固态功率源反射功率失衡和阻抗失配问题的研究

作     者：金珂安 

作者单位：中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所) 

学位级别：硕士

导师姓名：张生虎

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 082701[工学-核能科学与工程] 0827[工学-核科学与技术] 

主      题：固态功率源 功率合成网络 S参数 反射功率 阻抗失配 

摘      要：固态功率源采用模块化设计,具有结构紧凑、安装和维护方便,易于级联组合和功率升级等诸多优点,在很多加速器中已得到广泛应用。中国加速器驱动次临界系统25 MeV质子超导直线加速器样机(CAFe)采用固态功率源驱动常温加速结构和超导腔。固态功率源整体运行情况良好,保障了加速器的束流达标和稳定运行。但是在运行过程中也发现功率源还存在一些问题。例如,某些功率源功放模块损坏问题较严重,有可能与其在结构和性能指标如功放模块的反射承受能力的设计上存在不足有关;此外,运行中还发现功率源的阻抗失配会影响低电平系统对超导腔的幅相稳定控制。本文对以上问题展开研究,对相关现象进行了具体分析,给出了合理解释并指出了具体原因。这些工作可为即将进行的CiADS(Chinese initiative Accelerator Driven Sub-critical System)固态功率源设计和制作提供有益参考。基于微波网络基本理论并利用信号流分析方法,推导了固态功率源多级功率合成网络的S参数矩阵,得到了各端口间的电压传输系数与网络结构以及级间相移的关系。结果表明,级间相移对电压传输系数有重要影响,级间相移所引起的电压传输系数的差异在某些情况下会导致反射功率的非均衡分布。利用功率合成网络的S参数矩阵,分析了在功放模块不同输出状态和功率源所带负载的不同反射状态下反射功率在功放模块间的分配。结果指出:当功放模块全部处于正常输出状态时,反射功率分配均衡;但是当个别功放模块出现无输出故障时,反射功率分配出现失衡现象,对于一级合成的功率源,只有故障模块可能承受过高的反射功率;对于多级合成的功率源,故障模块所在合成支路的所有功放模块都有可能承受过高的反射功率。当负载端全反射(超导腔经常发生),某些合成结构的反射功率可接近正常全反射的4倍,超过了当前功放模块的反射功率设计承受能力。从而为CAFe中出现的功放模块严重损毁现象做出了合理的解释,并且指出了当前功率源在设计和运行上存在的不足之处。功放模块承受过高的反射功率容易损毁其环行器,造成该输入端口的不匹配,进而影响反射功率分配和整个功率源的阻抗特性。本文发展了一种线性方程组求解方法,与常用的矩阵退化方法相比,可以更为方便的处理复杂合成网络的阻抗失配问题。该方法最后指出当模块阻抗失配时,依然会出现反射功率分配失衡的现象,此时不仅有可能造成功放模块及其输出电路的损毁,而且有可能造成固态功率源的输出急剧下降和功放模块工作状态的改变,进而对超导腔控制带来困难。