雷達(dá)發(fā)射機(jī)的行波管保護(hù)設(shè)計(jì)

張 登

（船舶重工集團(tuán)公司723所，揚(yáng)州 225001）

0 引 言

行波管具有峰值功率高、瞬時(shí)帶寬寬、增益高、噪聲低等特點(diǎn)，在當(dāng)代雷達(dá)發(fā)射機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用。行波管是發(fā)射機(jī)的核心器件，它能否可靠穩(wěn)定地工作直接關(guān)系到發(fā)射機(jī)乃至整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的性能［1］。

柵控行波管所需的電源較多，且各電源有著嚴(yán)格的加電順序［2］。在發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)設(shè)計(jì)合理的控制電路，保證柵控行波管的加電順序，即首先加鈦泵電壓、柵極負(fù)偏壓、燈絲電壓，達(dá)額定的預(yù)熱時(shí)間后加高壓，最后加?xùn)艠O調(diào)制脈沖；關(guān)電順序相反。

此外，還應(yīng)充分考慮行波管的保護(hù)電路。對(duì)行波管的保護(hù)有多種情況：（1）加低壓電后，檢測(cè)相關(guān)參數(shù)，若有異常，應(yīng)送出故障信號(hào)，并采取必要的措施；（2）加高壓前檢測(cè)各極電壓和電流是否正常，若有異常，應(yīng)及時(shí)送出故障信號(hào)，確保高壓不會(huì)啟動(dòng)；（3）加高壓、脈沖后，若行波管各極電源電壓（電流）出現(xiàn)故障，或行波管自身出現(xiàn)打火、過(guò)流等問(wèn)題時(shí)，應(yīng)在第一時(shí)間切斷調(diào)制脈沖和高壓。

本文以柵控行波管為例，分別從行波管各極工作電流和工作電壓2個(gè)方面介紹了發(fā)射機(jī)行波管的保護(hù)措施，分析了保護(hù)措施的重要性，并介紹了保護(hù)電路的實(shí)現(xiàn)方法。

1 行波管工作電流的故障檢測(cè)與保護(hù)

1.1 燈絲電流的檢測(cè)與保護(hù)

行波管的燈絲是有壽命的，因此要避免燈絲受到較大的電流沖擊；燈絲是確保行波管陰極工作溫度的重要部件，過(guò)高的燈絲電流也會(huì)縮短行波管陰極的壽命。因此在燈絲電壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，必須對(duì)其采取限流措施，穩(wěn)態(tài)后也要實(shí)時(shí)檢測(cè)，以便出現(xiàn)故障時(shí)采取及時(shí)、有效的保護(hù)措施，避免行波管因長(zhǎng)期工作在高燈絲電流狀態(tài)而受到損傷。

對(duì)于行波管燈絲，既要求燈絲浪涌電流不超過(guò)額定負(fù)載電流的1.5倍，又要保證規(guī)定時(shí)間內(nèi)預(yù)熱效果最佳。所以燈絲電源通常先以額定電流的1.5倍恒流啟動(dòng)，當(dāng)燈絲進(jìn)入熱態(tài)后，燈絲電源再進(jìn)入穩(wěn)壓狀態(tài)。下面以直流燈絲為例，介紹2種應(yīng)用廣泛的燈絲電流檢測(cè)方法。

1.1.1 電流互感器取樣法

將電流互感器的初級(jí)串聯(lián)在開(kāi)關(guān)電源主變壓器次級(jí)回路中，取樣電路將互感器檢測(cè)到的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，送至開(kāi)關(guān)電源控制芯片的誤差放大器，通過(guò)控制電路起到恒流作用［3］；同時(shí)再用比較器進(jìn)行比較判斷，當(dāng)取樣值超過(guò)相應(yīng)的門限電壓時(shí)，判為故障，如圖1所示。

圖1 電流互感器取樣法

1.1.2 電阻取樣比較法

在電流回路中串聯(lián)電流取樣電阻，阻值盡量小，以減小電阻上的功率損耗，再使用運(yùn)放對(duì)取樣信號(hào)進(jìn)行放大后，送至開(kāi)關(guān)電源控制芯片的誤差放大器，通過(guò)控制電路起到恒流作用；同時(shí)與相應(yīng)的門限電壓進(jìn)行比較，判斷燈絲電流是否過(guò)流。電阻取樣比較法如圖2所示。該方法具有電路簡(jiǎn)單、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛［2］。

圖2 電阻取樣比較法

1.2 管體電流的檢測(cè)與保護(hù)

對(duì)于行波管，加高壓、脈沖工作時(shí)，電子注中絕大部分參與射頻能量交換后被收集極俘獲，但由于電子能量交換的效率、相速變化等原因，在調(diào)制脈沖開(kāi)通和關(guān)斷瞬間，會(huì)產(chǎn)生散焦現(xiàn)象，很小一部分電子流向管體形成管體電流（慢波線電流）。而管體耐功率能力有限，流向管體的電流過(guò)大，會(huì)對(duì)行波管造成傷害。管體過(guò)流保護(hù)是行波管保護(hù)電路中最基本也是最重要的保護(hù)，其基本原理是當(dāng)行波管管體電流超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)，立刻切斷調(diào)制脈沖和高壓。預(yù)設(shè)值因行波管不同而異。

對(duì)于1.1.2中的電阻取樣比較法，由于取樣與控制電路不隔離，行波管打火瞬間，過(guò)大的尖峰電壓會(huì)造成電路損壞，不適合管體電流的檢測(cè)；稍加改進(jìn)后，方法如圖3所示。

圖3 管體電流的檢測(cè)與保護(hù)

這是一種直觀、簡(jiǎn)單的保護(hù)方法，電阻與繼電器線包并聯(lián)阻值恒定，兩端電壓與流過(guò)它們的電流成正比，當(dāng)電壓達(dá)到繼電器吸合電壓時(shí)，觸點(diǎn)吸合；經(jīng)光耦再次隔離、比較器判斷后，將故障信號(hào)傳遞給控制電路，從而切斷脈沖和高壓。二極管V3實(shí)現(xiàn)了故障信號(hào)的自鎖。

實(shí)際應(yīng)用中，繼電器兩端通常并聯(lián)瞬變電壓抑制二極管、壓敏電阻等尖峰抑制器件，有效地防止了打火尖峰對(duì)電阻和繼電器的傷害；繼電器線包與觸點(diǎn)的隔離以及光耦的運(yùn)用實(shí)現(xiàn)了大地與控制電路的隔離，在打火瞬間保護(hù)了控制電路；該電路的保護(hù)速度主要受繼電器吸合時(shí)間的制約，保護(hù)速度相對(duì)較慢，保護(hù)時(shí)間為毫秒級(jí)，適合于對(duì)管體散焦電流（平均電流）的保護(hù)，經(jīng)典可靠，在多型雷達(dá)發(fā)射機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用。

1.3 打火電流的檢測(cè)與保護(hù)

當(dāng)行波管自身或外部原因致使其打火時(shí)，如果不迅速關(guān)斷電子注，那么電子注可能會(huì)持續(xù)打在管體、柵網(wǎng)或射頻輸入輸出窗等部件上，將對(duì)行波管造成持續(xù)、更大的損害。因此，在行波管出現(xiàn)打火時(shí)，為了更好保護(hù)行波管，應(yīng)盡快切斷高壓和調(diào)制脈沖。

行波管打火瞬間，通常表現(xiàn)為陰極對(duì)地短路，行波管陰極電流和管體電流會(huì)遠(yuǎn)超額定值。對(duì)于1.2中電路，由于保護(hù)速度較慢，無(wú)法滿足要求。在此期間通過(guò)檢測(cè)陰極電源輸出脈沖電流來(lái)實(shí)施保護(hù)是一種有效、快速的方法。

用電流傳感器來(lái)采樣陰極脈沖電流，轉(zhuǎn)換成脈沖電壓信號(hào)后送至比較器進(jìn)行故障判斷，其保護(hù)速度主要取決于比較器翻轉(zhuǎn)速度，達(dá)微秒級(jí)。在行波管打火時(shí)，能快速切斷脈沖信號(hào)及高壓，可有效地保護(hù)行波管及電源的安全。

1.4 鈦泵電流的檢測(cè)與保護(hù)

鈦泵電流是衡量行波管真空度好壞的重要指標(biāo)，真空度良好的行波管鈦泵電流一般不大于10μA。當(dāng)鈦泵電流過(guò)大時(shí)，若加高壓，可能導(dǎo)致行波管打火。因此在加高壓前或加高壓后，應(yīng)保持對(duì)鈦泵電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)，確保鈦泵電流超過(guò)門限值時(shí)，高壓無(wú)法啟動(dòng)或立即切斷脈沖和高壓，使行波管不受傷害。

鈦泵電流的檢測(cè)一般采用電阻直接取樣法，與1.1.2類似，較容易實(shí)現(xiàn)。

2 行波管工作電壓的故障檢測(cè)與保護(hù)

行波管的工作狀態(tài)與其各個(gè)電極上的電壓密切相關(guān)，為了確保行波管工作穩(wěn)定，各極電壓必須在規(guī)定的范圍內(nèi)。鈦泵電壓、柵極負(fù)偏壓、陰極電壓、收集極電壓是保證行波管正常工作的重要電壓，需設(shè)置必要的故障檢測(cè)與保護(hù)電路。

2.1 鈦泵電壓故障的檢測(cè)與保護(hù)

鈦泵電源用于給行波管的鈦泵供電，吸附氣體，保持管內(nèi)良好的真空狀態(tài)［2］。鈦泵電源電壓一般為3～5kV。行波管加高壓工作時(shí)，如果行波管內(nèi)的真空度較差，可能會(huì)出現(xiàn)打火現(xiàn)象。因此在加高壓前或加高壓后，應(yīng)保持對(duì)鈦泵電壓的實(shí)時(shí)檢測(cè)，確保發(fā)生故障時(shí)，高壓無(wú)法啟動(dòng)或立即切斷脈沖和高壓。

鈦泵電壓故障的檢測(cè)可采用電壓取樣比較法，將取樣電壓與基準(zhǔn)電壓用比較器直接比較，其原理如圖4所示。

圖4 電壓取樣比較法

圖4中，R3至Rn串聯(lián)，獲得鈦泵電壓取樣后，與基準(zhǔn)比較。當(dāng)取樣電壓低于基準(zhǔn)門限時(shí)，比較器輸出低電平，作為故障信號(hào)輸出［1］。

2.2 柵極負(fù)偏壓故障的檢測(cè)與保護(hù)

行波管加高壓工作時(shí)，在無(wú)調(diào)制脈沖或在脈沖間隔期間，柵極必須有足夠的截止電壓，否則會(huì)有電子從陰極逸出，輕則增大輸出脈間噪聲，重則損壞行波管柵網(wǎng)、陽(yáng)極等部件。因此，應(yīng)保持對(duì)柵極負(fù)偏壓故障的實(shí)時(shí)檢測(cè)，當(dāng)負(fù)偏壓低于額定值時(shí)，確保高壓無(wú)法啟動(dòng)或立即切斷脈沖和高壓。

由于柵極負(fù)偏壓相對(duì)于浮動(dòng)地（通常為陰極電位）是負(fù)電位，顯然不能直接用2.1中的電壓直接取樣比較法，若引入負(fù)電壓的輔助電源，增加了電路的復(fù)雜性，并有降低可靠性的風(fēng)險(xiǎn)。將電源兩端接固定負(fù)載，電源電壓的變化可表現(xiàn)為負(fù)載中電流的變化，據(jù)此介紹柵極負(fù)偏壓故障檢測(cè)與保護(hù)方法：

方法一：取樣電阻與繼電器串聯(lián)，接于負(fù)偏壓電源兩端，用取樣電流驅(qū)動(dòng)繼電器，當(dāng)負(fù)偏壓輸出低于額定值，繼電器動(dòng)作，送出故障信號(hào)。該方法存在的主要問(wèn)題是繼電器的吸合與釋放電流存在差異，導(dǎo)致故障門限精度較低。優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單可靠，所以仍為一現(xiàn)實(shí)可行的方法。

方法二：也可選用線性隔離器件，隔離后再與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。原理如圖5所示。

圖5 選用線性隔離器件的檢測(cè)方法

圖5中，“FGND”為行波管陰極電位，RP1提供基準(zhǔn)電壓，R5至Rn串聯(lián)，由于Rn阻值較大，取樣電流主要流過(guò)B1。當(dāng)B1工作在線性區(qū)域時(shí)，比較器的反相輸入端獲得的電壓隨負(fù)偏壓的降低而降低，并與基準(zhǔn)比較。當(dāng)負(fù)偏壓低于額定值時(shí)，比較器輸出高電平，作為故障信號(hào)輸出。

方法三：還可采用中和法，如圖6所示。

圖6 中和法

當(dāng)負(fù)偏壓降低時(shí)，流過(guò)R1的電流隨之減小，比較器同相輸入端的電壓隨之升高。當(dāng)負(fù)偏壓低于額定值時(shí)，比較器輸出高電平，作為故障信號(hào)輸出。

除上述方法外，適當(dāng)增大負(fù)偏壓電源的輸出儲(chǔ)能電容，在加高壓工作時(shí)，由于某種原因整機(jī)掉電時(shí)，因電容器放電回路的時(shí)間常數(shù)較大，所以儲(chǔ)存能量在短時(shí)間內(nèi)不易放掉，柵極也能維持一段時(shí)間的負(fù)壓，使管子免遭損壞。

2.3 陰極電壓的檢測(cè)與保護(hù)

行波管在高壓工作過(guò)程中，陰極電壓與電子注散焦密切相關(guān)，如果陰極電壓與額定值相差較大，會(huì)有過(guò)多電子注的能量積聚在收集極以外的部分，對(duì)行波管造成傷害。因此，當(dāng)陰極電壓欠壓或過(guò)壓時(shí)，應(yīng)立即切斷脈沖和高壓。

可采用的方法與負(fù)偏壓類似，這里不作介紹。

2.4 收集極電壓故障檢測(cè)與保護(hù)

收集極電壓是行波管工作的重要電壓，在行波管各極電源中，收集極電源功率最大。對(duì)于收集極降壓工作的行波管而言，收集極電壓偏離額定值過(guò)多，會(huì)對(duì)行波管的效率和穩(wěn)定性造成影響。

收集極電壓是以陰極為參考的電壓，采用差分取樣法可將以陰極為參考的電壓轉(zhuǎn)換成以地為參考的壓差信號(hào)，如圖7所示。

獲得壓差信號(hào)后，再進(jìn)行故障判斷，電路簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快。

3 故障信號(hào)的傳輸

為了盡量減小其他電路對(duì)低壓控保的干擾，在故障檢測(cè)電路與發(fā)射機(jī)控保電路之間應(yīng)采取必要的

圖7 差分取樣法

隔離措施，如采用光耦或變壓器隔離等方式。對(duì)浮動(dòng)在陰極電位上的故障信號(hào)的傳輸，必須有足夠的高壓隔離傳輸能力，可采用光纖傳輸或振蕩器加脈沖隔離變壓器傳輸?shù)姆绞?。后者成本較低且簡(jiǎn)單易行，可靠性較高，在多型號(hào)雷達(dá)發(fā)射機(jī)中廣泛應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

以柵控行波管為例，從行波管各極工作電流和工作電壓2個(gè)方面介紹了對(duì)發(fā)射機(jī)行波管的保護(hù)措施，并分析了保護(hù)措施的重要性及保護(hù)電路的實(shí)現(xiàn)方法。對(duì)行波管的保護(hù)還有很多方面，如脈沖行波管的工作比保護(hù)、行波管輸出饋線駐波的保護(hù)等。

［1］ 楊旭，裴去慶，王兆安.開(kāi)關(guān)電源技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［2］ 鄭新，李文輝，潘厚忠.雷達(dá)發(fā)射機(jī)技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

［3］ Abraham I Pressman.開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)［M］.王志強(qiáng)譯.北京：電子工業(yè)出版社，2005._____________________