一种大功率射频功率源输出功率线性控制系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及一种大功率射频功率源输出功率线性控制系统和方法，所述系统包括射频信号产生单元、射频功放模块组、功率合成单元、控制信号源、信号处理单元、功率控制单元；射频功放模块组的每个射频功放模块连接至功率合成单元中功率合成变压器的初级；功率合成单元对各个射频功放模块的功率进行合成输出；控制信号源是给定的用于控制输出功率的模拟电压信号；所述功率控制单元根据信号处理单元得到的数字信号，通过协同调整功率模块数量以及供电单元电压控制射频功放模块组的功率输出。本发明专利技术实现了模拟信号对射频功率源输出功率的线性控制，保证了输出功率的线性叠加，从根本上解决了功率调节精度下降的问题，提高了在高功率输出条件下的功率调节精度。输出条件下的功率调节精度。输出条件下的功率调节精度。

【技术实现步骤摘要】
一种大功率射频功率源输出功率线性控制系统和方法


[0001]本专利技术应用于射频负离子源中性束注入器领域，具体涉及一种大功率射频功率源输出功率线性控制系统和方法。

技术介绍

[0002]射频负离子源中性束注入器需要大功率射频功率源为电感耦合方式的驱动线圈提供射频功率产生等离子体。应用于该领域的射频功率源需要具有大功率输出以及高线性、高精度的特点，为了获得足够大的射频功率，现有的技术是利用功率合成变压器对多个射频功放模块进行功率叠加输出，每个射频功放模块在次级叠加的电压是固定的。通过研究发现，这样的设计使得输出功率和打开的射频功放模块数量呈现二次增长关系。因此为了实现对输出功率的线性控制，需要在拥有足够多的射频功率源功率等级的条件下，进行非线性补偿，即设置模拟控制信号相对射频功放模块数量的反函数关系，从而实现模拟控制信号和射频输出功率的线性对应。
[0003]由于射频输出功率相对射频功放模块的二次增长关系，意味着随着打开射频功放模块数量的增加，每多增加一块射频功放模块带来的输出功率增幅都会增加，这就导致随着射频功率的增加，其功率调节精度呈下降趋势。应用于中性束注入器的射频功率源通常工作在高功率条件下，同时希望能够拥有较高的功率调节精度。然而，与调节精度固定的线性增长模式相比，二次关系增长在功率较小的时候获得更高的精度，在功率较大的时候获得更低的精度。
[0004]在上面所述的功率控制方法中，对输出功率的线性控制是通过非线性补偿的形式来实现的，这样的方式没有改变功率调节的本质，没有改善输出功率调节精度下降的特性。

技术实现思路

[0005]为了克服现有射频功率源功率调节精度随着射频输出功率的增加呈现下降趋势的缺点，本专利技术提出了一种输出功率线性控制系统和方法，可以用于实现输出功率的线性叠加，以获得较高的功率调节精度，实现了控制信号对大功率射频功率源输出功率的线性控制。
[0006]本专利技术的技术方案为：一种大功率射频功率源输出功率线性控制系统，用于实现模拟信号对射频功率源输出功率的线性控制，所述系统包括射频信号产生单元、射频功放模块组、功率合成单元、控制信号源、信号处理单元、功率控制单元；
[0007]所述射频信号产生单元是大功率全固态射频功率源射频通路，射频通路产生的射频信号作为射频功放模块组的输入信号；
[0008]所述射频功放模块组包括多个完全相同的射频功放模块，每个射频功放模块根据其负载等效阻抗的变化产生相应的射频功率，并且能够通过控制信号决定模块的开通或者关断；每个射频功放模块连接至功率合成单元中功率合成变压器的初级；
[0009]所述功率合成单元利用功率合成变压器对各个射频功放模块的功率进行合成输
出，并且所述功率合成单元配有相应的阻抗匹配和滤波电路；
[0010]所述控制信号源是给定的用于控制输出功率的模拟电压信号；
[0011]所述信号处理单元对输入的控制信号进行预处理，输出数字信号；
[0012]所述功率控制单元根据信号处理单元得到的数字信号，通过协同调整功率模块数量以及供电单元电压控制射频功放模块组的功率输出。
[0013]进一步的，所述信号处理单元包括电压转化电路、数模转换电路，其中：
[0014]所述电压转化电路将信号转化为AD转换模块所需要的电压域；
[0015]所述数模转换电路将模拟控制信号转化为数字信号。
[0016]进一步的，所述功率控制单元包括使能单元和供电单元，根据信号处理单元所得到的数字信号进行使能和电源调整，其中：
[0017]所述使能单元根据当前需要打开射频功放模块的数量控制各个射频功放模块的通断；
[0018]所述供电单元通过调节给各个射频功放模块供电的连续可调直流电源，来实现对模块输出功率的调节。
[0019]进一步的，所述使能单元采用控制器I/O拓展的方案实现，采用I2C通讯，I/O总线上挂载多个I/O扩展芯片。
[0020]进一步的，所述供电单元需要实现对射频功放模块的电源控制：根据打开模块数量，调整电源输出电压，所述电压控制采用多种方式，包括USB，CAN总线，数字I/O口，GPIB，模拟量。
[0021]根据本专利技术的另一方面，提出一种利用上述系统进行大功率射频功率源输出功率线性控制的方法，功率控制电路根据信号处理单元所得到的数字信号，进行射频功放模块数量的使能控制和电源电压调整，实现功率线性控制，具体包括如下步骤：
[0022](1)确认射频功率源额定输出功率P0和额定输出功率下打开射频功放模块数量N0；
[0023](2)根据P0和N0得到每个射频功放模块在额定功率下所产生的功率为P；
[0024](3)根据信号处理单元所得到的数字信号得到对应的输出功率为P
m
；
[0025](4)根据公式：
[0026][0027]计算得到应该打开的射频功放模块数为m；
[0028](5)根据公式：
[0029][0030]计算得到射频功放模块的供电电压U，其中n为合成变压器初级和次级匝数比，R为合成变压器等效负载；
[0031](6)功率控制模块基于上述计算得到的功放模块数为m以及射频功放模块的供电电压U，协同调整实现功率线性控制。
[0032]进一步的，利用控制器I/O拓展的方法实现对多个射频功放模块的使能控制。
[0033]进一步的，通过设置第二射频功放模块组，拓展出更多的功率等级，从而增加功率调节连续性，减少量化失真；其中第二射频功放模块组同样由多个相同的射频功放模块组
成，其单个射频功放模块的功率参数小于第一射频功放模块组，所述的功率参数为P的1/N，其中N>1。
[0034]与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：
[0035]本专利技术通过调节开通的射频功放模块数量以及模块供电电压，实现了射频功率源输出功率的线性叠加，从根本上解决了射频功率调节精度下降的问题，提高了在高功率输出条件下的功率调节精度。
附图说明
[0036]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0037]图1是为本专利技术在一个具体实施例中输出功率线性控制系统的结构示意图；
[0038]图2是为功率合成电路原理图；
[0039]图3是为本专利技术在一个具体实施例中功率控制单元率控制方法的流程示意图；
[0040]图4是为本专利技术在一个具体实施例中射频功放模块使能控制示意图。
具体实施方式
[0041]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本专利技术中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。
[0042]如图1所示，是一种大功率射频功率源输出功率线性控制系本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大功率射频功率源输出功率线性控制系统，用于实现模拟信号对射频功率源输出功率的线性控制，其特征是：所述系统包括射频信号产生单元、射频功放模块组、功率合成单元、控制信号源、信号处理单元、功率控制单元；所述射频信号产生单元是大功率全固态射频功率源射频通路，射频通路产生的射频信号作为射频功放模块组的输入信号；所述射频功放模块组包括多个完全相同的射频功放模块，每个射频功放模块根据其负载等效阻抗的变化产生相应的射频功率，并且能够通过控制信号决定模块的开通或者关断；每个射频功放模块连接至功率合成单元中功率合成变压器的初级；所述功率合成单元利用功率合成变压器对各个射频功放模块的功率进行合成输出，并且所述功率合成单元配有相应的阻抗匹配和滤波电路；所述控制信号源是给定的用于控制输出功率的模拟电压信号；所述信号处理单元对输入的控制信号进行预处理，输出数字信号；所述功率控制单元根据信号处理单元得到的数字信号，通过协同调整功率模块数量以及供电单元电压控制射频功放模块组的功率输出。2.根据权利要求1所述的大功率射频功率源输出功率线性控制系统，其特征是：所述信号处理单元包括电压转化电路、数模转换电路，其中：所述电压转化电路将信号转化为AD转换模块所需要的电压域；所述数模转换电路将模拟控制信号转化为数字信号。3.根据权利要求1所述的大功率射频功率源输出功率线性控制系统，其特征是：所述功率控制单元包括使能单元和供电单元，根据信号处理单元所得到的数字信号进行使能和电源调整，其中：所述使能单元根据当前需要打开射频功放模块的数量控制各个射频功放模块的通断；所述供电单元通过调节给各个射频功放模块供电的连续可调直流电源，来实现对模块输出功率的调节。4.根据权利要求3所述的大功率射频功率源输出功率线性控制系统，其特征是：所述使能单元采用控制器I/O拓展的...

【专利技术属性】
技术研发人员：舒先来，刘智民，谢亚红，蒋才超，潘军军，陈世勇，刘胜，崔庆龙，谢远来，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：