一种人工智能调相注入锁定连续波磁控管微波源

摘要

本发明涉及微波辐射源，本发明公开了一种人工智能调相注入锁定连续波磁控管微波源。本发明的技术方案是，一种人工智能调相注入锁定连续波磁控管微波源，包括信号源、磁控管、环行器、耦合器、混频器、滤波器和鉴相器；所述信号源输出的注入信号通过环行器注入磁控管，调整磁控管输出的功率信号频率，所述功率信号通过环行器进入耦合器，所述耦合器输出的一部分信号通过混频器产生混频信号，所述混频信号经过滤波器输入鉴相器，所述鉴相器输出端与信号源连接，基于人工智能的学习算法，控制信号源输出的注入信号频率和相位。本发明提高了磁控管的输出微波的频率和相位稳定性，能够满足相干合成的要求，特别适合用于微波传输能量的应用领域。

说明书

技术领域

本发明涉及微波辐射源，特别涉及利用独立信号源微波注入磁控管，进行锁频调相（频 率锁定和相位调整）的微波源。主要用于微波能量传输领域的微波相干功率合成技术。

背景技术

在微波能量传输等高功率微波应用技术领域中，常常需要获得尽可能高的微波功率。由 于单个微波源的输出功率受器件本身功率容量限制，采用微波功率合成技术是解决此难题的 有效途径。在现有微波功率合成技术中，分为相干功率合成与非相干功率合成技术两大类。 微波相干功率合成技术，要求系统中各个微波功率源的发射频率、相位必须一定的条件，通 常要求各个微波功率源的微波发射频率和相位相同，这就需要使用大功率的微波锁相、移相 等技术。常用的微波发生器主要有固态器件和电真空管两大类。目前获得大功率微波主要采 用固态器件逐级合成的方法。由于受到单个固态器件功率偏低的限制，固态器件多级合成的 微波输出功率仅达到千瓦量级。而目前微波能量传输等特殊领域常常需要兆瓦量级的微波源。 考虑到寿命、成本等诸多因素，美国科学家首先在微波能量传输中提出采用价格低廉的商用 连续波磁控管（简称为磁控管）来实现合成。为了提高合成效率，往往希望满足微波相干合 成的要求。

磁控管是一种具有复杂幅相特性微波器件。商用磁控管虽然具有价格低廉、单管输出功 率大、寿命长、功质比高等优点，但却存在频谱范围较宽、相位不稳定的缺点。其工作频率 在较大范围内随机变化（如中心频率为2450MHz和5800MHz的磁控管，其频率范围通常分 别为2450±25MHz和5800±30MHz），相位也在0～2π范围内随机变化。因此必须对商用磁控管 增加外围辅助系统进行改造和控制实现锁频调相后才能满足多个磁控管微波源进行相干功率 合成的要求，随之出现了相位控制磁控管(PCM)。目前相位控制磁控管实现方法主要有两种， 一种是由美国科学家Brown提出的分别采用频率和相位两条反馈回路，通过增加的“buck  boost”线圈控制磁控管外磁场进行锁频调相的方法；另一种是日本京都大学研究提出的，通 过控制高压电源改变磁控管阳极电流达到锁频调相的方法。这两种方法都是通过改变磁控管 工作参数来实现锁频调相的，都涉及到磁控管本身结构的改造，结构复杂，实现困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种人工智能调相注入锁定连续波磁控管微波源， 采用功率注入的方法对商用磁控管进行微波注入锁频调相。

本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，一种人工智能调相注入锁定连续波磁控 管微波源，包括信号源、磁控管、环行器、耦合器、混频器、滤波器和鉴相器；所述信号源 输出的注入信号通过环行器注入磁控管，调整磁控管输出的功率信号频率，所述功率信号通 过环行器进入耦合器，所述耦合器输出的一部分信号通过混频器产生混频信号，所述混频信 号经过滤波器输入鉴相器，所述鉴相器输出端与信号源连接，基于人工智能的学习算法，控 制信号源输出的注入信号频率和相位。

本发明的技术方案，使用高稳定度信号源产生频率接近磁控管固有谐振频率的注入信号， 该信号经过环行器直接注入到磁控管中，当注入信号幅度达到相当数量级时，磁控管振荡频 率与注入信号相位同步。在锁频范围内，磁控管的输出频率与注入信号为同一值，磁控管的 输出频率直接由注入信号频率控制，实现了通过注入信号的方法对普通商用磁控管进行锁频 调相控制。

由于注入信号经过环行器、磁控管以及定向耦合器各级的延迟影响，加之磁控管工作中 受直流高压源、阳极电流、灯丝电压、磁控管温度等诸多因素影响，其输出的功率信号特性 参数（频率、相位）在锁定中仍存在动态变化，必须建立反馈回路时刻动态调整其偏差，而 且因上述原因存在一个相位的非线性变化过程。为此，本发明鉴相器采用了控制技术领域常 用的基于人工智能的学习算法，进一步提高了锁频调相的精度。

本发明的反馈控制回路从耦合器输出中取出一部分信号，通过混频器、滤波器和鉴相器 进行处理后，控制信号源输出的注入信号频率和相位。本发明将通信信号处理中混频的概念 引用到高功率微波源的处理中，将耦合器输出的功率信号取出一部分，与一个标准信号一同 输入混频器，取其混频后的差频输出信号，然后通过鉴相器对该信号的相位进行数字采样处 理，进而实现对功率信号的控制。上述标准信号可以由一个标准频率源产生，或者由信号源 提供。

进一步的，所述信号源与环行器之间连接有功率放大器，用于放大注入信号到设定功率。

在信号源与环行器之间增加功率放大器，可以对其输出的注入信号功率进行放大，弥补 信号源输出信号功率不足的缺陷，以满足磁控管锁频的要求。

具体的，所述磁控管的直流高压纹波＜1%。

采用低纹波的直流高压电源，其纹波＜1%，能够降低电源本身噪声对磁控管工作特性 的不良影响，提高锁频调相的精度。

推荐的，所述一种人工智能调相注入锁定连续波磁控管微波源用于空间微波能量传输。

空间微波能量传输往往需要大功率的微波发射系统，采用本发明的微波源可以组成相干 微波功率合成系统，从而得到大功率微波发射装置，满足空间微波能量传输的大功率要求。

本发明的有益效果是，使用高稳定度信号源通过注入信号的方法对普通商用磁控管进行 注入锁频调相；采用反馈回路通过对高稳定度信号源输出的注入信号的相位控制实现了磁控 管稳相和移相功能。本发明提高了磁控管的输出微波的频率和相位稳定性，能够满足相干合 成的要求，特别适合用于微波传输能量的应用领域。

附图说明

图1是实施例结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。

本发明采用微波注入锁频技术，在磁控管起振前，先注入一个低电平高稳定度的外部基 准频率微波信号（本发明称为注入信号），其频率接近于磁控管的固有谐振频率（或称为中 心频率）。该信号经过环行器直接注入到磁控管中，当注入信号幅度达到相当数量级时，磁 控管振荡频率与注入信号的相位同步。在锁频范围内，磁控管的输出频率与注入信号频率为 同一值，磁控管的输出频率直接由注入信号频率控制。

实施例

本例以工作在C波段频率为5.799GHz的磁控管微波源为例说明本发明的结构和实现方 法。相应的，注入信号频率=5.799GHz，磁控管中心频率=5.8GHz，标准信号频率=5.799GHz +100kHz。

本发明的一种人工智能调相注入锁定连续波磁控管微波源，包括信号源1、功率放大器 12、环行器2、耦合器3、磁控管4、混频器5、滤波器6和鉴相器7，如图1所示。信号源1 功率大小约为0dBm，输出的注入信号频率设定为5.799GHz。功率放大器12增益为40dB， 输出功率约为10W。信号源1输出的注入信号通过环行器2注入磁控管3，调整磁控管输出 的功率信号频率，使其设定到5.799GHz。磁控管3输出的功率信号通过环行器2进入耦合器 3，其大部分作为微波功率输出，耦合器3输出的一部分信号进入反馈回路。本例的反馈回路 包括混频器5、滤波器6和鉴相器7，是通信技术中常见的锁相环路（PLL）。混频器5将功率 信号与标准信号混频，产生一个频率为100kHz的混频信号，该混频信号经过滤波器6滤除 带外杂波后输入鉴相器7。本例鉴相器7基于人工智能的学习算法，将100kHz的混频信号 与标准的100kHz信号进行比较，产生一个控制信号输出到信号源1，控制信号源1输出的 注入信号频率和相位。通过反复调整，最终使磁控管4的输出频率锁定到5.799GHz，相位与 信号源1输出的注入信号同步。

本例中，磁控管4的高压直流电源为纹波小于1%的4200V直流高压电源。磁控管4在 注入信号作用下起到一个放大器的作用，通过环行器2将约650W的微波功率输出到耦合器 3中，最终该微波功率通过负载天线系统辐射出。

本例微波源频率稳定度达到10^-8，相位稳定度优于±2°，输出功率约655W，相位可调范 围±180°，相位移动步进1°。该微波源满足微波相干功率合成的要求。