一种任意波形合成装置

1.本发明涉及一种加速器波形产生技术领域，特别是关于一种任意波形合成装置。


背景技术：

2.针对国内外加速器设备的建造中，一些复杂波形的产生(例如锯齿波、方波等)，由于重复频率和电压幅度的限制，非常难以实现。
3.以锯齿波为例，对比现有的技术特点：
4.1、电子管充放电法：通过电子管的开关作用对电极组成的电容进行充放电形成锯齿波。虽然实现这种方法的电路简单容易制作，但是功率损耗较大，且受元器件性能限制，目前找不到满足40mhz以上锯齿波需求的器件。
5.2、宽带放大器法：一般是利用宽带放大器在整个谐波频带内的无失真放大波形，该方法的应用严格受到放大器的性能制约，想要提高锯齿波的线性度，必须要增加谐波次数，同时加速器对于电压的需求也越来越高，这对于放大器而言，这就意味着宽频带和高增益。而用放大器来产生一个高电压、高频率的特殊信号肯定会有瓶颈，不可能始终增长下去。
6.3、传统谐振合成方法：传统谐振合成方法由于自身结构限制，无法产生四次，八次等谐波，即最高可以实现三次谐波的合成，这种方法合成锯齿波的效率，线性度都受到结构的制约，无法进行升级拓展。


技术实现要素：

7.针对上述问题，本发明的目的是提供一种任意波形合成装置，其能不受频率、电压以及自身结构的限制，合成任意频率和电压的周期波形。
8.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种任意波形合成装置，其包括：真空盒体，其内设置有电极板，且所述真空盒体的上下端分别设置有用于束流通过的通孔；第一谐振腔，设置在所述真空盒体的一侧，用于将产生的偶次电场集中在所述电极板的上端；第二谐振腔，与所述第一谐振腔并列设置在所述真空盒体的一侧，且位于所述第一谐振腔的下方，用于将产生的奇次电场集中在所述电极板的下端；所述第一谐振腔采用二分之一波长谐振腔，所述第二谐振腔采用四分之一波长谐振腔。
9.进一步，所述第一谐振腔的外导体长度与所述第二谐振腔的外导体长度相同，所述第一谐振腔的内导体长度小于所述第二谐振腔的内导体长度。
10.进一步，所述第一谐振腔的长度为：
[0011][0012]
其中，l为所述第一谐振腔的长度，p为正整数，λr为谐振波长。
[0013]
进一步，所述第一谐振腔上设置有第一谐振腔调谐器、偶次谐波发生器和取样器；所述偶次谐波发生器的设置数量根据使用需求进行设置，且所述偶次谐波发生器与所述取
样器的设置数量相同。
[0014]
进一步，所述第一谐振腔调谐器设置为两个。
[0015]
进一步，所述第二谐振腔上设置有第二谐振腔调谐器、奇次谐波发生器和取样器；所述第二谐振腔调谐器至少设置为两个，所述奇次谐波发生器位于两个所述第二谐振腔调谐器之间。
[0016]
进一步，所述取样器至少设置为两个。
[0017]
进一步，所述第一谐振腔的谐振频率f为：
[0018][0019]
式中，c为光速，p为自然数，l为所述第一谐振腔的长度；
[0020]
将所述第一谐振腔的基础频率设置为所述第二谐振腔的基础频率的二倍。
[0021]
进一步，所述电极板采用x状设置，所述电极板的几何中心位置处设置有用于电子束通过的间隙；任意次谐波在所述电极板的间隙内实现合成，所述合成方法为：
[0022]
根据需求，计算所需谐波次数和基频，分别对所述第一谐振腔和所述第二谐振腔进行配置，调整输入的电压和相位，在所述电极板两个端口之间的间隙中，会产生所有的模式，在电极板上实现了谐波叠加，合成所需波形。
[0023]
进一步，所述电极板的形状采用近似空心圆筒。
[0024]
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
[0025]
1、本发明可以产生不同阶次的正余弦三角信号(谐波)，通过叠加的方式，实现任意波形的合成。
[0026]
2、本发明突破了传统结构无法产生四次、八次等谐波的限制，可以产生任意次的谐波，因此在谐波合成的方案设计时不受频率和电压的限制，可以合成任意频率和电压的周期波形。
[0027]
3、本发明通过谐振的方式基本摆脱频率和电压的限制，利用谐振器合成多个谐波，以达到实现高电压、高频率的任意周期信号合成的目的。
附图说明
[0028]
图1是本发明一实施例中任意波形合成装置结构示意图；
[0029]
图2是本发明一实施例中五次谐波合成锯齿波的装置结构示意图；
[0030]
图3是本发明一实施例中五次谐波合成装置的系统结构示意图；
[0031]
图4本发明一实施例中二次、三次、四次、五次谐波合成锯齿波的线性度比较图。
具体实施方式
[0032]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0033]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式
也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0034]
现有的多谐波合成装置中，是由两个四分之一波长谐振腔(qwr)构成，且两个腔体的工作原理相同；四分之一波长谐振腔的谐振频率f
′
为：
[0035][0036]
式中，c为光速，p为自然数，l为腔长。
[0037]
四分之一波长谐振腔的基础频率f0为：
[0038][0039]
由此可知，单一的腔体只能工作在基础频率f0的奇数倍，即：f0，3f0，5f0，
…
。
[0040]
为了补充频率为2f0的谐波，缩短了其中一个腔的长度(减为1/2)，即短腔的工作频率为2f0的奇数倍，即2f0，6f0，10f0，
…
。
[0041]
由于缺少了四次谐波(4f0),谐波合成时只能选择最高到3次谐波合成的方案。
[0042]
为解决现有技术中缺少四次谐波、八次谐波
…
，以及只能最高到3次谐波合成的受限问题，本发明根据傅里叶展开，任何周期函数都f(t)可以由正余弦三角函数的无穷级数表示为：
[0043][0044]
式中，ω0为角频率，n为正整数，a0为直流分量，an为n倍频余弦谐波的幅度，bn为n倍频正弦谐波的幅度，t为时间。
[0045]
本发明可以产生不同阶次的正余弦三角信号(谐波)，通过叠加的方式，实现任意波形的合成。
[0046]
本发明突破了传统结构无法产生四次、八次等谐波的限制，可以产生任意次的谐波，因此在谐波合成的方案设计时不受频率和电压的限制，可以合成任意频率和电压的周期波形。
[0047]
在本发明的一个实施例中，提供一种任意波形合成装置。本实施例中，如图1所示，该装置包括：
[0048]
真空盒体6，其内设置有电极板7，且真空盒体1的上下端分别设置有用于束流通过的通孔；
[0049]
第一谐振腔8，设置在真空盒体6的一侧，用于将产生的偶次电场集中在电极板7的上端；
[0050]
第二谐振腔9，与第一谐振腔8并列设置在真空盒体6的一侧，且位于第一谐振腔8的下方，用于将产生的奇次电场集中在电极板7的下端；
[0051]
第一谐振腔8采用二分之一波长谐振腔，第二谐振腔9采用四分之一波长谐振腔。
[0052]
上述实施例中，第一谐振腔8的外导体长度与第二谐振腔9的外导体长度相同，但是内导体不同，第一谐振腔8的内导体长度小于第二谐振腔9的内导体长度。
[0053]
在本实施例中，第一谐振腔8的长度l为：
[0054][0055]
其中，p为正整数，λr为谐振波长。
[0056]
上述实施例中，第一谐振腔8上设置有第一谐振腔调谐器5、偶次谐波发生器2和取样器3。偶次谐波发生器2的设置数量根据使用需求进行设置，且偶次谐波发生器2与取样器3的设置数量相同。
[0057]
在本实施例中，第一谐振腔调谐器5设置为两个，所有偶次谐波发生器2均位于两个第一谐振腔调谐器5之间。
[0058]
上述实施例中，第二谐振腔9上设置有第二谐振腔调谐器4、奇次谐波发生器1和取样器3；所有谐波的强磁区都设置在远离真空盒体6的一端，可以有部件重合设置，优选的，奇次谐波发生器1设置在强磁区。第二谐振腔调谐器4至少设置为两个，奇次谐波发生器1设置在远离真空盒体6的第二谐振腔9上，且奇次谐波发生器1位于两个第二谐振腔调谐器4之间。
[0059]
在本实施例中，取样器3至少设置为两个，具体数量根据使用需求进行设置。
[0060]
上述实施例中，第一谐振腔8采用二分之一波长谐振腔，其谐振频率f为：
[0061][0062]
式中，c为光速，p为自然数，l为第一谐振腔8的长度。
[0063]
而二分之一波长谐振腔的基础频率fh为：
[0064][0065]
由此可知，第一谐振腔8能工作在基础频率fh的任意整数倍，即：fh，2fh，3fh，
…
。
[0066]
上述实施例中，第二谐振腔9的谐振频率为奇数频，即f0，3f0，5f0，
…
。
[0067]
在本实施例中，为了补充频率为2f0的谐波，将第一谐振腔8的基础频率设为2f0(可以通过改变腔体长度实现，本实施例中采用第一谐振腔8与第二谐振腔9长度相同的结构来实现)。即第一谐振腔8的工作频率为2f0的整数倍(2f0，4f0，6f0，8f0，
…
)。
[0068]
本发明的结构弥补了现有技术中无法产生4次，8次谐波的限制缺陷，以至可以实现任意次波形的合成。对于合成出的信号，谐波数量直接决定了信号的质量。使用的谐波数量越多，合成出的信号越接近期望信号。
[0069]
上述实施例中，真空盒体6内的电极板7成近似x状设置，电极板7的几何中心位置处设置有用于电子束通过的间隙。任意次谐波在电极板7的间隙内实现合成。
[0070]
其中，合成方法为：由于第一谐振腔8位于第二谐振腔9的上方，谐振时，第一谐振腔8和第二谐振腔9相对独立工作，偶次电场集中在电极板7上端，奇次电场集中在电极板7下端；根据需求，计算所需谐波次数和基频，分别对两个谐振腔进行配置，调整输入的电压和相位，在电极板7两个端口之间的间隙中，会产生所有的模式，即在电极上实现了谐波叠加，合成了所需波形，进而实现任意波形的合成。
[0071]
本发明突破了传统方案无法产生偶数次谐波的结构限制，可以实现任意周期波形的合成。
[0072]
实施例：基于实际工程，在本实施例中设置了一个五次谐波合成锯齿波装置，该装
置结构如图2所示，一、三、五次谐波发生器1，二次谐波发生器2，四次谐波发生器10都由对应的耦合器和调谐器构成。为了节省空间，采用一、三、五次谐波发生器1产生的一次谐波频率为40mhz，三次谐波频率为120mhz，五次谐波频率为200mhz，二次谐波发生器2产生的二次谐波频率为80mhz，四次谐波发生器10产生的四次谐波频率为160mhz。每个频率都有对应的调谐器以保证谐振腔工作在正确的谐振频率，通过调谐器正确的安装位置，可以实现每个频率之间的单独调试。
[0073]
为了实现更高的效率，真空盒体6内的电极板7的形状采用近似空心圆筒，第一谐振腔8和第二谐振腔9相对独立工作，分别产生二、四谐波和一、三、五次谐波，最终在电极板7的间隙中实现合成锯齿波电场。
[0074]
如图3所示，整个五次谐波合成的系统组成，五路信号均具备幅度和相位的独立调谐能力，射频系统还包括多路功率合成器，定向耦合器、环形器以及温度、功率等状态监控和通讯模块。控制单元，水冷系统以及功率传输系统。
[0075]
如图4所示，为最终五次谐波合成的锯齿波图形(其他波形也是同样原理产生)，由于五次合成的理论限制，其线性度和效率都有极限，如果有更高精度的需求，可以增加谐波次数，理论上该方案可以实现任意次谐波叠加合成。
[0076]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。