驻波锁相自动频率控制系统

与行波加速器不同，因驻波加速管是单色结构，所以驻波加速器只有一个工作频率，就是驻波加速管的固有谐振频率，因此，驻波加速器微波频率自动控制系统的目的就是为了将微波锁定在加速管的唯一工作频率上，所以，驻波频率自动控制系统又叫作锁相自动稳频系统。

驻波低能医用加速器配用的微波源一般是磁控管（Magnetron），通常称为M型驻波加速器；驻波高能医用加速器配用的微波源多是速调管（Klystron），通常称为K型驻波加速器。由于两种微波源具有不同的结构原理和不同的工作特性，因此，必须根据各自的技术特点采用不同的微波锁相自动稳频系统。现分述如下。

（一）M型加速器驻波自动锁相稳频系统

M型加速器驻波锁相自动稳频系统的工作原理，见图2-9-55。

图2-9-55　M型加速器驻波锁相自动稳频系统原理

由图2-9-55可见，这种自动稳频系统也是采用探针取样。共设了两个微波信号取样点，一个设在磁控管与四端环流器之间的传输波导上，检测的是入射波信号；另一个设在四端环流器与微波负载之间的传输波导上，检测的是反射波信号。其中入射波信号经过衰减器1和一个移相器送到混合环的端口1；反射波信号经过衰减器2送到混合环的端口2。端口3和端口4输出的混合信号（矢量和）分别经过两个反向连接的二极管D1和D2送到取样保持电路，然后经过信号处理电路、控制电路和电机驱动电路等连接到磁控管的电机调谐机构以实现微波频率的自动控制与自动调节。

混合环的基本工作原理参见本章第四节中的图2-9-25和图2-9-26及相应的原理描述。图中的移相器是为了将监测到的入射波信号移相π/2（90°），以实现混合环的鉴相器功能。因为端口1和端口2输入信号相位的变化，必然会引起端口3和端口4输出信号幅值的变化，因此，混合环在这里起的是鉴相器的作用。由于端口3和端口4输出的信号永远是等幅反相（相差180°），并且端口4输出的是正向信号，端口3输出的是反向信号，所以图中的检波二极管D2正向连接，D1反向连接。

在研究驻波加速管时我们知道，驻波加速器工作时，如果加速管和微波频率都符合设计要求，系统处于匹配状态，就不会产生反射波，端口2就监测不到反射波信号，这时，混合环内只有端口1监测到的入射波信号，在端口3和端口4的输出信号如图2-9-25B中的实线箭头所示。因这时微波频率不需要调节，通过设置和调节取样保持电路与信号处理电路的相关参数，可让信号处理电路没有输出指令，于是，后级电路和调谐机构不动作，微波频率保持不变；如果由于某种原因导致系统失谐，例如当温度变化或束流负载变化而引起微波频率变化时，就会产生反射波。端口2监测到的反射波信号，如果没有相位移，与入射波信号在端口3和端口4合成输出信号的幅值与相位，见图2-9-25B中虚线箭头所示的E3和E4，这时入射波和反射波信号在端口3与端口4输出信号的夹角都是π/2（90°），其矢量和的幅值增加；如果有相位移，当夹角降低时，输出信号的幅值进一步增加；当夹角增加时，输出信号的幅值就会减小。当两个输出端口信号的幅值增加时，信号处理电路会给出正的调节指令，通过后级电路和驱动电机让调谐机构正转以提高磁控管的谐振频率；当两个输出端口信号的幅值减小时，信号处理电路就给出负的调节指令，通过后级电路和驱动电机让调谐机构反转降低磁控管的谐振频率。这样，就可以实现驻波加速器微波功率的锁相自动控制（稳频）功能。

由于驻波加速器运行时不允许改变微波频率，不需要跳频控制，所以移相器不用进行自动调节。因此，驻波加速器微波自动稳频系统一般配置的是固定式微波信号移相器，有的可以手动微调，以便实现最佳移相效果。

（二）K型加速器驻波自动锁相稳频系统

K型加速器驻波自动锁相稳频系统的工作原理，见图2-9-56所示的原理框图。这种自动锁相稳频系统也是利用3dB耦合器的同相输入等幅输出和异相输入不等幅输出特点而设计的高精度驻波控相（锁相）自动稳频系统。

由图可见，这种微波自动稳频控制系统的监测信号是通过第四节介绍的双孔定向耦合器采集的。它既要采集入射波信号，也要采集反射波信号，因此必须连接在四端环流器输出端（2口）之后，图中是连接在旋转波导之后的传输波导上。与行波自动控相稳频系统一样，这种稳频自动控制系统的核心器件也是3dB耦合器。因不能转换微波频率，所以采用的是固定式移相器。接在端口（4）的移相器也是对入射波信号进行移相控制，所以，信号的控相输入和幅值输出特点也可以用图2-9-51和图2-9-52进行分析。工作时，如果没有反射波，（3）端检测不到微波信号，B口无信号输入，这时相当于同相输入，X端和Y端输出的信号幅值相等，系统不作调节；失谐时，双向耦合器的（3）端会检测到微波反射信号。一般来说，反射波与入射波不会是同相位，根据3dB耦合器的异相输入不等幅输出特点，X端和Y端的输出信号必然会随着输入信号相位角的变化而增减，通过后级控制电路和调频电路就可以将微波源的谐振频率拉回到驻波加速管的固有振荡频率，从而实现控相自动稳频目的。

图2-9-56　K型加速器驻波锁相自动稳频系统原理

图中小括号内的数字代表双向耦合器的端口编号

需要注意的是，K型驻波加速器配置的微波源是速调管，没有频率调谐机构，所以没有电机驱动电路和相应的机械驱动装置。因速调管微波源系统的微波频率是由小功率射频驱动器（RF driver）提供的，所以，当系统监测到频率误差时，控制电路要将调频信号送到RF driver进行频率微调，再通过速调管放大之后就会把微波频率拉回到驻波加速管的固有振荡频率，可以达到自动锁相稳频效果，这是目前K型驻波高能医用电子直线加速器最常用的微波频率自动锁相控制系统。