MPCVD到底需要怎样的微波源？——使用KC908测量磁控管微波源的输出品质

在工业微波和MPCVD行业中，电源通常就是指微波源。但在本文中，“电源”是指供给磁控管高压、灯丝、励磁的直流电源。“微波源”是指电源与磁控管及附属设备的组合，对外输出微波。

各位需要知道，磁控管虽然是一个“自由震荡”的器件，但是他的震荡频率和输出功率，是受磁控管的结构、老化程度、外部激励腔匹配情况、负载阻抗、温度、电源等影响的。如果其他各因素保持不变，那么磁控管的输出品质几乎就等于电源的输出质量。

因此，电源对于磁控管微波源来说，是第一重要的东西。电源稳定，微波输出就具有了稳定的基础。

在家用微波炉中，通常采用变压器经整流提供电源。不论是全波整流还是半波整流，输出的都是脉动直流，因此，磁控管的输出也是脉动的，谈不上输出品质。

对于简单的加热之类的用途，微波只是用来传递能量，品质无论多烂，只要频率没有漂移几百兆导致不匹配，就没有什么影响。

但是对于MPCVD来说，由于采用Q值较高的窄带微波系统，频率稍有抖动，就可能滑出腔体、模式转换器等的最佳工作范围，且对于电源引起的快变化，来不及通过调整匹配器（通常是三销钉）或短路面来补偿，从而使得等离子体不稳定。因此，用变压器很难满足需求，开关电源逐渐成为主流。

开关电源也有纹波。由于磁控管的工作曲线很平，很小的电压纹波就会带来极大的电流纹波。现有开关电源已经逐渐采用恒流工作，本来可以比较好的管控电流纹波，无奈电流的管控比电压难，因此通常都有比较大的电流纹波。对于MPCVD用途来说，通常要求电流纹波小于1%，电压纹波应控制在0.5%以内，两个指标都不能超出该范围。

在设计KC6201功率微波源的过程中，为了缩短开发周期，我们外购了多种开关电源。这里采用某厂适配6kW磁控管的开关电源来展示磁控管微波源的输出品质。磁控管采用东芝E3327，其余基本为KC造。

首先是微波源的监视界面，可以看到微波功率大约6kW。

接下来用传统扫描频谱仪测一下输出频谱，可以看到输出较烂，刚开机时，在大约10MHz的宽度上都有输出，用在MPCVD上显然有些勉强。

但是扫描频谱提供的信息量有限，并不能看出该源是怎么“烂”的，因此我们用KC造的实时频谱仪来看看。

这是采用峰值检波以后的结果，可以看到频谱变成了连续的，有利于准确测定实际的占用带宽。此时开机已久，宽度有所缩小，大约为4MHz。

峰值检波对刷新周期内的所有信号取峰值，能够毫无遗漏的观察频率的分布情况。但是峰值检波的时间分辨率不高于刷新频率，因此并不能反映高速变化的过程。

为了更好的反映高速变化状态，切换检波方式为“取样检波”，可以明显看出微波源的输出存在两种频率摆动，低频摆动幅度很大，在频率高端存在高频摆动。从瀑布图上可以看出，一秒之内摆动出了5个峰，因此低频摆动的频率大约为5Hz，推测为PID的时间周期，可能是该电源PID未良好收敛。

微波源的输出功率主要分布在哪些频率呢？用平均值检波能够比较好的反映平均功率谱密度，测试如下图。可见主要功率分布在频谱右侧，峰值出现在2642.2MHz附近。

为了搞清楚电源到底干了什么，我们用1：2000高压探头和专用炮灰示波器测量了电源的电压纹波。可见有一个300Hz左右的高频纹波，幅度约为80V。忘了测5Hz的低频纹波，但该高频纹波并无明显的上下晃动。推测该高频纹波是导致频谱图右侧出现频率高频摆动的原因。

我们还进行了小功率输出测试，在输出功率为3kW时，曲线爆炸，已经滑落到家用微波炉水平。

功率从3kW调整为6kW，电源缓慢升功率，能够看到升起过程中输出品质逐渐变好。

有趣的过程：

升功率.mp4 点击下载 ‎

作为对比，这张大家熟悉的图片，是KC6201微波源采用另一厂商的电源时的输出，可见频谱分布宽度仅有1MHz，也就是说，输出品质有了质的飞越，跨过了入门MPVCD的门槛。出现调频样谱线是因为这家的电源输出被高频脉冲污染。从该电源的拓扑来看，可能是因为接地处理存在设计上的缺陷，进一步提高的难度相对较小，并且对MPCVD应用其实并无妨碍。而前面那台电源，优化起来就不那么简单。