周有為，曹樹春，申曉康，趙全堂，宗 陽，張子民,*

(1.中國科學院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學院大學 核科學與技術學院，北京 100049)

高能電子成像由美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室首先提出并開展了相關研究，其利用30 MeV電子束進行了靜態(tài)薄靶的成像實驗[1]。中國科學院近代物理研究所提出將高能電子成像技術作為診斷工具，探索高能量密度物理和慣性約束聚變物理過程中的關鍵科學問題[2]。近代物理研究所與美國阿貢國家實驗室、清華大學合作，完成了高能電子成像裝置的物理設計并開展了相關實驗研究，驗證了高能電子成像作為高能量密度物理診斷方法的可行性[3-6]。為更深入地開展高能電子成像實驗，近代物理研究所正在建造一臺50 MeV的電子直線加速器，專用于高能電子成像實驗研究。這臺電子直線加速器由熱陰極微波電子槍、α磁鐵、加速管、偏轉磁鐵和聚焦磁鐵等構成，工作頻率為2 856 MHz，重復頻率5～50 Hz可調，流強可達400 mA[7]。該加速器的低電平控制系統(tǒng)采用上下變頻、IQ解調技術[8-10]和PXI板卡，實現微波功率源相位的反饋控制，要求對加速場相位控制精度穩(wěn)定在±1°內。本文給出低電平控制系統(tǒng)的設計和實現過程，并進行相關測試。

1 低電平控制系統(tǒng)硬件設計及實現

低電平控制系統(tǒng)用于控制高頻功率源的高頻信號幅度和相位，保證加速器的穩(wěn)定運行。目前常用的低電平控制方法有幅度相位分離控制方法和矢量控制方法，本系統(tǒng)中采用的是幅度相位分離控制方法。對于這臺加速器而言，速調管處于飽和工作模式，輸出信號幅度不能體現輸入信號的幅度變化，低電平控制系統(tǒng)無法通過調節(jié)信號輸出幅度來進行幅度反饋控制。因此，本控制系統(tǒng)主要控制對象是信號的相位，僅包含相位控制反饋回路，幅度穩(wěn)定性通過調整速調管的工作狀態(tài)來保證。

低電平控制系統(tǒng)總體布局如圖1所示，其包括：微波信號源、本振信號生成模塊、上下變頻模塊、時鐘模塊、數字化及其處理模塊等。其中，微波信號源為控制系統(tǒng)提供同步信號和射頻參考信號；本振信號生成模塊產生上下變頻所需的本振信號；上下變頻模塊用于將射頻信號下變頻為中頻信號，及將中頻信號上變頻為射頻信號；時鐘模塊的功能是生成采樣時鐘信號和分配同步信號；數字化及其處理模塊用于中頻信號的采集、處理和閉環(huán)控制。該系統(tǒng)的工作過程為：從電子槍和加速管提取出的射頻功率信號與本振信號混頻，下變頻為10 MHz的中頻信號，送入采集板卡PXIe-5105完成中頻信號的采集，經過模數轉換器(ADC)形成兩路數字信號到計算機，進行數字化運算處理。數模轉換器(DAC)輸出調制后的10 MHz中頻信號，上變頻為2 856 MHz的射頻信號，作為固態(tài)放大器的激勵信號。

低電平系統(tǒng)微波信號源采用羅德與施瓦茨公司生產的SMB100A型信號源，該型信號源配備有產生10 MHz信號的內部參考信號源，該信號同時可作為外部參考信號輸出。因此，本設計中信號源同步輸出10 MHz的同步信號和2 856 MHz的射頻參考信號。

本振信號的產生如圖2所示，本振信號的生成采用直接頻率合成的方法，利用數字分頻器、混頻器及帶通濾波器來合成本振信號。由于信號源同步輸出10 MHz的同步信號和2 856 MHz的射頻參考信號，因此直接將同步信號和射頻參考信號混頻，經過放大濾波，得到2 846 MHz的本振信號，減少了使用分頻器而引入的相位噪聲。圖3為由該方法產生的本振信號頻譜，頻譜儀的參考電平為23.00 dBm，本振信號的功率為22.74 dBm，最大雜波2 866 MHz信號功率為-30.32 dBm，抑制比為53.06 dB，本振信號頻譜干凈。

圖1 低電平控制系統(tǒng)總體布局Fig.1 General layout of low level radio frequency control system

圖2 本振信號生成圖Fig.2 Diagram of local signal generation

a——2 846 MHz信號功率；b——2 866 MHz信號功率圖3 本振信號頻譜Fig.3 Spectrum of local signal frequency

本設計中時鐘板卡采用美國國家儀器公司的PXI-5404波形發(fā)生器，時鐘和同步信號分配如圖4所示。10 MHz同步信號從時鐘板卡的同步信號輸入端口輸入，驅動板卡產生40 MHz的ADC采樣時鐘，同時利用板卡內部的鎖相環(huán)，從同步信號輸出端口輸出同步信號發(fā)送到DAC，以同步其產生的10 MHz中頻信號。外部觸發(fā)信號從可編程功能輸入端口PFI0輸入，通過PXIe-1073機箱背板上的PXI局部總線和PXI觸發(fā)總線，將信號發(fā)送給ADC，從而實現數據的同步采集過程。

圖4 時鐘分配模塊Fig.4 Layout of clock distribution module

低電平系統(tǒng)中使用的數字板卡和機箱，均是美國國家儀器公司生產的成熟商業(yè)化產品。PXIe-1073機箱內置MXI-Express控制器，具有遠程連接能力，可持續(xù)處理250 MB/s的數據。PXIe-5105有8路同步采樣通道，12位垂直分辨率，實時采樣率60 MS/s，模擬帶寬60 MHz。PXI-5404具有1.07 μHz的頻率分辨率和12位幅值分辨率，100 MHz帶寬，采樣率為300 MS/s，用直接數字合成技術精確生成波形。圖5為DAC生成的中頻信號頻譜。圖5a頻譜儀參考電平為23.00 dBm，圖5b參考電平為10.00 dBm，測得中頻信號功率為9.70 dBm，30 MHz諧波信號功率為-50.96 dBm，抑制比為60.66 dB，中頻信號頻譜干凈。

圖6為時鐘信號相位噪聲譜，頻譜儀參考電平為5.00 dBm。測得40 MHz時鐘載波功率為3.88 dBm，在頻偏20 kHz處的噪聲功率為-72.54 dBm，分辨率帶寬為200 kHz，由此可計算出頻偏20 kHz處的相位噪聲為-140.2 dBc/Hz，時鐘信號相位噪聲較小，性能優(yōu)異。

a——10 MHz信號功率；b——30 MHz諧波信號功率圖5 中頻信號頻譜Fig.5 Spectrum of intermediate frequency

a——40 MHz時鐘信號電平；b——頻偏20 kHz處的噪聲電平圖6 時鐘信號相位噪聲譜Fig.6 Phase noise spectrum of clock signal

本設計下變頻采用的混頻器為Mini公司的ZX05-42MH-S，該混頻器的作用是將拾取到的射頻信號下變頻為中頻信號，其工作頻率范圍為5～4 200 MHz，中頻輸出為5～3 500 MHz。實驗中，對混頻器在不同輸入功率下的中頻輸出進行測量，結果如圖7所示，可看出，當混頻器輸入信號的功率在-1～6 dBm之間時，混頻器的輸出是線性的，輸出信號可有效反映輸入信號的大小。本設計中，混頻器輸入的射頻信號功率為1.5 dBm，測試結果表明，該混頻器的中頻信號能有效反映射頻信號幅度和相位的信息。

圖7 混頻器線性度測量結果Fig.7 Measurement result of mixer linearity

2 數字化算法

時域內中頻信號[11-12]可表示為:

y(t)=Asin(wct+φ(t))=

Acosφ(t)sin(wct)+Asinφ(t)cos(wct)

(1)

其中：A為幅度；φ為初相位；wc為角速度；t為時間。

若以I=Acosφ(t)和Q=Asinφ(t)，則有：

(2)

(3)

本系統(tǒng)中，采樣時鐘頻率是中頻信號頻率的4倍，得到的輸出信號為S(n)=I、Q、-I、-Q、…的采樣序列。I和-I、Q和-Q分別按式(4)、(5)通過相差和平均，去除信號中的直流成分，得到正交分離的I、Q，再利用式(2)、(3)[13]及通過LabVIEW編程分別計算得到幅度和相位。

(4)

(5)

閉環(huán)反饋采用數字比例-積分(PI)控制器，圖8為低電平數字化算法的流程。來自下變頻模塊輸出的10 MHz中頻信號，經過I/Q采樣后，形成I/Q采樣序列，送入控制計算機。I/Q值經過LabVIEW程序計算，得到信號相位，再經數字滑動平均濾波器(DMAF)濾波，比較濾波后相位和設定的相位，得出偏差，由PI控制器進行調節(jié)實現輸出。相位控制板卡根據PI控制器的輸出，產生調制后的10 MHz中頻信號。

3 低電平控制系統(tǒng)人機界面及測試結果

調試界面如圖9所示，控制程序采用LabVIEW開發(fā)，從而實現參數設定和數據顯示?？刂平缑婺茉O定PI參數，實現相位的開環(huán)和閉環(huán)控制，并實現對電子槍和加速管加速場的相位控制。

低電平控制系統(tǒng)搭建完成后，與電子直線加速器射頻功率源聯機進行無束流負載的高功率測試實驗。在射頻脈沖1 μs、脈沖重復頻率10 Hz、速調管輸出功率25 MW、無束流通過的情況下，低電平控制系統(tǒng)的采樣信號從加速管拾取端引出，相位測量結果示于圖10。圖10a是相位穩(wěn)定性隨時間的變化情況，圖10b是相位的直方分布。可看出，閉環(huán)后控制系統(tǒng)對相位的控制精度可達±0.5°(峰峰值)和0.110 8°(均方根)，優(yōu)于±1°的設計指標，完全滿足設計要求。

圖8 低電平控制系統(tǒng)數字化算法流程Fig.8 Control algorithm of low level radio frequency control system

圖9 低電平控制系統(tǒng)的LabVIEW界面Fig.9 LabVIEW operating panel of low level radio frequency control system

a——相位穩(wěn)定性；b——相位直方分布圖10 相位測量結果Fig.10 Phase test result

4 結論

本文利用上下變頻、IQ解調技術和商業(yè)化PXI板卡，研制了一套低電平控制系統(tǒng)，實現了用于高能電子成像實驗研究的射頻電子直線加速器的相位反饋控制，相位穩(wěn)定控制精度達到設計指標。在該低電平控制系統(tǒng)的設計中，本振信號的產生和上下變頻的硬件實現均使用商業(yè)模擬微波器件，這些模擬器件體積小、使用簡單、易獲取。信號發(fā)生器和數字化模塊采用成熟的商業(yè)化產品，集成度高、性能優(yōu)異，板卡控制程序基于LabVIEW軟件，易于開發(fā)且便于實驗人員操作。商業(yè)模擬器件和商業(yè)化板卡的使用，不僅使整個低電平控制系統(tǒng)的結構緊湊，而且還可縮短開發(fā)時間。