W波段大功率發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)與研究

張建華,王旭明,高仲輝,黃興玉,蘇 濤,汪 軍,徐玉存

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088;2.安徽四創(chuàng)電子股份有限公司,安徽合肥230088)

0 引言

常規(guī)天氣雷達(dá)一般工作在微波頻段,其波長(zhǎng)在3～10 cm之間,適于探測(cè)直徑大于幾百微米的質(zhì)點(diǎn),這些質(zhì)點(diǎn)通常是形成降水和風(fēng)暴的主要成分。但在對(duì)云、霧探測(cè)和研究降水形成與發(fā)展的整個(gè)微物理過(guò)程上,常規(guī)微波雷達(dá)顯得無(wú)能為力,而毫米波(MMW)雷達(dá)則具有這方面的明顯優(yōu)勢(shì)。相對(duì)于微波而言,MMW對(duì)細(xì)微粒子具有更強(qiáng)的散射特性,進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),在氣象探測(cè)領(lǐng)域各國(guó)紛紛發(fā)展MMW雷達(dá),以提高雷達(dá)對(duì)云霧的探測(cè)能力、對(duì)氣象目標(biāo)形成的微物理過(guò)程的認(rèn)識(shí)。W波段測(cè)云雷達(dá)無(wú)疑是一個(gè)典型代表,近10年來(lái),多個(gè)國(guó)家在W波段研發(fā)了MMW雷達(dá),應(yīng)用于各種平臺(tái)下的天氣探測(cè)。

本文介紹的W波段大功率MMW發(fā)射機(jī)應(yīng)用于機(jī)載W波段雙極化測(cè)云雷達(dá),該雷達(dá)是國(guó)家863計(jì)劃“機(jī)載氣象雷達(dá)云雨探測(cè)系統(tǒng)”項(xiàng)目的重要組成部分。

1 W波段發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)要求

1.1 發(fā)射機(jī)的要求

該發(fā)射機(jī)采用主振放大式體制,末級(jí)放大管為W波段分布作用速調(diào)管[1-2](EIK),將頻率源產(chǎn)生的W波段MMW脈沖信號(hào)放大到需要的功率電平,經(jīng)饋線(xiàn)、天線(xiàn)定向輻射到空間。對(duì)發(fā)射機(jī)的指標(biāo)要求如下：

工作頻率 W波段

發(fā)射功率 ≥1.2 kW(峰值)

脈沖寬度 0.2μs,0.5μs

重復(fù)頻率 2～12 k Hz

1.2 EIK的工作特點(diǎn)及要求

在W波段,對(duì)于輸出功率達(dá)到1.5 kW的發(fā)射機(jī),根據(jù)目前的技術(shù)水平,如果采用全固態(tài)方案,不僅成本極高,而且也不太現(xiàn)實(shí)。性?xún)r(jià)比較高,且可行的方案是采用真空管作為末級(jí)放大器,可供選擇的大功率真空管有回旋管和EIK兩種類(lèi)型,通?；匦艿墓β屎艽?在本系統(tǒng)中采用有大材小用之嫌,也不經(jīng)濟(jì),最終選用EIK作為末級(jí)放大管。

按照傳統(tǒng)的微波電子管設(shè)計(jì)理論,進(jìn)入MMW頻段,電子管設(shè)計(jì)者將會(huì)面臨來(lái)自微小精細(xì)部件的制造、工作在更高電壓、控制大電流密度電子束的挑戰(zhàn),這些問(wèn)題是MMW磁控管、TWT和速調(diào)管所面臨的共性問(wèn)題。

而在MMW速調(diào)管方面,CPI加拿大分部利用高阻抗的“階梯”(Leader)電路作為諧振慢波結(jié)構(gòu)的一部分,結(jié)合永磁鐵,在較低的工作電壓下,獲得更高的互作用效率,在25～220 GHz頻段產(chǎn)生2 kW～40 W的高功率,已有近40年的EIK研制歷史,在W波段可輸出1.8 kW。

在EIK中,由諧振慢波電路代替了傳統(tǒng)速調(diào)管每個(gè)諧振腔的單間隙,其射頻(RF)電路由一些裝入可調(diào)腔中的長(zhǎng)、短狹槽組成。圖1給出了2個(gè)腔的示意,而在典型的EIK中有5～6腔。

圖1 EIK結(jié)構(gòu)及其配電示意圖

狹槽的寬度決定EIK的工作頻率,而其高度由希望或必需的工作電壓決定。電子束沿著狹槽和階梯中隧道聚焦。

電子束的速度由所加的電子束電壓調(diào)整,當(dāng)特定的電子通過(guò)電路中的每個(gè)縫隙時(shí),以相同的相位經(jīng)歷RF場(chǎng),這樣由電子束所體現(xiàn)的總的阻抗是縫隙阻抗和縫隙數(shù)量的乘積。根據(jù)傳統(tǒng)的電子光學(xué),所產(chǎn)生的高的互作用阻抗提供高功率和增益。EIK的腔體可以在類(lèi)似于速調(diào)管腔體的單個(gè)縫隙上交錯(cuò)調(diào)諧,以獲得最大增益、帶寬性能。

以上所描述的RF電路通常稱(chēng)為階梯電路,如圖2和圖3所示。

圖2 EIK單腔中的RF電路(階梯)

圖3 EIK的RF電路(階梯)

與其他線(xiàn)性束真空電子器件一樣,EIK也依靠將電子束由速度調(diào)制變成密度調(diào)制,隨后在分布作用輸出腔轉(zhuǎn)換為RF功率。由輸出腔耦合到波導(dǎo)來(lái)獲取功率,圖4給出了EIK中電子束的群聚過(guò)程的示意。

圖4 階梯中的群聚過(guò)程

在EIK的設(shè)計(jì)中,聚焦和電子束的控制具有挑戰(zhàn)性,需通過(guò)高度精確的計(jì)算機(jī)建模、精確的組裝工藝及高性能的陰極和磁場(chǎng)來(lái)完成。其目的是形成具有最小起伏、大約0.25 mm的電子束直徑,并促成電子束盡可能通過(guò)電子束隧道而不被截獲,在一定的、主要由RF損耗加熱的銅質(zhì)電路的熱容量下,獲取最大RF功率。

EIK的工作和加電過(guò)程與柵控TWT和聚焦極控制多注速調(diào)管相似。首先需要加熱燈絲,在加熱燈絲的同時(shí),聚焦極調(diào)制器提供截止偏壓給EIK的聚焦極,保證加熱過(guò)程中,電子束處于受控截止?fàn)顟B(tài);在燈絲預(yù)熱好之后,根據(jù)需要可以加陰極高壓;陰極高壓加上之后,根據(jù)需要開(kāi)啟調(diào)制脈沖指令,此時(shí)聚焦極脈沖調(diào)制器在調(diào)制脈沖同步信號(hào)的控制下,送出一定重頻及脈寬的調(diào)制脈沖信號(hào)到EIK的聚焦極,控制EIK電子束的通斷。

在EIK的應(yīng)用中,有兩個(gè)問(wèn)題值得注意：一是多數(shù)EIK可能采用一級(jí)降壓收集極,即VK=VC+Vb,VK是陰極電壓,VC是收集極電壓,Vb是管體電壓,如圖1所示;而我們所選擇的EIK的Vb=0 V,即VK=VC,收集極與管體同電位。二是對(duì)于EIK的聚焦極來(lái)說(shuō),其開(kāi)啟脈沖電平和截止偏壓均為負(fù)電平(相對(duì)于陰極),這一點(diǎn)與傳統(tǒng)的柵極浮動(dòng)板調(diào)制器有所不同,通常柵極浮動(dòng)板調(diào)制器的開(kāi)啟脈沖電平為正電平,因此,該聚焦極脈沖調(diào)制器的電路拓?fù)渑c傳統(tǒng)的柵極浮動(dòng)板調(diào)制器的有所不同。

2 W波段發(fā)射機(jī)的研制

2.1 W波段發(fā)射機(jī)的工作參數(shù)

為保證EIK能夠正常工作,并提供1.2 kW的RF功率,根據(jù)所采購(gòu)的EIK的典型工作參數(shù)要求,發(fā)射機(jī)應(yīng)為EIK提供符合表1要求的陰極電源和聚焦極調(diào)制脈沖。

表1 EIK通用工作參數(shù)及W波段發(fā)射機(jī)______EIK典型工作參數(shù)

各個(gè)電源和調(diào)制脈沖按照前文所述嚴(yán)格的加電順序加電或關(guān)電。

2.2 發(fā)射機(jī)的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)EIK的特性和發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)要求,研制的主要內(nèi)容為聚焦極脈沖調(diào)制器、陰極高壓電源、監(jiān)控電路及燈絲電源等部分的工程設(shè)計(jì)分析與實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)的原則是兼顧EIK的通用工作范圍,工作于典型參數(shù)。

EIK與各部分電路的連接如圖5所示。EIK的管體接地;收集極通過(guò)管體電流檢測(cè)電路接地(即管體),處于虛地電位;陰極電源的正端接到收集極,負(fù)端接到EIK的陰極;聚焦極調(diào)制器[3]浮在陰極電位上,RF發(fā)射期間提供-40 V的開(kāi)啟脈沖給EIK的聚焦極,其余時(shí)間給聚焦極提供-3 k V的截止偏壓;燈絲電源為直流電源,通過(guò)高電位隔離電路浮在陰極電位上,正極接到EIK的陰極,負(fù)極接到燈絲。

圖5 W波段EIK發(fā)射機(jī)原理簡(jiǎn)圖

2.2.1 聚焦極脈沖調(diào)制器

EIK的聚焦極脈沖調(diào)制器是一個(gè)浮動(dòng)板調(diào)制器,在同步脈沖的控制下,開(kāi)啟開(kāi)關(guān)S1和截止開(kāi)關(guān)S2有序開(kāi)關(guān),最終提供-3 000 V(相對(duì)于EIK的陰極)的截止偏壓和-40 V(相對(duì)于EIK的陰極)的開(kāi)啟脈沖到EIK的聚焦極,控制EIK電子束的通斷。

與傳統(tǒng)的浮動(dòng)板脈沖調(diào)制器不同,其開(kāi)啟脈沖電平為-40 V,而不是正電平,因此其電路拓?fù)溆兴煌?如圖5所示,S1是開(kāi)啟開(kāi)關(guān),R1是限流電阻,E1是開(kāi)啟電源,D1是隔離二極管,S2是截止開(kāi)關(guān),E2是負(fù)偏電源,R2是箝位電阻,RFo是聚焦極限流電阻。

除了EIK工作期間的脈沖狀態(tài),調(diào)制器一直輸出-3 000 V的負(fù)偏到EIK的聚焦極,這個(gè)狀態(tài)從給EIK預(yù)熱開(kāi)始。當(dāng)EIK預(yù)熱好之后,在發(fā)射系統(tǒng)連接正確,且沒(méi)有故障的情況下,可以加上陰極電源高壓,之后S1在開(kāi)啟脈沖信號(hào)的同步下導(dǎo)通,開(kāi)啟電源E1通過(guò)D1、R1、S1形成回路,同時(shí),截至期間EIK陰極K和聚焦極Fo之間的分布電容CKFo所充的3 000 V電壓也通過(guò)R1、S1、RFo放電,將EIK的陰極K箝定在E1的正電位,而EIK的聚焦極Fo被箝定在E1的負(fù)電位,若E0為40 V,即為EIK的Fo提供了-40 V的開(kāi)啟脈沖,調(diào)整E1的電平,可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟脈沖電平的調(diào)整;開(kāi)啟脈沖過(guò)后,S1關(guān)斷,同時(shí)截止開(kāi)關(guān)S2導(dǎo)通,D1反偏,截止電源E2通過(guò)S2、RFo向CKFo充電到3 000 V電壓,使EIK的陰極K箝定在E2的正電位,而聚焦極Fo被箝定在E2的負(fù)電位,即為EIK的Fo提供了-3 000 V的截止偏壓,EIK截止,截止脈沖過(guò)后,S2關(guān)斷,E2通過(guò)R2維持-3 000 V的偏壓,直至下一個(gè)開(kāi)啟脈沖的到來(lái),又重復(fù)上述過(guò)程,實(shí)現(xiàn)EIK的脈沖工作。

S1和S2承受的最大截止電壓為3 000 V,分別采用6個(gè)MOSFET串聯(lián)組成,浮于陰極電位,S1和S2的驅(qū)動(dòng)分別通過(guò)一個(gè)脈沖變壓器饋送,每個(gè)變壓器的初級(jí)處于低電位,次級(jí)有6個(gè)繞組,均處于陰極電位,相互隔離,每個(gè)繞組對(duì)應(yīng)一個(gè)MOSFET。對(duì)于由6個(gè)MOSFET串聯(lián)構(gòu)成的開(kāi)啟開(kāi)關(guān)和截止開(kāi)關(guān),要解決好均壓和觸發(fā)的一致性問(wèn)題。

2.2.2 輔助電源

輔助電源主要包括開(kāi)啟電源E1、截止電源E2和燈絲電源EF,其中E1和E2是聚焦極脈沖調(diào)制器的組成部分,由于這三個(gè)電源同處于陰極電位,可以統(tǒng)一進(jìn)行設(shè)計(jì)。

如圖6所示,3個(gè)電源的低壓部分共用,采用高頻穩(wěn)壓電源,經(jīng)高電位隔離變壓器的3個(gè)隔離繞組分3路隔離輸出,經(jīng)整流濾波、穩(wěn)壓或逆變等,分別形成E1、E2、EF。其中高頻穩(wěn)壓電源工作于30 k Hz,輸出24 V的方波,穩(wěn)壓精度在1%以?xún)?nèi),既減小了高電位隔離變壓器的體積、重量 ,又為輔助電源提供了穩(wěn)定的輸入;高電位隔離變壓器既提供了地電位與EIK陰極電位的隔離,又將輔助電源分成隔離的3路。

圖6 輔助電源的實(shí)現(xiàn)

(1)開(kāi)啟電源E1

E1最高輸出為60 V,電流數(shù)十毫安,正端接陰極。由高電位隔離變壓器的一個(gè)繞組(相對(duì)于初級(jí)為升壓,變比為3),經(jīng)整流濾波后,再經(jīng)線(xiàn)性穩(wěn)壓處理,輸出在10～60 V范圍可調(diào)的穩(wěn)定電壓。

取E1的平均電流為100 m A,變壓器輸出為72 V,則E1的最大功耗為7.2 W。

(2)截止電源E2

E2最高輸出為3 500 V,電流數(shù)毫安,正端接陰極。由高電位隔離變壓器的一個(gè)繞組(相對(duì)于初級(jí)為升壓,變比為3),經(jīng)整流濾波后,采用諧振逆變變換器進(jìn)行升壓、閉環(huán)穩(wěn)壓處理,并實(shí)現(xiàn)2 800～3 500 V的調(diào)壓范圍。EIK的聚焦極與陰極間的分布電容約為150 p F,外電路的分布電容約為200 p F,則總的分布電容CKFo約為350 p F,截止電壓U按3 000 V,最大脈沖重復(fù)頻率PRF按12 k Hz計(jì)算,則E2的功率P2為

考慮效率等各種因素,取E2的功率為30 W/10 m A。

對(duì)于EIK來(lái)說(shuō),不能過(guò)寬和過(guò)工作比工作,必須在開(kāi)啟同步信號(hào)的控制下受控工作,之后要快速有效地截止,因此E2的輸出電壓必須達(dá)到額定值,如果損壞或輸出電壓下降,EIK的聚焦極將會(huì)因?yàn)檫^(guò)流而燒毀,因此要對(duì)E2的輸出電壓進(jìn)行檢測(cè)、設(shè)置欠壓保護(hù)。而E1無(wú)輸出或輸出電壓下降雖然不至于損壞EIK,但也會(huì)影響其射頻輸出信號(hào)的質(zhì)量和輸出功率,所以對(duì)E1的輸出也設(shè)置了欠壓故障保護(hù)。

(3)燈絲電源EF

燈絲電源以高頻穩(wěn)壓電源的輸出作為輸入,經(jīng)過(guò)線(xiàn)性穩(wěn)壓后,浮在陰極電位上,給EIK燈絲供電,電源的正極接到陰極,負(fù)極接到燈絲,燈絲電壓為6.5 V±0.5 V,電流約為1 A,燈絲功率約為7 W,考慮到低壓穩(wěn)壓直流電源的效率及控保電路的功耗等,燈絲電源模塊的功率按15 W設(shè)計(jì)。為了防止燈絲電源對(duì)EIK燈絲的沖擊,對(duì)燈絲電源進(jìn)行限流控制,最大電流限定值為1.2 A。燈絲電源設(shè)置輸出欠壓和過(guò)流故障保護(hù)。

2.2.3 陰極高壓電源

為使高壓電源具有快速調(diào)整能力,采用基于諧振電容電壓箝位的移相控制串聯(lián)諧振變換器[4],其電路拓?fù)淙鐖D7所示。

變換器工作在100 k Hz左右的固定工作頻率,通過(guò)調(diào)整開(kāi)關(guān)(VS1～VS4)的導(dǎo)通角,形成移相控制來(lái)實(shí)現(xiàn)電源的穩(wěn)壓,尤其是槽路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),使得在負(fù)載極輕載、超出導(dǎo)通角調(diào)整范圍時(shí),將槽路電容電壓箝位到變換器初級(jí)的電源電壓,從實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的穩(wěn)定,解決了通常的變換器此時(shí)導(dǎo)通角極窄不易控制的困難,非常適用于脈沖雷達(dá)高壓電源脈間輕載狀態(tài)的穩(wěn)壓控制;在重載時(shí)變換器又與通常的串聯(lián)諧振變換器無(wú)異,具有抗短路的能力;固定工作頻率的采用使得濾波電路的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單,只需針對(duì)單一的頻率進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖7 變換器電路圖

這種變換器以固定的開(kāi)關(guān)頻率工作,通過(guò)控制逆變開(kāi)關(guān)的相移來(lái)控制每次諧振的輸出能量,其特點(diǎn)是：高壓電源的紋波頻率固定,易于獲得良好的高壓濾波效果;單次傳輸能量可控,使得高壓紋波跳動(dòng)更為平穩(wěn),輸出電壓更穩(wěn)定;再加上對(duì)諧振電容的電壓有箝位限制,限制了最大輸出功率和電流,特別是在打火的情況下,輸出的最大能量受限。因此,這種電源不僅兼具SRC電路的特點(diǎn),易于升壓,而且輸出電壓具有更大的調(diào)整范圍、更高的調(diào)整精度,適合脈沖負(fù)載,在負(fù)載寬范圍變化(從空載到滿(mǎn)載)情況下,可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的全程控制。

高頻變壓器的初級(jí)由兩個(gè)相同的繞組串聯(lián)構(gòu)成,次級(jí)有四個(gè)相同的繞組,輸出的高頻交流經(jīng)整流后串聯(lián)疊加[5],逆變器典型的電流波形(初級(jí))如圖8所示。

圖8 初級(jí)工作電流波形

3 研制結(jié)果

利用EIK所研制的W波段發(fā)射機(jī)已用于民用測(cè)云雷達(dá),經(jīng)測(cè)試其脈沖輸出功率達(dá)到1.5 kW,可在要求的重頻和脈寬條件下工作,頻譜對(duì)稱(chēng)、光滑、零點(diǎn)清晰,經(jīng)測(cè)試0.3μs脈寬的射頻包絡(luò)如圖9所示,1.5μs脈寬射頻的頻譜如圖10所示。

圖9 0.3μs射頻包絡(luò)

圖10 射頻頻譜

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著技術(shù)的發(fā)展,W波段毫米波技術(shù)正從研究階段邁向?qū)嵱秒A段,各國(guó)紛紛在通信、主動(dòng)拒止武器、大氣探測(cè)和近距離物體分析等領(lǐng)域采用W波段毫米波技術(shù),該W波段發(fā)射機(jī)的研制成功,為我國(guó)云目標(biāo)探測(cè)和大氣科學(xué)研究等工作提供了更加有效的新手段。

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