用于粒子加速器的固态功率源线性化系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种用于粒子加速器的固态功率源线性化系统及方法，该系统包括低电平系统、固态功率源、定向耦合器和输入耦合器；低电平系统的输出端连接固态功率源的输入端，固态功率源的输出端连接定向耦合器的输入端，定向耦合器的输出端通过输入耦合器馈入射频超导腔，其中，固态功率源的输出端还通过定向耦合器的耦合端与低电平系统连接。本发明专利技术通过构建预失真函数实现固态功率源的线性化，补偿后的功率源即使在接近饱和区工作也能达到与线性区相近的环路增益，从而实现提升加速器运行效率的目的。率的目的。率的目的。

【技术实现步骤摘要】
用于粒子加速器的固态功率源线性化系统及方法


[0001]本专利技术是关于一种用于粒子加速器的固态功率源线性化系统及方法，涉及粒子加速器领域。

技术介绍

[0002]近年来，得益于半导体技术的飞速发展，固态射频功率放大器在粒子加速器(尤其是连续波射频超导加速器)领域获得广泛应用。相对传统真空功率器件，固态射频功率放大器具有高可靠性、高稳定性和高可维护性等优势。因此，当前国内外在建、筹建和计划中的连续波射频超导加速器多采用固态射频功率放大器为首选固态功率源。
[0003]但是，固态功率源在粒子加速器的实际应用中存在一个比较严重的问题。为提高加速器的运行效率，固态功率源的工作点需靠近饱和区，这会在射频系统中引入非线性因素，同时也会减少射频低电平控制系统(简称低电平，系驱动固态功率源的数字化控制单元，用于保证超导腔加速场的稳定)的有效控制增益。此外，与真空功率器件相比，固态功率源在小信号输入时也存在非线性问题，这会带来其它工程技术难题。
[0004]综上，固态功率源的非线性问题不仅会限制当前和未来高功率、高流强射频超导加速器的运行效率，同时也会增加机器操作的复杂性。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种能够解决固态功率源非线性特性无法满足加速器高效率运行难题的用于粒子加速器的固态功率源线性化系统及方法。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]第一方面，本专利技术提供的用于粒子加速器的固态功率源线性化方法，包括：
[0008]获取固定功率源的输入信号；
[0009]根据预失真函数对固态功率源的输入信号进行非线性补偿。
[0010]进一步地，预先对超导腔失谐，具体为：利用调谐器调节超导腔谐振频率，使得超导腔的谐振频率小于射频信号频率，失谐频率大于10倍超导腔带宽。
[0011]进一步地，所述预失真函数的获取，包括：
[0012]测量固态功率源的输入输出非线性特性曲线；
[0013]基于输入输出非线性特性曲线计算预失真函数，其中，预失真函数包括幅度预失真函数与相位预失真函数。
[0014]进一步地，固态功率源的输入输出非线性特性曲线包括AM
‑
AM非线性特性曲线与和AM
‑
PM非线性特性曲线，其中，AM
‑
AM为输入幅度到输出幅度，AM
‑
PM为输入幅度到输出相位。
[0015]进一步地，所述幅度预失真函数与相位预失真函数预失真函数通过测量得到的固态功率源响应信号幅度f(x)与相位θ(x)进行求解得到，包括：
[0016]固态功率源在输入脉冲幅度为X
sat
时输出饱和，其对应输出为Y
sat
＝f(X
sat
)；
[0017]定义归一化AM
‑
AM特征曲线的函数h(x)＝(X
sat
/Y
sat
)f(x)；
[0018]幅度预失真函数g(x)为上述h(x)的逆函数，即g(x)＝h
‑1(x)；
[0019]相位预失真函数为复合函数φ(x)＝
‑
θ[g(x)]。
[0020]进一步地，所述幅度预失真函数与相位预失真函数均为查找表，查找表包括地址和数据，其中，查找表的地址均为输入脉冲信号的幅度，查找表中的数据为幅度预失真函数或相位预失真函数的离散值。
[0021]进一步地，幅度和相位查找表的制作过程，包括：
[0022]根据幅度预失真函数和相位预失真函数分别将g(x)与φ(x)离散化为g(n)与φ(n)，其中，无符号数n为经过截取之后高15位输入脉冲信号的幅度，其取值范围为0到32767；
[0023]当n小于或等于饱和点X
sat
时，直接求取预失真函数g(x)与φ(x)在x＝0,1,2,
…
X
sat
处的值作为g(n)与φ(n)，当n大于饱和点X
sat
时，使得g(n)与φ(n)分别恒等于常数g(X
sat
)与φ(X
sat
)；
[0024]将g(n)与φ(n)写入幅度或相位查找表中的数据中，得到各地址对应的数据，完成幅度或相位查找表的制作。
[0025]第二方面，本专利技术提供的用于粒子加速器固态功率源线性化系统，该系统包括低电平系统、固态功率源、定向耦合器和输入耦合器；
[0026]所述低电平系统的输出端连接所述固态功率源的输入端，所述固态功率源的输出端连接所述定向耦合器的输入端，所述定向耦合器的输出端通过所述输入耦合器馈入超导腔，其中，所述固态功率源的输出端还通过所述定向耦合器的耦合端与所述低电平系统连接。
[0027]进一步地，所述低电平系统通过FPGA芯片进行实现，所述FPGA芯片包括锯齿波脉冲信号发生器和预失真模块；
[0028]所述锯齿波脉冲信号发生器，用于输出锯齿波脉冲驱动固态功率源；
[0029]所述预失真模块，用于根据设置的预失真函数对固态功率源的输入信号进行非线性补偿。
[0030]进一步，所述预失真函数的获取过程，包括：
[0031]测量固态功率源的AM
‑
AM非线性特性曲线与和AM
‑
PM非线性特性曲线，其中，AM
‑
AM为输入幅度到输出幅度，AM
‑
PM为输入幅度到输出相位；
[0032]基于AM
‑
AM非线性特性曲线与和AM
‑
PM非线性特性曲线，计算预失真函数，其中，预失真函数包括幅度预失真函数与相位预失真函数。
[0033]本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下特点：
[0034]1、固态功率源是射频系统非线性的主要来源，固态功率源的线性化有助于提高加速器射频系统的可操作性，本专利技术通过构建预失真函数实现固态功率源的非线性补偿，补偿后的功率源即使在接近饱和区工作也能达到与线性区相近的环路增益，从而实现提升加速器运行效率的目的。
[0035]2、由于新一代粒子加速器系统普遍采用基于FPGA的数字化低电平技术方案，因此，本专利技术的预失真模块可以完全部署在低电平系统内部，无需增加额外硬件设备。
[0036]3、本专利技术通过预先对超导腔失谐，有效避免测量过程引起的超导腔故障，测量时无需更改现有射频系统的硬件设备连接，全部测量及验证可以完全在线进行。
[0037]4、本专利技术根据固态功率源对锯齿波脉冲的响应函数计算固态功率源的非线性特性曲线，其测量过程可以实现完全自动化，而且还可以同时测量多个超导腔，测量过程可以在超导腔老练期间快速完成，无需占用机器时间。
[0038]综上，本专利技术提供了一种快速、灵活的在线固态功率源线性化方案，可以广泛应用于粒子加速本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于粒子加速器的固态功率源线性化方法，其特征在于包括：获取固定功率源的输入信号；根据预失真函数对固态功率源的输入信号进行非线性补偿。2.根据权利要求1所述的固态功率源线性化方法，其特征在于，预先对超导腔失谐，具体为：利用调谐器调节超导腔谐振频率，使得超导腔的谐振频率小于射频信号频率，失谐频率大于10倍超导腔带宽。3.根据权利要求1或2所述的固态功率源线性化方法，其特征在于，所述预失真函数的获取，包括：测量固态功率源的输入输出非线性特性曲线；基于输入输出非线性特性曲线计算预失真函数，其中，预失真函数包括幅度预失真函数与相位预失真函数。4.根据权利要求3所述的固态功率源线性化方法，其特征在于，固态功率源的输入输出非线性特性曲线包括AM
‑
AM非线性特性曲线与和AM
‑
PM非线性特性曲线，其中，AM
‑
AM为输入幅度到输出幅度，AM
‑
PM为输入幅度到输出相位。5.根据权利要求4所述的固态功率源线性化方法，其特征在于，所述幅度预失真函数与相位预失真函数预失真函数通过测量得到的固态功率源响应信号幅度f(x)与相位θ(x)进行求解得到，包括：固态功率源在输入脉冲幅度为X
sat
时输出饱和，其对应输出为Y
sat
＝f(X
sat
)；定义归一化AM
‑
AM特征曲线的函数h(x)＝(X
sat
/Y
sat
)f(x)；幅度预失真函数g(x)为上述h(x)的逆函数，即g(x)＝h
‑1(x)；相位预失真函数为复合函数φ(x)＝
‑
θ[g(x)]。6.根据权利要求3所述的固态功率源线性化方法，其特征在于，所述幅度预失真函数与相位预失真函数均为查找表，查找表包括地址和数据，其中，查找表的地址均为输入脉冲信号的幅度，查找表中的数据为幅度预失真函数或相位预失真函数的离散值。7.根据权利要求6所述的固态功率源线性化方法，其特征在于，幅度和相位查找表的制作...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱丰，何源，高郑，朱正龙，孙列鹏，黄贵荣，施龙波，陈奇，薛纵横，徐呈业，马瑾颖，江国栋，金珂安，
申请(专利权)人：中国科学院近代物理研究所，
类型：发明
国别省市：