MPCVD到底需要怎样的微波源?——使用KC908测量磁控管微波源的输出品质
刘虎1袁博2
1.科创仪表局,四川成都2.三三〇工程指挥部,四川成都
虎哥 2020-5-29原创 正能量研究
中文摘要
对比了使用三种检波方式测试同一台磁控管微波源时的频谱效果,说明不同的检波方式提供的信息各有侧重。本文也阐述了磁控管微波源输出品质与电源品质之间的关系。
关键词
磁控管微波源开关电源检波频谱

在工业微波和MPCVD行业中,电源通常就是指微波源。但在本文中,“电源”是指供给磁控管高压、灯丝、励磁的直流电源。“微波源”是指电源与磁控管及附属设备的组合,对外输出微波。

各位需要知道,磁控管虽然是一个“自由震荡”的器件,但是他的震荡频率和输出功率,是受磁控管的结构、老化程度、外部激励腔匹配情况、负载阻抗、温度、电源等影响的。如果其他各因素保持不变,那么磁控管的输出品质几乎就等于电源的输出质量。

因此,电源对于磁控管微波源来说,是第一重要的东西。电源稳定,微波输出就具有了稳定的基础。

在家用微波炉中,通常采用变压器经整流提供电源。不论是全波整流还是半波整流,输出的都是脉动直流,因此,磁控管的输出也是脉动的,谈不上输出品质。

对于简单的加热之类的用途,微波只是用来传递能量,品质无论多烂,只要频率没有漂移几百兆导致不匹配,就没有什么影响。

但是对于MPCVD来说,由于采用Q值较高的窄带微波系统,频率稍有抖动,就可能滑出腔体、模式转换器等的最佳工作范围,且对于电源引起的快变化,来不及通过调整匹配器(通常是三销钉)或短路面来补偿,从而使得等离子体不稳定。因此,用变压器很难满足需求,开关电源逐渐成为主流。

开关电源也有纹波。由于磁控管的工作曲线很平,很小的电压纹波就会带来极大的电流纹波。现有开关电源已经逐渐采用恒流工作,本来可以比较好的管控电流纹波,无奈电流的管控比电压难,因此通常都有比较大的电流纹波。对于MPCVD用途来说,通常要求电流纹波小于1%,电压纹波应控制在0.5%以内,两个指标都不能超出该范围。

在设计KC6201功率微波源的过程中,为了缩短开发周期,我们外购了多种开关电源。这里采用某厂适配6kW磁控管的开关电源来展示磁控管微波源的输出品质。磁控管采用东芝E3327,其余基本为KC造。

首先是微波源的监视界面,可以看到微波功率大约6kW。

电源界面.jpg

接下来用传统扫描频谱仪测一下输出频谱,可以看到输出较烂,刚开机时,在大约10MHz的宽度上都有输出,用在MPCVD上显然有些勉强。

扫描频谱.jpg

但是扫描频谱提供的信息量有限,并不能看出该源是怎么“烂”的,因此我们用KC造的实时频谱仪来看看。

这是采用峰值检波以后的结果,可以看到频谱变成了连续的,有利于准确测定实际的占用带宽。此时开机已久,宽度有所缩小,大约为4MHz。

峰值检波对刷新周期内的所有信号取峰值,能够毫无遗漏的观察频率的分布情况。但是峰值检波的时间分辨率不高于刷新频率,因此并不能反映高速变化的过程。

RECV20200529_182719.png

为了更好的反映高速变化状态,切换检波方式为“取样检波”,可以明显看出微波源的输出存在两种频率摆动,低频摆动幅度很大,在频率高端存在高频摆动。从瀑布图上可以看出,一秒之内摆动出了5个峰,因此低频摆动的频率大约为5Hz,推测为PID的时间周期,可能是该电源PID未良好收敛。

RECV20200529_183017.png

微波源的输出功率主要分布在哪些频率呢?用平均值检波能够比较好的反映平均功率谱密度,测试如下图。可见主要功率分布在频谱右侧,峰值出现在2642.2MHz附近。

RECV20200529_182743.png

为了搞清楚电源到底干了什么,我们用1:2000高压探头和专用炮灰示波器测量了电源的电压纹波。可见有一个300Hz左右的高频纹波,幅度约为80V。忘了测5Hz的低频纹波,但该高频纹波并无明显的上下晃动。推测该高频纹波是导致频谱图右侧出现频率高频摆动的原因。

纹波波形.jpg

我们还进行了小功率输出测试,在输出功率为3kW时,曲线爆炸,已经滑落到家用微波炉水平。

SPEC20200529_182549.png

RECV20200529_182225.png

功率从3kW调整为6kW,电源缓慢升功率,能够看到升起过程中输出品质逐渐变好。

RECV20200529_182251.png

有趣的过程:

作为对比,这张大家熟悉的图片,是KC6201微波源采用另一厂商的电源时的输出,可见频谱分布宽度仅有1MHz,也就是说,输出品质有了质的飞越,跨过了入门MPVCD的门槛。出现调频样谱线是因为这家的电源输出被高频脉冲污染。从该电源的拓扑来看,可能是因为接地处理存在设计上的缺陷,进一步提高的难度相对较小,并且对MPCVD应用其实并无妨碍。而前面那台电源,优化起来就不那么简单。

20200327_213814.jpg

电源足够好,磁控管的输出也可以足够稳。磁控管电源和微波源输出品质优化,在工业微波应用这个水平上,算不上多难的事情,但真正把它搞明白的却屈指可数。在目前这个危机四伏的时代,更需要少忽悠、多研究,把工作做扎实。

(温馨提示:请勿询问具体是哪家的电源,欢迎交流指教)

[修改于 1 个月前 - 2020-05-30 11:43:29]

来自:激光与微波 / 强微波晶体培育 / 等离子体气相沉积
3
2020-5-30 0:13:23
1楼

现在已出现用射频MOS管做的大功率固态微波发射电源了,估计精度更高了。

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2020-5-31 12:52:03
虎哥(作者)
2楼
引用改装pcp发表于1楼的内容
现在已出现用射频MOS管做的大功率固态微波发射电源了,估计精度更高了。

恭喜你歪楼成功。目前在2460MHz,单芯片功率可达500W,未来还会有所提升。既然说到这里,借这个文章我们来比较一下。

直接说结论:在MPCVD领域,半导体微波源(通常称为固态源)没有优势。

1、效率

效率是半导体源最大的短板。硅工艺LDMOS的效率可达65%,氮化镓工艺可提升至略高于70%。初看起来的确与磁控管是差不多的。

但是,目前半导体的单芯片功率还很小,在2.46GHz顶多略大于500W,要达到MPCVD通常需要的6kW,需要进行多次功率合成。提高半导体源的关键就是降低功率合成的损耗,减少功率合成的次数(最好能在保持损耗不变的情况下一次合成16路)。就目前水平,至少需要2次合成,每次合成引入0.3~0.5dB损耗,总效率即下降至50%。这是采用快响应的保护电路,从而省去芯片后面的环形器的结果(环形器损耗0.2-0.4dB),后果是该源只能承受不高于2.0的短期驻波。目前似乎只有KC这么干,如果不省这个环形器,效率就降到50%以下了。

上述还是非常理想的情况。实际上,由于半导体源是逐级放大的结构,推动管还需要消耗功率,一般占到10%~15%。所以,即使不算电源效率,真正在生产上用到的半导体源,其总效率能达到40%就烧高香了。

如果放在通信领域,这个效率已经算是很高了,因为即使用真空管也需要多级放大,效率并无特别优势。但是在工业微波领域,意外就意外在遇到了磁控管这位老将,不算电源效率的话,他的效率就是70%,都快差了一倍了。若考虑冷却系统的功耗,结果就是真的要差一倍。

结果就是在6kW这个功率下,固态源要多费8kW的电,假设连续工作不停机,一年就要多花7万度电费。

2、输出品质

输出品质是固态源最大的长板。固态源的频率稳定度取决于参考源,通常是晶体,能够轻松做到20ppm以内,若采用温补晶体就能达到1ppm或更好。而磁控管源的频率稳定(长稳)度只有千分之5,或5000ppm。

不过,在电源良好,短稳尚可的情况下,MPCVD可以通过调谐器补偿频率变化带来的阻抗变化,能够接受5000ppm的频率稳定度。对MPCVD来说,糟糕的是短稳,也就是由于电源不良造成的快变化。

半导体源的寄生调幅、寄生调频、相位噪声通常也优于磁控管源。在某些特殊的科研用途中是具有优势的,但除寄生调幅外,MPVCD对此不是特别敏感,只要99%的功率能够分布在最好不超过1MHz,极限不超过5MHz的频谱宽度内就行了。

因此,输出品质的长板在MPCVD应用中并无压倒优势。

3、寿命、可靠性

寿命、可靠性本是固态源最大的长板,功放芯片在合理使用的情况下能够达到10万小时以上的寿命,在极限使用并对老化严格考核时,也有2万小时水平的寿命。但是由于半导体源结构过于复杂,常为16路或32路合成,对恶劣工况的适应能力又比较脆弱,实际的无故障工作时间并不理想,几千小时就要换模块的情况是常见的。当换掉20%的模块以后,这台半导体源还是不是原来那台,算不算已经寿终正寝过一次了,就成了一个哲学问题。

实际经验来看,功放芯片反而是比较皮实的。通常问题都属于千里之堤毁于蚁穴,然后引起功放芯片失效。最常见的问题就是功率传输线上的隔直电容失效。

当然,随着经验的积累,固态源总是能够达到平均2万小时以上的寿命的,对技术进步还要有信心。

问题是,磁控管也不是吃素的。通常宣传固态源的优势时,都会拿磁控管的“手册寿命”来作为反面教材。磁控管的手册寿命是多少呢?有的标500h,一般标1000h,最多标2000h。与固态源比起来,简直弱爆了。

然而,厂家的显然需要尽早甩锅,保守的考核指标。磁控管只要还能起振就继续用是常见的情况。在输出品质尚能满足MPCVD要求的前提下,一个磁控管用七八千甚至一万多小时是普遍的、主流的情况,一般考虑一年一换就可以了。如果达不到这个寿命,除磁控管质量的波动外,主要原因是电源不合格。实际上,还有相当大比例的磁控管是因为偶然事故暴毙的,比如打火而又没有保护,水负载里面有气泡导致吸收不良之类。从普遍的使用寿命来看,目前半导体源与磁控管源没有显著区别,未来半导体源进步了,也就是一两倍的寿命区别。这导致半导体源在寿命、可靠性方面,也失去了压倒性优势。

关键是,换磁控管又不是多大的事。

4、设备成本

不论磁控管还是半导体功放,都有很多外围成本。为了便于比较,我们先来看核心器件,也就是管子的成本。

目前,6kW磁控管的价格在2.5~3万元。500W半导体功放管的单个价格在0.07~0.08万元。

如果用500W半导体功率管来合成6kW,需要至少16只管子,价格在1.2万元左右。

这轮比较,半导体源完胜。

然而,现在随便买个源,最便宜的6kW,也要10万以上的价格。这么看来,在价格里面,管子的成本并不是大头。

什么是大头呢?——电源。

6kW磁控管需要大约10kVA容量的高压电源;6kW固态源需要大约16kVA容量的低压电源。

目前,低压电源产量大,技术更成熟,因此便宜。16kVA虽然比10kVA大,但价格却是差不多的。由于低压电源幺蛾子少,允许极限抠门,因此事实上还会更便宜。

这轮比较,看起来又是半导体源完胜。

但是,假设高压电源也成熟起来,产量大起来,就不好说了。因为电源到了最后就是比个IGBT/SiC价格,比个铜价。开关管都在低压上用,同容量的价格没有根本区别,然而低压电源用的铜肯定比高压电源多得多,不然就不用搞高压输电了。磁控管电源用韭菜粗的电缆就行了,半导体源得用铜牌折弯,看着的确比茁壮的韭菜还漂亮,背后都是钱。

产量大起来,两者分不出胜负。

固态源还多一套合路器,这东西也不便宜。

固态源还需要做多模块同相,需要推动级,这些东西的价格并不比功放管低多少。

固态源发热大,冷却系统还需要更复杂,也就是更多钱。

固态源……

总之,在MPCVD应用需要的条件下,两种微波源的设备成本没有显著区别。将来如果管子的价格发生变化,除非某种管子暴涨,也不会影响这个结论。至于磁控管会不会涨到5万一支,这是不太可能的。如果进口磁控管涨价一倍,那就用国产磁控管降额使用,10kW的国产磁控管才1万元。

磁控管是消耗品,相比半导体源来说,节省的电费可以每年换两次,如果只换一次,就赚了。

5、结论

工业应用,比的就是成本。不论是设备成本、消耗件成本、电费成本,还是维护成本,出故障以后的停产损失折算的成本……在成本这个问题上,目前(及未来两三年)磁控管源略有优势。

过去磁控管源在MPCVD应用中受到一些批评,主要原因是极少有人把它弄明白。弄明白了的进口货要22万,没弄明白的国产货要12万。舍得花钱买进口货的说磁控管源效果不错;不舍得花钱的说磁控管源没有固态源靠谱。如果有朝一日国产货搞明白了,会卖20万吗?如果还是卖12万,老板们是买固态源,还是买磁控管源呢。

(特别声明:本文仅属技术探讨,不构成投资建议)

[修改于 1 个月前 - 2020-06-10 22:57:24]

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3楼
引用虎哥发表于2楼的内容
恭喜你歪楼成功。目前在2460MHz,单芯片功率可达500W,未来还会有所提升。既然说到这里,借这个...

这方面可以参考一下雷达和卫星通信技术的情况

高功率固态放大器首选空间功率合成方案,输出隔直流电容器可以取消,可以多通道合成一路。30GHz GaN 100W放大器,采用32片功放管在一个圆柱外形的腔体(内部具有复杂结构)合成。

最原始的单脉冲雷达可以使用简单的磁控管。较好一点的脉冲多普勒雷达,需要相干的高功率微波源,普遍使用行波管放大器。

对于微波来说,没有介质就是最好的介质,真空是最好的环境。

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虎哥(作者)
4楼
引用warmonkey发表于3楼的内容
这方面可以参考一下雷达和卫星通信技术的情况高功率固态放大器首选空间功率合成方案,输出隔直流电容器可以...

其实管子输出直接外延天线就可以了,解决方案总是有的。

这里的主要问题还是管子数量太多,如果只要4个或者8个,就没有这么多问题了。所以固态源能否真正具有工业上的收益,就看啥时候1kW的廉价大管子问世。

MPCVD虽然对微波品质有要求,但这个要求又不是太高,磁控管努努力能满足,这也削弱了固态源的优势。

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2020-06-02 00:08:52
2020-6-2 0:08:52
5楼

如果和上次介绍过的磁控管注入锁定相比呢?


https://www.kechuang.org/t/84869


看上去也这个注入锁定实验中磁控管电源用的是KC自己的,那个能否使用性能比较一般的磁控管电源,依然保持稳定注入锁定?如果这样的话,既然全新磁控管并不贵,能否用性能比较差的电源配工业磁控管外加一台相对小功率的固态源作为种子?


注入锁定这个思路不单是用于磁控管,在激光器中也有非常广泛应用,并且往往是“价格屠夫”。


在激光中,以半导体激光为例,为了获得大功率单频激光,往往需要半导体外腔激光器,其中外腔会产生很多损耗,无法得到很高功率,而且随着功率提高容易离开单频工作区域(激发起其他频率模式)。而大功率的单横模半导体激光管很便宜,使用小功率的半导体外腔激光器注入到这样的大功率激光管里,就能方便地产生较大功率单频激光,并且此时最后输出的激光线宽和大功率激光管的电流噪声没有很大关系,只要那个电流和温控够稳定,激光输出线宽基本由“种子光”决定。如果不用注入锁定的方式,只能用其他技术(比如倍频光纤放大器)或者锥型放大器(生产量少,昂贵,容易损坏)。

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虎哥(作者)
6楼

注锁后的频率稳定性与固态源相同,频谱质量也会有显著提高。注锁需要增加少许成本,效率会有5%左右损失,但对输出品质的提升是根本性的,目前肯定是比纯固态源有优势。感觉就像油动车和电动车的故事,电动车的瓶颈是电能存储,固态源的瓶颈是效率。瓶颈解决之前都别想淘汰掉对方,但新事物总让人觉得是大势所趋,充满好感。

注锁对电源也有要求,并不能把有严重缺陷的电源裱糊成优秀的电源。上文中的缺陷电源,经过仔细调整PID以后,依然跳得厉害,注锁后也只能把大约90%的能量收集到锁定频率上,这是因为电源在部分瞬间波动到了锁定范围之外造成的,实测效果如下:

测试系统搭建如图

20200602_154042.jpg

将频谱展开,可见明显的调幅边带,提示存在42kHz左右的高频纹波。

RECV20200602_161448.png

动态效果如下:

理论上,在锁定范围之内,磁控管的输出频率不再受电源纹波的影响。实测的确没有发现锁定频率上有调频,上面视频中的频谱其实是单音(及其谐波)调幅的结果,即锁定状态,由于电源纹波引起的磁控管输出功率变化无法完全消除。


[修改于 1 个月前 - 2020-06-02 23:41:27]

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2020-06-03 03:00:33
7楼

虎哥  mpcvd里面这一整套微波系统下来花了多少钱啊?

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虎哥(作者)
8楼
引用大北发表于7楼的内容
虎哥  mpcvd里面这一整套微波系统下来花了多少钱啊?

纯粹磁控管微波源的话6kW十来万到二十几万吧,科创的一套按最简配置十三万的样子。

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2020-06-13 01:41:25
2020-6-13 1:41:25
虎哥(作者)
9楼

在一位神秘大佬处测了某进口磁控管微波源自由震荡状态下的输出品质,远好于所有可见的国产源(包括KC的,除非注锁),至少能看到中心的峰了。

mmexport1591983452048.jpg mmexport1591983459675.jpg

只能说,国货当自强吧。

[修改于 1 个月前 - 2020-06-13 01:52:16]

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10楼
引用虎哥发表于9楼的内容
在一位神秘大佬处测了某进口磁控管微波源自由震荡状态下的输出品质,远好于所有可见的国产源(包括KC的,...

磁控管的微波质量是否和管内腔体的加工精度有关?

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