
位同步。Adler 等
[16]
在小信号增益近似的基础上对微波振荡器的注入锁定理论进行了研究,并
理论推导出注入锁定振荡器的稳态相位方程:
sinα=2Qextρ⋅(ω1−ω′)ω′sinα=2Qextρ⋅(ω1−ω′)ω′