S波段相对论速调管放大器的相位测量

　　为了在合适的时间与地点把多个源的射频功率合成在一起,必须精确测量和控制每个源与其相邻源的相对相位[1]。相对论速调管放大器电子束的产生、束波互作用、微波的提取以及电子束的收集,这几种功能是在不同区域中分开完成,所以可分别优化各个区域的功能,使RKA具有高功率、高效率、相位和幅度稳定等优点[2-5]。本文围绕S波段相对论速调管放大器开展了高功率微波的相位测试研究。

　　1　测量原理

　　高频信号鉴相采用I/Q(同相/正交)方法,其实质是将高频信号转换到基带,得到在空间上互相正交的信号I和Q[6]。I/Q信号中包含了信号的相位、幅度和频率信息[7]。S波段相对论速调管放大器微波相位测量是利用鉴相器中I/Q解调模块,产生正交的I,Q信号,得到正比于相位差的正弦和余弦的量,然后求反正切,从而得到鉴相结果。

　　鉴相器对两个输入微波信号ν1(t),ν2(t)的相位进行比较,产生对应于两信号相位差的电压。令两个微波输入信号为ν1(t)=ν1cos(ωt+θ1),ν2(t)=ν2cos(ωt+θ2) ,则两个输入微波的相位差Δθ=θ2-θ1。

　　鉴相器4个端口输出为而变化。

　　S波段相对论速调管放大器相位测量示意图如图1所示。微波源输出微波信号,通过定向耦合器被分成两路。一路微波信号注入S波段相对论速调管放大器,与电子束作用后被放大,在速调管提取腔中通过电探针耦合出微波信号,该微波信号经过衰减传输到移相器,经过移相器调节相位后输入到鉴相器;另一路微波信号经过定向耦合器,衰减后的微波信号输入到鉴相器。鉴相器对输入的微波信号进行相位比较,输出4路直流电压信号分别在示波器上显示,根据上述公式计算出S波段相对论速调管放大器输入和输出微波的相位差。

　　2　功分器、移相器、鉴相器的标定

　　2.1　功分器的标定

　　用美国mini-circuit公司的ZAPD-4+型功分器,经中国工程物理研究院计量中心检定两端口幅度和相位不平衡指标如表1所示,在频率2.9 GHz功分器两端口的相位差为0.37°

　　2.2　移相器标定

　　移相器采用美国AEROFLEX公司PQ-44型移相器。中国工程物理研究院计量中心测量了不同频率下,移相器的相移随外加直流偏压的变化,测试结果见图2。在测量范围0~180°,随外加直流电压的升高,移相器的相移测试值增加。

　　2.3　鉴相器标定

　　标定美国Anaren公司20756型的鉴相器,信号源输出微波信号经功分器分成两路。一路经过标称移相器调节微波相位,经过移相器的微波信号输入到鉴相器;另一路微波信号经过衰减器到鉴相器。鉴相器对输入的两个微波信号进行相位比较,通过示波器显示并计算出两个微波信号的相位差。中国工程物理研究院计量中心在不同频率下,测量的标称相位与鉴相器实测相位关系见图3。在频率2.5~3.5 GHz,测量范围0~180°,鉴相器最大鉴相误差小于7°。