МОЩНАЯ РАДИОТЕХНИКА

Домой

Особенности работы ВЧ генераторов на ионно-плазменные нагрузки

Известный факт - все изделия активной ВЧ техники - усилители, генераторы, конкретно их выходные ВЧ каскады, крайне чувствительны к стабильности ВЧ нагрузки, а именно к отклонению входного комплексного сопротивления (Z) нагрузки от заложенного при их расчете. Конечно, разные варианты изделий, базирующиеся на разных технологиях и режимах работы (двухтактный каскад, ключевой полумост, Н-мост, линейный режим или перенапряженный с насыщением по питанию), по-разному реагируют на изменения ВЧ нагрузки, но все плохо или очень плохо. Чем более эффективный каскад в смысле КПД и использования возможностей транзистора, тем более пагубное влияние оказывает нестабильность Z. В 95% случаев выход из строя ВЧ генераторов вызван неисправностями или сильными отклонениями от заданных параметров ВЧ нагрузки.


Плазменные нагрузки, как и все газоразрядные, являются крайне нестационарными и для ВЧ генераторов / усилителей представляют наибольшую проблему среди прочих. Их принципиально отличает от резистивных нагрузок или связных, радиолокационных и пр. антенн следующее:
  • нелинейность Z;
  • инерционность Z;
  • проблема пуска (первого поджига плазмы);
  • проблема срыва плазмы (внезапного отключения нагрузки);
  • более высокая вероятность дуговых пробоев.
Нелинейность нагрузки проявляется в том, что ее входной импеданс Z зависит от вкладываемой мощности. Так как у любого ВЧ генератора выходная мощность зависит от Z нагрузки, то получаем систему с паразитной обратной связью: изменяется мощность -> изменяется Z -> изменяется мощность… При наличии баланса фаз и амплитуд (критерий Найквиста) складываются условия для возникновения паразитных колебаний в системе генератор-плазма. /Классическое согласующее устройство с моторным приводом здесь можно не рассматривать, оно ни чего не меняет, т.к. частота паразитных релаксаций как правило 1...5 kHz. Правда СУ может сдвинуть Z в такую область, где критерий Найквиста не выполняется, что частично улучшает ситуацию, но за счет рассогласования/. Эту проблему решают путем введения в ВЧ генератор системы автоматической регулировки/стабилизации мощности (АРМ), но при этом начинает проявлять себя вторая особенность плазмы – инерционность Z, которая резко уменьшает запас устойчивости петли автомата. Это накладывает серьезные требования к построению стабилизатора. Приходится применять сложные высокоскоростные системы ПИД-регулирования 1).
Усугубляется картина еще и тем, что при разных режимах, в разных установках инерционность и нелинейность сильно разнятся и в общем случае неизвестны. Это приводит к тому, что стабилизатор должен быть достаточно универсальным, с "широким захватом".
1 - В новейших генераторах GLine для настройки ПИД-регулятора имеется встроенный осциллограф огибающей радиосигнала с выводом сигнала на дисплей. Настройка производится по переходному процессу на фронте радиоимпульса при работе ВЧ генератора в импульсном режиме. В генераторах ранних серий встроенного осциллографа нет и необходимо использовать внешний подключенный к выходу "Контроль ВЧ 1V".

Проблема пуска (поджига плазмы) обусловлена тем, что импеданс нагрузки без плазмы и с плазмой на некоторых установка различаются очень сильно. Это приводит к тому, что до поджига ВЧ генератор вынужден работать на сильно рассогласованную нагрузку с вытекающими отсюда проблемами надежности, ограничений режимов, частого срабатывания встроенных защит.

Выбор ВЧ генератора по мощности

Серийные ВЧ генераторы выпускаются в диапазоне мощностей от 600W до 5,5kW. Мощности под заказ могут составлять от единиц Ватт до 100kW.
Мощность указанная в кодировке и в номенклатуре является номинальной конструктивной мощностью. Такую мощность ВЧ генератор с некоторым технологическим запасом обеспечивает на "идеальную" резистивную, безреактивную нагрузку, Z = [(50+/-5) + j(0+/-5)] Ом, т.е. КСВн < 1,14.
Известно, что выходная мощность усилительного ВЧ каскада, при прочих равных условиях (например, неизменное напряжение питания) зависит от Z нагрузки. Степень зависимости определяется схемотехникой каскада.
В таблице ниже приведены данные по зависимости максимальной выходной мощности различных ВЧ генераторов от КСВ нагрузки.
Данные получены из технической документации компании Advanced Energy (AE) и отчетов по проекту VASIMR (Ad Astra Rocket, Aethera Technologies).
(*) Результаты компьютерного моделирования получены в пакете LTSpace XVII для двухтактного ВЧ каскада класса В работающего в перенапряженном режиме (насыщение по питанию).
ВЧ генераторы HFP серии GLine имеют схожие с другими генераторами принципы построения выходных каскадов и в части работы на рассогласованные нагрузки показывают приблизительно такие же характеристики (Таблица ниже).

ВЧ генераторы GLINE

При настройке согласующего устройства рассчитывать на низкие КСВ не приходится. Также и после настройки СУ, при дальнейшей работе системы, часто бывают ситуации нештатных скачков КСВ. Все генераторы GLine имеют максимально возможные защиты ВЧ транзисторов, но их срабатывание вызывает хотя и кратковременное, порядка 60...90 мкс, но прерывание выходного сигнала, что теоретически может приводить к сбоям при настройке некоторых типов СУ, так же вызывать проблемы со стабильностью технологического процесса вашей установки.

Для обеспечения легкой настройки СУ и бесперебойной работы системы ВЧГ - СУ - плазма необходимо выбирать мощность ВЧ генератора исходя из мощности необходимой для вашего техпроцесса, но с учетом рассогласования нагрузки до КСВ = 2,0... 2,5.

Выбор согласующего устройства

Раздел будет дополнен

Если вы решили приобрести наше СУ, то выбор достаточно прост. Для заказа необходимо определиться со следующим:
  • характер нагрузки, емкостной или индуктивный;
  • максимальная проходящая мощность;
  • в некоторых случаях - тип выходного ВЧ разъем или шина;
  • один из двух вариантов расположения ВЧ выхода.
Характер нагрузки определяет какой набор сменных элементов вы получите в комплекте с СУ. В идеальном случае нам хотелось бы знать диапазон возможных импедансов плазменной нагрузки подлежащих согласованию с точкой 50 Ом. Но, к сожалению такой информацией о своих установках ни кто из заказчиков не владеет. Даже в случае, когда на вопрос о характере нагрузки вы совсем не сможете ответить, СУ можно заказывать, при этом комплект сменных элементов будет максимальным.

Максимальная проходящая мощность полностью определяется мощностью ВЧ генератора, в паре с которым будет работать СУ.

Варианты расположения ВЧ выхода позволяют выбрать оптимальный с точки зрения компоновки СУ в вашу установку. Детали смотрите в технической документации на СУ

Примеры работы ВЧ генераторов серии GLine

Установка отработки макета геликонного плазменного ракетного двигателя