本文關(guān)鍵詞： 速調(diào)管 線性化 SXFEL 查找表　出處：《中國(guó)科學(xué)院研究生院(上海應(yīng)用物理研究所)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：大功率放大器的非線性特性給電信系統(tǒng)和高能物理實(shí)驗(yàn)帶來的不好的影響自上世紀(jì)后幾十年來一直在被研究。這種非線性特性帶來的不好的現(xiàn)象同時(shí)也存在于直線加速器中的微波放大器中。直線加速器一般應(yīng)用于現(xiàn)代粒子物理實(shí)驗(yàn)或用戶設(shè)施中,比如自由電子激光器。上海軟X射線自由電子激光(soft X-ray free-electron laser,SXFEL)裝置作為國(guó)內(nèi)第一臺(tái)第四代光源裝置,對(duì)電子束團(tuán)的能量穩(wěn)定性、能散度提出了很高的要求,這就要求高頻低電平控制系統(tǒng)對(duì)速調(diào)管的輸出信號(hào)進(jìn)行精確的測(cè)量和控制,以保證加速器的穩(wěn)定運(yùn)行并且達(dá)到其技術(shù)指標(biāo)。然而直線加速器中大功率速調(diào)管放大器不理想的非線性放大特性會(huì)導(dǎo)致低電平控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)的低效率。本篇論文致力于研究上海軟X射線自由電子激光裝置中直線加速器的大功率速調(diào)管放大器,工作的重點(diǎn)是對(duì)其非線性速調(diào)管放大特性的研究。我們研究并實(shí)現(xiàn)對(duì)比了三種基于FPGA的數(shù)字預(yù)失真速調(diào)管線性化算法,所描述的預(yù)失真線性化算法模塊可以直接放置在低電平模塊中,不會(huì)影響其他信號(hào)。數(shù)字預(yù)失真方法具有高度的靈活性并可進(jìn)行精確的線性化,但是需要對(duì)速調(diào)管的非線性特性進(jìn)行精確的測(cè)量以此來計(jì)算出與之特性相反的預(yù)失真模塊。所以我們首先對(duì)速調(diào)管的非線性特性進(jìn)行了實(shí)地的測(cè)量與分析建模,通過其非線性特性,求出其預(yù)失真函數(shù),使用了多項(xiàng)式算法、直接查找表算法以及插值法查找表算法對(duì)其預(yù)失真函數(shù)建模模擬,并在FPGA中將其一一實(shí)現(xiàn)并對(duì)比分析,最終選取了插值法查找表預(yù)失真算法進(jìn)行線性化設(shè)計(jì)。本文基于上海軟X射線自由電子激光裝置,采用基于FPGA的插值法查找表數(shù)字預(yù)失真方法,在微波低電平控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一套實(shí)現(xiàn)高功率速調(diào)管放大器線性化的在線系統(tǒng)。經(jīng)S波段低電平系統(tǒng)和其相應(yīng)的東芝E3730A速調(diào)管及高壓調(diào)制低電平系統(tǒng)實(shí)地測(cè)試表明,本文提出的在微波低電平控制系統(tǒng)中建立的在線系統(tǒng)能夠有效補(bǔ)償速調(diào)管帶來的非線性問題,提高了微波低電平控制系統(tǒng)的精度及準(zhǔn)確性,改善了高頻低電平系統(tǒng)的性能,滿足了上海軟X射線自由電子激光試驗(yàn)裝置的需求,并且線性化方法具有可移植性。文章還通過對(duì)不同高壓下的速調(diào)管非線性補(bǔ)償?shù)念A(yù)失真函數(shù)分析,得出推論:在已測(cè)得某一高壓下的速調(diào)管的輸入輸出特性的情況下,可根據(jù)本論文提出的研究方法,對(duì)其非線性特性進(jìn)行線性化處理。在未測(cè)得某一高壓下的速調(diào)管輸入輸出特性曲線時(shí),可由已知的相鄰高壓下的預(yù)失真函數(shù)推斷出其預(yù)失真函數(shù),從而進(jìn)行線性化。在相鄰高壓相差很小的情況下,可認(rèn)為其中的關(guān)系為線性的。
[Abstract]:The negative effects of the nonlinear characteristics of high power amplifiers on telecommunication systems and high energy physics experiments have been studied for decades since 0th century. In microwave amplifiers in line accelerators. Linear accelerators are generally used in modern particle physics experiments or in user facilities. For example, free electron laser. Shanghai soft X-ray free electron laser soft X-ray free-electron laser. As the first 4th generation light source device in China, SXFELL has put forward high requirements for the energy stability and energy divergence of the electron beam cluster. This requires the high-frequency low-level control system to accurately measure and control the output signal of klystron. In order to ensure the stable operation of the accelerator and meet its technical specifications, however, the unsatisfactory nonlinear amplification characteristics of the large power klystron amplifier in the linear accelerator will lead to the low efficiency of the regulation of the low level control system. The high power klystron amplifier of the linear accelerator in Shanghai soft X-ray free electron laser system is studied. The emphasis of the work is the study of the nonlinear klystron amplification characteristics. We have studied and implemented three digital predistortion klystron linearization algorithms based on FPGA. The described predistortion linearization algorithm module can be placed directly in the low level module without affecting other signals. The digital predistortion method has a high degree of flexibility and can be linearized accurately. But it is necessary to measure the nonlinear characteristics of klystron accurately to calculate the predistortion module which is opposite to its characteristics. So we first measure and model the nonlinear characteristics of klystron in the field. According to its nonlinear characteristics, the predistortion function is obtained, and its predistortion function is modeled and simulated by polynomial algorithm, direct lookup table algorithm and interpolation look-up table algorithm. Finally, the interpolation look-up table predistortion algorithm is selected for linearization design. This paper is based on Shanghai soft X-Ray Free Electron Laser device. The interpolation method based on FPGA is used to find the digital predistortion of the table. An on-line system for linearization of high power klystron amplifier is designed in microwave low level control system. The low level system via S band and its corresponding Toshiba E3730A klystron and high voltage modulated low level system are designed. Field tests show that. The on-line system established in the microwave low level control system can effectively compensate the nonlinear problem caused by klystron and improve the accuracy and accuracy of the microwave low level control system. The performance of high frequency low level system is improved and the requirement of Shanghai soft X ray free electron laser testing device is satisfied. And the linearization method is portable. The predistortion function of nonlinear compensation of klystron at different high voltage is also analyzed in this paper. The inferences are drawn that if the input and output characteristics of a klystron have been measured at a certain high voltage, the research method proposed in this paper can be used. When the input and output characteristic curve of klystron is not measured, the predistortion function can be inferred from the known predistortion function of adjacent high voltage. In the case of small difference between adjacent high pressure, the relation between them can be regarded as linear.
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院(上海應(yīng)用物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN24;TN122

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