小型化直升機(jī)載雷達(dá)發(fā)射機(jī)研究

沈德剛，王 超

(1.海軍駐南京地區(qū)航空軍事代表室， 南京210002;2.南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

作為直升機(jī)載雷達(dá)的一個(gè)外場可更換單元，發(fā)射機(jī)根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)的控制指令，為其提供滿足要求的大功率、高品質(zhì)射頻信號。受直升機(jī)自身體積和載重量的限制，其對發(fā)射機(jī)技術(shù)發(fā)展有不同于其他機(jī)載雷達(dá)發(fā)射機(jī)的獨(dú)特要求，目前發(fā)展方向是:大功率、小體積、輕重量、工作更穩(wěn)定可靠、維護(hù)性更好［1］。

發(fā)射機(jī)輸出功率是指發(fā)射機(jī)輸送至饋線系統(tǒng)的射頻功率，它決定了雷達(dá)的威力和抗干擾能力，是雷達(dá)可探測距離的重要因素。目前，直升機(jī)載雷達(dá)發(fā)射機(jī)，多采用電真空器件——行波管作為未級放大器，因此，發(fā)射機(jī)輸出功率的增加，受到行波管性能制約，即在一定轉(zhuǎn)換效率下，必須相應(yīng)增加輸入功率，即提高行波管工作電壓和電流，或者延長行波管長度以提高轉(zhuǎn)換效率，才能實(shí)現(xiàn)增加輸出功率的目的。這就與體積小、重量輕的要求相違背，同時(shí)，為保證發(fā)射機(jī)長期、穩(wěn)定工作，對高壓絕緣和散熱等問題的處理也就更加復(fù)雜。輸出功率越大，常常導(dǎo)致發(fā)射機(jī)體積越大，大功率、小型化機(jī)載雷達(dá)發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)具有一定難度。

1 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)方案由任務(wù)要求、技術(shù)水平和當(dāng)前器件性能等多種要素綜合決定，通過確定發(fā)射機(jī)類型和組成加以實(shí)現(xiàn)。

1.1 發(fā)射機(jī)工作方式說明

雷達(dá)發(fā)射機(jī)一般分為自激振蕩式和主振放大式兩類。自激振蕩式發(fā)射機(jī)系統(tǒng)組成相對簡單，但性能較差，尤其是頻率穩(wěn)定度低，不具備相干特性，也無法測速;主振放大式發(fā)射機(jī)組成相對復(fù)雜，但性能指標(biāo)好，頻率穩(wěn)定度高，可實(shí)現(xiàn)脈沖多普勒測速［2］。為滿足各種復(fù)雜需求，目前的直升機(jī)載雷達(dá)大多采用主振放大式體制，本文介紹的發(fā)射機(jī)應(yīng)用于脈沖多普勒雷達(dá)，工作方式為主振放大式。

1.2 發(fā)射機(jī)組成說明

直升機(jī)載雷達(dá)工作模式多，要求發(fā)射機(jī)具備脈沖寬度和重復(fù)頻率變化范圍大、瞬時(shí)頻帶寬、工作效率高等特點(diǎn)，首選具有降壓收集極的柵極調(diào)制或聚焦極調(diào)制行波管，本文介紹的發(fā)射機(jī)選用兩級收集極降壓柵控螺旋線行波管。

由于柵極離陰極近，柵控行波管所需柵極調(diào)制電壓很低，一般在正、負(fù)幾百伏內(nèi)，利用加到控制柵極的脈沖信號實(shí)現(xiàn)開關(guān)，適當(dāng)改變該控制信號則可改變高功率發(fā)射信號的寬度和重頻，滿足任何實(shí)際操作需要，因此柵控行波管在中、小功率雷達(dá)中應(yīng)用廣泛［2］。

直升機(jī)載發(fā)射機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下:

輸入供電:三相交流115 V/400 Hz、直流28 V;

工作頻段:X波段;

輸出平均功率:200 W;

重量:≤23 kg;

調(diào)制脈沖寬度范圍:0.5 μs～ 60 μs;

最大重復(fù)頻率:80 kHz。

組成框圖如圖1所示。

圖1 發(fā)射機(jī)組成框圖

2 電子器件

發(fā)射機(jī)是為輸出滿足要求的大功率射頻信號而設(shè)計(jì)，行波管性能決定了發(fā)射機(jī)的性能指標(biāo)，發(fā)射機(jī)內(nèi)其余組件均是為實(shí)現(xiàn)行波管正常工作而專門設(shè)計(jì)。

2.1 行波管

發(fā)射機(jī)選用柵控雙收集極行波管，陰極電壓-12 kV，收1對陰極電壓為0.67，收2對陰極電壓為0.33，效率≥25%，頻帶內(nèi)輸入激勵功率1 W。

2.2 調(diào)制高壓組件

調(diào)制高壓組件為行波管工作提供高壓、調(diào)制脈沖、燈絲電壓等，具體功能介紹如下。

2.2.1 高壓電源

圖2 高壓電源原理框圖

變頻器電路設(shè)計(jì)采用全橋零電壓開關(guān)多諧振變換方式。輸入三相交流電首先要整流濾波成直流電壓，同時(shí)滿足國軍標(biāo)對產(chǎn)品電磁兼容性的要求;然后通過反饋電壓控制的橋式變換器，將直流再次轉(zhuǎn)換成高頻交流，交流頻率的變化可實(shí)現(xiàn)對輸出高壓值的微調(diào)。變換橋的控制采用全橋零電壓開關(guān)，該控制方式可減小器件的開關(guān)損耗。提高交流頻率則可有效減小電源變壓器的體積和重量，更好地滿足對電源的寬動態(tài)響應(yīng)和小型化的要求。

高頻交流電通過倍壓整流電路輸出行波管工作所需陰極電壓，收集極電壓從倍壓電路中按比例抽取，高壓電源的輸出濾波和儲能采用組合電容方式，集成度高且體積小，組合電容容量及品質(zhì)對陰極電壓紋波等指標(biāo)有影響。

出于檢測目標(biāo)要求，雷達(dá)整機(jī)對發(fā)射單元輸出射頻信號提出相位噪聲要求，根據(jù)行波管各極電壓相位調(diào)制靈敏度對相位變化影響的大小，將總的相位偏移分配給各極電源電壓，計(jì)算出各極電源電壓的紋波要求，見表1。

表1 高壓電源紋波要求

高壓電源組件的另一設(shè)計(jì)難點(diǎn)是滿足機(jī)載條件下對絕緣和散熱的要求，同時(shí)對體積、重量加以控制。傳統(tǒng)高壓電路常常采用灌油密封方式，這有利于提高高壓電源抗打火以及散熱能力，但在體積和重量上就很難減小。本高壓電路則為干式設(shè)計(jì)，通過高低壓電路合理布局，空間間距以及絕緣材料應(yīng)用等手段，在有效絕緣和散熱與盡可能減小體積和重量間實(shí)現(xiàn)最佳組合［3］。

2.2.2 調(diào)制器

柵控行波管用調(diào)制器也稱為浮動板脈沖調(diào)制器，由懸浮在高壓上的正負(fù)偏電源、MOS場效應(yīng)開關(guān)管、限流保護(hù)電阻等組成，調(diào)制器受控形成控制行波管工作的柵極調(diào)制脈沖。調(diào)制器工作原理:控保電路對接收的定時(shí)差分信號進(jìn)行處理，生成推動變壓器的脈沖信號，脈沖隔離變壓器實(shí)現(xiàn)定時(shí)脈沖的傳遞和高低電位隔離，原理框圖見圖3。

圖3 調(diào)制器工作原理框圖

調(diào)制器設(shè)計(jì)中高重頻脈沖的實(shí)現(xiàn)是設(shè)計(jì)難點(diǎn)，因?yàn)橹仡l越高開關(guān)管產(chǎn)生的功率損耗越多，因此，在設(shè)計(jì)調(diào)制器時(shí)，一方面要盡量減少分布電容對脈沖形成的影響，另一方面要采取有效的冷卻措施，保證開關(guān)管穩(wěn)定可靠工作。

2.2.3 燈絲調(diào)制電源

考慮到上述主觀與客觀賦權(quán)下的指標(biāo)權(quán)值偏差越小越好，采用最小二乘法對權(quán)重進(jìn)行綜合優(yōu)化，構(gòu)成組合賦權(quán)模型。

燈絲電源為行波管燈絲供電，調(diào)制電源為調(diào)制器工作提供正、負(fù)偏電壓。陰極電壓作為燈絲調(diào)制電源的“地電位”，設(shè)計(jì)關(guān)鍵是要滿足高低電位的安全隔離，且電壓值在一定范圍內(nèi)可調(diào)，以便與行波管達(dá)到最佳工作匹配。

本發(fā)射機(jī)利用高壓隔離變壓器實(shí)現(xiàn)高低電位隔離和功率傳遞，在高壓側(cè)利用整流濾波技術(shù)和串聯(lián)穩(wěn)壓技術(shù)生成所需電壓。高壓隔離變壓器性能指標(biāo)是設(shè)計(jì)難點(diǎn)，一方面要提高集成以減小體積，另一方面要滿足機(jī)載環(huán)境要求。耐溫鐵芯材料的運(yùn)用有利于提高變壓器的可靠性。

2.3 控保低壓組件

發(fā)射機(jī)具有功率大、電壓高、電流大和熱耗大等特點(diǎn)，又以脈沖形式工作，控保電路對提高發(fā)射機(jī)工作時(shí)的可靠性具有重要作用，一旦檢測到行波管過流、過壓等異常情況，能迅速關(guān)斷高壓組件，將對系統(tǒng)的損壞程度降至最小?？乇ｋ娐分饕δ苡?與雷達(dá)整機(jī)的實(shí)時(shí)通信;控制發(fā)射機(jī)的開關(guān)機(jī);對發(fā)射機(jī)工作狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測;故障隔離與判定。

控保電路設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于高集成度和在強(qiáng)電、強(qiáng)磁環(huán)境保持穩(wěn)定工作，需在硬件和軟件上采取各種抗干擾措施。

2.4 前級放大器組件

行波管正常工作需注入一定功率輸入激勵信號，過激勵會導(dǎo)致行波管輸出增益下降，并伴有電子注散焦增大、幅相轉(zhuǎn)換加大、管體電流加大、熱噪聲增大等現(xiàn)象，長期嚴(yán)重過激勵將造成螺旋線因過熱而損壞。工程應(yīng)用中，若保證行波管螺旋線不過熱，性能指標(biāo)在允許范圍內(nèi)，適當(dāng)過激勵可保證在整個(gè)頻帶內(nèi)行波管獲得最大輸出功率［2］。

本發(fā)射機(jī)是由固態(tài)放大器和電調(diào)衰減器兩個(gè)射頻器件串聯(lián)組成的前級放大器組件，可以為行波管提供最佳激勵功率值。固態(tài)放大器先將輸入小功率射頻信號進(jìn)行功率放大，電調(diào)衰減器則對放大后的功率進(jìn)行微調(diào)，保證在整個(gè)帶內(nèi)有一個(gè)較合適的功率輸出，這樣可有效降低行波管放大增益值，縮短行波管長度，從而減小發(fā)射機(jī)體積。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)載雷達(dá)發(fā)射機(jī)對體積和重量有著嚴(yán)格限制，且只有處理好散熱、絕緣和抗干擾等難點(diǎn)，才能保證發(fā)射機(jī)長期穩(wěn)定、可靠的工作，因此發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要［4］。

實(shí)驗(yàn)證明，本發(fā)射機(jī)熱源集中在行波管和高壓電源上，特別是行波管收集極，在工作狀態(tài)會有顯著溫升。過高溫度將導(dǎo)致發(fā)射機(jī)工作在不穩(wěn)定狀態(tài)，并最終損壞器件性能。通過緊貼冷板、強(qiáng)迫風(fēng)冷等措施，可確保在超過器件失效臨界點(diǎn)前達(dá)到熱平衡。強(qiáng)迫風(fēng)冷卻措施要解決好兩個(gè)問題:一是設(shè)計(jì)合適的強(qiáng)迫風(fēng)冷卻散熱器;二是選擇合適的風(fēng)機(jī)和合理設(shè)計(jì)風(fēng)道，因?yàn)轱L(fēng)機(jī)提供動態(tài)的風(fēng)量和風(fēng)壓，它們?nèi)Q于散熱器的結(jié)構(gòu)和幾何形狀，進(jìn)而決定了帶走熱量的大小。

考慮到直升機(jī)載雷達(dá)體積小、重量輕，能在較為惡劣的機(jī)載環(huán)境條件下工作的需求，再結(jié)合散熱及高壓隔離的設(shè)計(jì)要求，將發(fā)射單元內(nèi)部分為高壓部分和低壓部分的上下兩層，相互間通過箱體隔絕，所有關(guān)聯(lián)信號通過穿墻插座傳輸。高壓部分為純干式設(shè)計(jì)，密封在箱體內(nèi)與外界隔絕，產(chǎn)生的熱量通過內(nèi)部風(fēng)機(jī)攪拌達(dá)到熱平衡，保證器件正常工作;低壓部分包含控保低壓組件、前級放大器組件、行波管等，通過金屬外罩加以保護(hù)。

4 結(jié)束語

小型化設(shè)計(jì)是直升機(jī)載雷達(dá)發(fā)射機(jī)發(fā)展的必然趨勢，而干式設(shè)計(jì)為小型化提供了新的可能。本文介紹了一種干式小型化直升機(jī)載雷達(dá)發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)，對其內(nèi)部各組件的設(shè)計(jì)思路及難點(diǎn)進(jìn)行了論述，可以為相關(guān)類型發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)工作提供有益的借鑒。該型號發(fā)射機(jī)平均功率大、體積小，性能優(yōu)良，有良好的維修性和可靠性，適于批量生產(chǎn)，并已成功通過認(rèn)證，應(yīng)用于國產(chǎn)某型直升機(jī)載雷達(dá)。

［1］ 沙文祥.機(jī)載行波管發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)的基本原則［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2006，28(7):88-91.Sha Wenxiang.Basic rules and steps for air-borne TWT transmitter design［J］.Modern Radar，2006，28(7):88-91.

［2］ 鄭 新，李文輝，潘厚忠，等.雷達(dá)發(fā)射機(jī)技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.Zheng Xin，Li Wenhui，Pan Houzhong，et al.Radar transmitter technology［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2006.

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