一種Ka波段行波管發(fā)射機的設(shè)計

張 彥，胡 平

（船舶重工集團公司723所，揚州225001）

0 引 言

近年來，由于毫米波技術(shù)在多個方面取得了重大進展，毫米波雷達進入了新的應用階段。毫米波雷達具有厘米波段全天候的特點，又具有紅外波段高分辨力的優(yōu)點。而Ka波段是毫米波中大氣衰減相對較小的窗口頻段，且相關(guān)Ka波段元器件技術(shù)相對較為成熟。Ka波段雷達具有波束窄、方向性好、分辨力高、抑制海雜波干擾和多路徑干擾能力強、跟蹤精度高、多普勒頻帶寬、體積小、重量輕等優(yōu)點?；贙a波段的眾多優(yōu)點，其在現(xiàn)今的許多近程精密跟蹤雷達系統(tǒng)中得到應用，尤其在艦載跟蹤雷達系統(tǒng)中，用以對付低空反艦導彈等目標的威脅，有效提高了艦船的生存能力。

當然Ka波段雷達也有著不足，主要是傳輸損耗較大，減小了其有效作用距離。因此在Ka波段精密跟蹤雷達系統(tǒng)中，通常采用發(fā)射機和天線一體化的設(shè)計方法來盡量減小微波傳輸損耗，這就對發(fā)射機的體積、重量、可維修性和適裝性提出了很高要求。在本發(fā)射機中采用了發(fā)射機模塊化設(shè)計，基本上分為低壓模塊和高壓模塊，并對高壓模塊進行了高壓絕緣處理，使之能夠直接對地安裝。下面將詳細描述本發(fā)射機的設(shè)計方法，并給出在系統(tǒng)應用條件下的部分測試結(jié)果。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 發(fā)射機主要技術(shù)指標和系統(tǒng)框圖

發(fā)射機主要技術(shù)指標如表1所示。

表1 發(fā)射機主要技術(shù)指標

發(fā)射機采用由前級場效應放大器和末級行波管放大器串聯(lián)構(gòu)成的二級放大鏈體制，來自信號源的Ka波段小功率射頻信號經(jīng)由場效應放大器放大后，為末級行波管提供約20dBm的射頻激勵信號，再由行波管放大器放大至約60dBm輸出。圖1為發(fā)射機構(gòu)成的基本框圖。

圖1 發(fā)射機基本框圖

1.2 理論設(shè)計

1.2.1 輸入功率和功耗的計算與分配

高壓電源效率為η1（約85%），行波管工作效率為η2（約20%），而行波管輸出最大平均功率為1kW×10%＝100W，則發(fā)射機的輸入功率Pin＝100÷（η1×η2）（約為625W），電源功耗＝Pin×（1－η1）（約125W），行波管耗散＝Pin×η1×（1－η2）（約400W）。

1.2.2 穩(wěn)定性指標的計算與分配

在選定行波管之后，還要依據(jù)雷達系統(tǒng)對發(fā)射機改善因子的要求，并結(jié)合行波管的性能參數(shù)，計算行波管各級電壓的紋波和穩(wěn)定度。因為陰極同步電壓對發(fā)射機輸出射頻信號的相位調(diào)制影響最大，所以僅計算對陰極電壓的紋波要求。

系統(tǒng)要求發(fā)射機達到45dB的改善因子，則對陰極電壓的紋波要求為：I＝20lg（1／Δφ），可計算出允許的最大相位變化為 Δφ＝57.3°×10－45／20＝0.322°。

再參照行波管的各電極相位調(diào)制靈敏度（°／V），可計算出各電極電壓的紋波。典型的Ka波段行波管陰極電壓相位調(diào)制靈敏度為1.2°／V，則紋波系數(shù)應小于3×10－5；收集極電壓紋波系數(shù)比陰極電壓低約一個數(shù)量級，取8×10－3；而燈絲電源的紋波系數(shù)可取1×10－3［1］。

2 電源設(shè)計

2.1 高壓電源

為了滿足雷達系統(tǒng)對發(fā)射機的體積要求，高壓電源采用串聯(lián)供電形式，即行波管的陰極同步電壓由收集極電源和補充電源串聯(lián)組成。2組電源由一公用逆變器變換得到，這種設(shè)計不僅可以減小發(fā)射機體積，還可以使高壓取樣電路得到簡化。高壓電源電路框圖如圖2所示。

由于收集極電源不穩(wěn)壓，當工作比變化范圍較寬時，收集極電壓將會有一定變化，但通過電源系統(tǒng)的精確計算，精心設(shè)計好變壓器，就能保證收集極電壓工作在行波管可承受的正常范圍內(nèi)。這樣設(shè)計只會影響到整機工作效率，而不會影響系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

功率變換器采用改進型Buck全橋拓撲，通過全橋變換器驅(qū)動高頻變壓器，而高壓穩(wěn)壓由Buck調(diào)整器完成。主功率變換器采用電流饋電模式，它有許多優(yōu)點：開關(guān)損耗小，電源效率高；在變壓器次級短路（即行波管打火）時，能有效抑制電流輸出，保證開關(guān)管不損壞［2］。

圖2 高壓電源框圖

2.2 高壓隔離組件

高壓隔離組件主要由燈絲電源、柵極電源、負偏電源和柵極調(diào)制器組成。

行波管燈絲電源采用限流、穩(wěn)壓工作模式，電路形式采用了推挽拓撲，并用電壓和電流取樣實現(xiàn)雙閉環(huán)調(diào)整。脈沖電源同樣采用推挽拓撲，并進行閉環(huán)調(diào)節(jié)，以獲得較好的電壓穩(wěn)定度和較低的紋波，有效提高了行波管的工作穩(wěn)定度。負偏電源是保證行波管在脈沖間隔期間的電子注完全截止，對紋波及穩(wěn)定度要求不高，對其進行簡單的高頻升壓后整流濾波處理。同時為保證行波管在脈沖間隙能可靠截止，對負偏電源進行實時監(jiān)控，實現(xiàn)欠壓保護。

調(diào)制器采用浮動板調(diào)制器，且工作在推挽饋電模式，這樣設(shè)計有以下優(yōu)點：便于獲得很好的脈沖波形，容易實現(xiàn)脈寬及重頻的快速變化；分布參數(shù)引起的振蕩減小，從而降低了對行波管的影響，有利于降低輸出噪聲。浮動板調(diào)制器基本框圖如圖3所示。

圖3 高壓隔離組件基本框圖

脈沖電源Ug為200V，而負偏電源－Eg為－700V，且考慮到分布參數(shù)引起的振蕩尖峰，則開關(guān)管的耐壓應大于1 200V。由于高壓的MOS管較少，選用耐壓較高的絕緣柵型雙極晶體管（IGBT）。為實現(xiàn)脈寬和重頻的寬范圍調(diào)節(jié)，在低壓側(cè)對同步脈沖進行高頻調(diào)制，再由脈沖隔離變壓器傳輸至高壓浮動板，后由前后沿分離電路產(chǎn)生PLS ON和PLS OFF，分別觸發(fā)開通管V1和截尾管V2，而產(chǎn)生調(diào)制脈沖輸出。在脈沖截止期間，由于電阻R1的存在而使柵極處在負偏壓電位上。R2、VE1、R3及C1構(gòu)成的柵極輸出和保護電路，將對柵極發(fā)生打火情形提供行之有效的保護。

經(jīng)過測試，調(diào)制器的前沿小于40ns，后沿小于50ns；在脈寬和重頻寬范圍工作時，調(diào)制器工作可靠穩(wěn)定；對調(diào)制器進行模擬打火實驗，調(diào)制器能有效保護，工作正常。

2.3 控保電路

控保電路主要是完成高壓電源的穩(wěn)壓控制、發(fā)射機行波管的加電及斷電次序控制；而接口電路是對發(fā)射機的工作狀態(tài)進行監(jiān)控和指示，對各種故障進行定位，并與主控臺進行通信。由于負載失配、駐波過大、過熱等因素導致的行波管工作電壓的不穩(wěn)定，將會對行波管造成不可挽救的損壞。對行波管各級電流采用電流互感器取樣，送至比較電路，一旦出現(xiàn)過流現(xiàn)象，比較器立刻翻轉(zhuǎn)，給出故障信號。由于所有故障均已被邏輯 “或”進高壓聯(lián)保電路中，此刻會快速切斷電源的驅(qū)動脈沖。同時接口電路會將故障狀態(tài)傳輸至單片機，單片機會根據(jù)故障狀態(tài)，作出相應動作，并通過串口傳輸至主控臺。

在發(fā)射機高脈沖電壓和強脈沖電流的復雜電磁干擾環(huán)境中，采取了浮動接地技術(shù)、光電隔離技術(shù)和電磁屏蔽技術(shù)，以確?？乇Ｏ到y(tǒng)的穩(wěn)定、可靠。

3 高頻系統(tǒng)設(shè)計

由于Ka波段行波管相對帶寬較寬，極容易造成發(fā)射機自激，從而導致系統(tǒng)工作的不穩(wěn)定，甚至引起場效應放大器及行波管的損壞。本設(shè)計通過在行波管輸入級采用26.5～40GHz的小功率寬帶隔離器和中功率寬帶三端環(huán)行器串聯(lián)連接，以及輸出端采用寬帶雙定向耦合器和寬帶大功率四端環(huán)行器串聯(lián)連接的措施，有效抑制行波管輸入級出現(xiàn)的異常對前級場效應放大器的影響。雙定向耦合器的作用是為了對發(fā)射機輸出功率和負載匹配狀態(tài)進行實時監(jiān)控，其輸出通過檢波放大送入控制和保護電路。寬帶大功率四端環(huán)行器能夠在負載匹配不佳（如駐波過大）的情況下保證行波管的可靠工作。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于系統(tǒng)對發(fā)射機的體積和重量要求，對發(fā)射機的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了很高要求。高壓模塊體積僅為0.06m3（0.2m×0.2m×0.15m），而該行波管工作電壓高達25kV，為避免高壓元器件的高壓擊穿現(xiàn)象，同時為了滿足整機的抗振動要求，需對高壓電源模塊加以密封，以提高其在惡劣環(huán)境下工作的可靠性。為此在設(shè)計中采取了如下一些措施：對高壓模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，應用新型灌封材料（RTVS187硅橡膠）和灌封工藝（先將元器件表面涂覆底膠，再多次分批灌封，徹底排空氣泡），解決了高壓模塊的小型化和高壓絕緣問題；對低壓模塊內(nèi)單元電路進行優(yōu)化設(shè)計，通過合理布局，提高了安裝密度，解決了小型化設(shè)計中的散熱和電磁兼容問題［3］。

5 實測結(jié)果和結(jié)論

在系統(tǒng)配合下的應用測試，本發(fā)射機工作穩(wěn)定，性能可靠。在低氣壓密閉條件下，未出現(xiàn)高壓元器件電暈現(xiàn)象，各模塊溫度均在設(shè)計安全范圍內(nèi)。經(jīng)測算，整機效率η＞15%，動態(tài)改善因子Ι＞45dB。

Ka波段發(fā)射機設(shè)計中，經(jīng)過電路結(jié)構(gòu)和工藝等方面的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了Ka波段發(fā)射機小型化、高可靠性的目標，為Ka波段發(fā)射機的逐步推廣應用提供了保證。

［1］鄭新，李文輝，潘厚忠.雷達發(fā)射機技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

［2］張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計［M］.北京：電子工業(yè)出版社，1999.

［3］白穎.某機載雷達發(fā)射機的高壓絕緣設(shè)計［J］.火控雷達技術(shù)，2003，32（4）：64－66.