一種寬帶行波管發(fā)射機可靠性的提高

【摘要】本文以一種寬帶行波管發(fā)射機為例，通過分析其結(jié)構(gòu)組成論證如何使得行波管發(fā)射機的設(shè)計與配置達到最合適最可靠的效果。確保行波管能夠工作在最佳的理想狀態(tài)進而達到提高發(fā)射機可靠性的目的。

【關(guān)鍵詞】發(fā)射機；行波管；可靠性

1.引言

行波管作為微波式真空電子器件當中的一種常見管型，具備高功率、大增益、寬頻帶與低噪聲等各種實際特點，能夠廣泛地運用在雷達、電子對抗與通信等各個重點工程領(lǐng)域。然而因為行波管的構(gòu)造與相應(yīng)的供電電路具有復雜、電壓高及功率大的特點，實質(zhì)的應(yīng)用環(huán)境通常為惡劣的狀況，所以行波管發(fā)射機的可靠性已經(jīng)視為一個相對復雜的實際問題。

2.行波管發(fā)射機的結(jié)構(gòu)組成

行波管發(fā)射機通常由寬帶行波管、各級電源系統(tǒng)、調(diào)制器、控保電路與冷卻系統(tǒng)等部分構(gòu)成，假如其中的任意一個電路或者元器件失效就可能引起整個發(fā)射機的故障發(fā)生。所以其相應(yīng)的可靠性模型表現(xiàn)為串聯(lián)系統(tǒng)的形式，失效率λ應(yīng)為各個實質(zhì)單元的失效率λi的和，即表示為λ=∑λi。

3.行波管發(fā)射機可靠性的提高方法

行波管是整個發(fā)射機的關(guān)鍵元器件，行波管設(shè)計的可靠性很大程度上決定了發(fā)射機工作的可靠性。本文所提的行波管發(fā)射機應(yīng)用于一種電子對抗設(shè)備，要求行波管能在寬頻段、大占空比（90%）的條件下進行工作。發(fā)射機的全部設(shè)計工作都應(yīng)當圍繞著行波管而實行的，即怎樣為行波管配置最合理可靠的各個電極電源、完善高效的控制保護與理想的熱環(huán)境設(shè)計，確保行波管工作于最理想狀態(tài)進而提升行波管的可靠性。

3.1 高壓電源系統(tǒng)

本發(fā)射機的高壓電源系統(tǒng)（包括整流電源、逆變電源、高壓電源）采用相控整流方式+全橋串聯(lián)諧振變換器電路。由于開機時會產(chǎn)生很大的浪涌電流，因此采用相控整流方式實現(xiàn)緩沖開機，以減少浪涌；由于高壓電源的功率較大，采用全橋電路，橋路電流及工作頻率都不是很高，有利于電源的熱設(shè)計。降壓收集極行波管的螺旋線高壓和收集極高壓的供電采用了行波管串聯(lián)供電方式簡化了發(fā)射機的電路，提高了可靠性。

加高壓時當調(diào)制開關(guān)剛開通，正偏電源加載在行波管上時，發(fā)射機高壓就跳閘。分析認為：收集極電源此時由空載突然變成滿載，引起儲能電容電壓下降，由于采用的是串聯(lián)供電方式，導致陰極電壓隨之下降造成欠壓保護?？傊?，是儲能電容容量不夠和高壓電源瞬間無法適應(yīng)從空載到滿載的快速變化導致的。增大了儲能電容又有可能在行波管打火過程中產(chǎn)生放電能量過大而出現(xiàn)行波管燒壞的問題。最終我們在高壓儲能電容器和行波管之間串聯(lián)RY型金屬氧化膜電阻作為限流電阻以限制打火時的能量，很好的解決了這一問題。

3.2 各級輔助電源

燈絲電源采用恒壓、限流工作，其正極接行波管的陰極，負極接行波管的燈絲。由于行波管燈絲在冷態(tài)時的阻抗很低（約為熱態(tài)時的五分之一），為確保在每次開機工作時，避免燈絲過電流而產(chǎn)生過熱沖擊，燈絲電源采用限流工作方式。

陽極電源供給行波管陽極的電源，該電源為高壓小電流電源，其技術(shù)指標為：電壓：-1500～0V，電流是μA量級。由于陽極電源變化時行波管的輸出功率會發(fā)生變化，要求穩(wěn)定度高，采用高頻高壓開關(guān)電源。

正負偏電源要求輸出電壓為2.0KV，輸出功率為30W。若采用Boost電路來實現(xiàn)，則主電路開關(guān)管的耐壓問題不好解決，故決定采用電路簡單的單端式隔離電源。

3.3 調(diào)制器

對于行波管，如果施加高壓而不存在負偏電壓時，行波管有可能發(fā)生毀壞。所以無論出現(xiàn)哪種故障都不可以切斷負偏電源，應(yīng)當確保負偏電源始終維持在工作狀態(tài)。調(diào)制器采用能輸出理想波形的MOSFET浮動板調(diào)制器，它既可實現(xiàn)脈沖重復頻率的大范圍變化，又能實現(xiàn)脈沖寬度的大范圍變化，具有脈沖波形前、后沿好，驅(qū)動電流小，驅(qū)動電路簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)復雜脈沖波形的快速轉(zhuǎn)換等優(yōu)點。

3.4 控制與保護設(shè)計

根據(jù)發(fā)射機實際情況，選用OMRON公司的CJ1型工業(yè)控制器（以下稱PLC）作為邏輯控制器，該PLC選用模擬量輸入模塊，主控需要的模擬量信號通過通訊口送出，在近距離的情況下PLC與主控通過RS422串行接口通訊。監(jiān)控保護電路本身可靠，故障判斷和定位準確，能及時保護貴重元器件（如行波管等），避免虛假的動作，確保每步動作準確有效。

3.5 合理的結(jié)構(gòu)、熱與環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計

行波管發(fā)射機相應(yīng)的高壓、高熱耗與惡劣的工作環(huán)境，促使結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱設(shè)計與環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計顯得非常重要。整個發(fā)射機柜密封，對散熱的要求很高，采用了二次冷卻的方式，在機柜的后面裝上換熱器，通過風扇將機柜內(nèi)的熱風抽到換熱器內(nèi)，使熱風和換熱器內(nèi)的散熱翅片進行熱交換，最后通過水冷將翅片上的熱量帶走。水冷系統(tǒng)設(shè)計成當高溫時能夠給換熱器提供冷水，提高發(fā)射機箱的散熱效率；當?shù)蜏氐臅r候能夠給換熱器提供熱水，給發(fā)射機箱快速的加熱，保證發(fā)射機內(nèi)的關(guān)鍵器件如：PLC、相控整流模塊等的正常工作，其中水冷系統(tǒng)能夠自動檢測水溫和環(huán)境溫度。

4.結(jié)束語

本文在提高發(fā)射機可靠性的措施從以下幾方面著手：完善了密封發(fā)射機柜的熱設(shè)計，降低了器件的結(jié)溫，提高了行波管和高壓電源系統(tǒng)的散熱效率；采取適度的功率器件降額使用，提高了冗余度，同時限制打火的能量和電源快速保護，降低打火后對發(fā)射機電路產(chǎn)生的應(yīng)力確保在發(fā)生打火后發(fā)射機能夠重新恢復開機。

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作者簡介：張偉（1981—），男，貴州畢節(jié)人，大學本科，工程師，現(xiàn)供職于中電科第38研究所，研究方向：真空發(fā)射技術(shù)。