新一代高功率發(fā)射機(jī)的研制

楊景紅，戴廣明，何秀華，湯長(zhǎng)嶺

(南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

雷達(dá)發(fā)射機(jī)是雷達(dá)系統(tǒng)的重要組成部分，發(fā)射機(jī)性能的好壞直接影響雷達(dá)的性能和質(zhì)量［1］?，F(xiàn)代雷達(dá)不僅要求發(fā)射機(jī)功率大、可靠性高，還要求發(fā)射機(jī)必須滿足多種平臺(tái)的不同技術(shù)和環(huán)境要求［2-3］。因此，研制的新一代高功率發(fā)射機(jī)，關(guān)鍵是要體積小、機(jī)動(dòng)性好、效率高，并且可以滿足雷達(dá)信號(hào)形式多變和實(shí)時(shí)切換的要求［4］。

為滿足現(xiàn)代雷達(dá)要求，基于新技術(shù)和新器件，本文介紹了采用模塊化全開關(guān)高壓電源、新體制的固態(tài)剛管調(diào)制器和一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新一代高功率發(fā)射機(jī)。

1 系統(tǒng)組成

本文發(fā)射機(jī)采用主振放大體制，滿足全相參雷達(dá)要求。高頻放大鏈采用兩級(jí)放大，前級(jí)采用固態(tài)放大器，末級(jí)采用高功率單注速調(diào)管。發(fā)射機(jī)系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 發(fā)射機(jī)系統(tǒng)組成框圖

發(fā)射機(jī)主要組成部分包括控制保護(hù)電路、前級(jí)放大器、高壓電源、固態(tài)調(diào)制器、磁場(chǎng)電源、反線包電源、燈絲電源、觸發(fā)器、去磁電源、鈦泵電源、電弧反射保護(hù)電路，以及高壓油箱中的升壓整流濾波組件、脈沖變壓器等。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 模塊化高壓電源

高壓電源是高功率雷達(dá)發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵部分［5］。全開關(guān)高壓電源技術(shù)是發(fā)射機(jī)小型化、輕型化的重要因素，也是衡量發(fā)射機(jī)先進(jìn)性的重要指標(biāo)［6］?？紤]速調(diào)管、調(diào)制器以及脈沖變壓器的工作參數(shù)和效率，高壓電源的主要技術(shù)指標(biāo)如下:

(1)輸出電壓:0 kV～2 kV(連續(xù)可調(diào));

(2)功率:≥12 kW;

(3)電源紋波:優(yōu)于1×10-3;

(4)穩(wěn)定度(6 h):優(yōu)于1 ×10-2。

高壓電源采用相移式模塊化高壓電源方案。高壓電源主要包括軟啟動(dòng)電路、諧振變換器、控制電路、故障檢測(cè)保護(hù)電路、高頻升壓整流組件等。高壓電源原理如圖2所示。

圖2 高壓電源原理圖

高壓電源的諧振變換器采用串聯(lián)諧振全橋變換器，可提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和效率，工作穩(wěn)定可靠。高頻升壓整流組件由升壓變壓器和高壓整流硅堆組成，可以將諧振變換器輸出的高頻低壓升壓整流為直流高壓。高頻升壓整流組件采用集成化設(shè)計(jì)，可有效減小引線分布參數(shù)的影響及設(shè)備體積。高壓取樣電路對(duì)電源的輸出實(shí)時(shí)采樣，供控制電路完成對(duì)輸出電壓的調(diào)整和故障保護(hù)。

高壓電源采用單個(gè)變換器推動(dòng)單個(gè)高頻升壓整流組件的方式。通過多個(gè)變換器和高頻升壓整流組件的組合，同時(shí)將高頻升壓整流組件次級(jí)串聯(lián)，即可實(shí)現(xiàn)不同功率和電壓等級(jí)的高壓電源，這樣可以適應(yīng)不同的發(fā)射機(jī)功率等級(jí)要求，并且有利于變換器和高頻升壓整流組件的模塊化設(shè)計(jì)。

高壓電源采用集中驅(qū)動(dòng)的方式，由集中控制器統(tǒng)一產(chǎn)生變換器所需的4路功率驅(qū)動(dòng)脈沖，利用無源驅(qū)動(dòng)技術(shù)，耦合到變換器的4個(gè)橋臂上。驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)采用了功率信號(hào)傳輸，有效地抑制了干擾信號(hào)，提高了控制電路的可靠性，使得整個(gè)高壓電源的可靠性大大提高。

高壓電源采用無源驅(qū)動(dòng)及全開關(guān)諧振變換等技術(shù)設(shè)計(jì)，控制精度高，可實(shí)現(xiàn)多路動(dòng)態(tài)控制，并且基于一推一方式，大大提高了高壓電源的模塊化和組合化;采用集成化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，體積小，機(jī)動(dòng)性和環(huán)境適應(yīng)性好;采用基于電磁耦合的無源驅(qū)動(dòng)技術(shù)，提高了電源的可靠性和維修性。

2.2 新體制固態(tài)剛管調(diào)制器

脈沖調(diào)制器為發(fā)射機(jī)的射頻放大管提供合乎性能要求的視頻調(diào)制脈沖，它在很大程度上決定了發(fā)射機(jī)輸出的射頻脈沖質(zhì)量［7］。同時(shí)，脈沖調(diào)制器的體積、效率、可靠性都直接影響發(fā)射機(jī)系統(tǒng)甚至雷達(dá)系統(tǒng)的性能［8］。因此，體積小、效率高、壽命長(zhǎng)的脈沖調(diào)制器是新一代高功率發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一［9］。

高功率MW級(jí)發(fā)射機(jī)使用的單注速調(diào)管工作電壓一般為幾十kV，工作電流一般為幾十A。雷達(dá)要求工作波形最寬8.5 μs，重復(fù)頻率最高達(dá)1 218 Hz。調(diào)制器主要技術(shù)指標(biāo)如以下四點(diǎn)。

(1)輸出電壓:≥80 kV;

(2)輸出電流:≥50 A;

(3)脈沖寬度:10 μs內(nèi)可調(diào)(平頂最寬 9 μs);

(4)重復(fù)頻率:最高1 218 Hz。

新體制全固態(tài)剛管調(diào)制器采用單個(gè)固態(tài)開關(guān)，驅(qū)動(dòng)1∶40的脈沖變壓器。脈沖變壓器初級(jí)有10個(gè)繞組，10個(gè)繞組并聯(lián)使用。調(diào)制器電路如圖3所示。

圖3 調(diào)制器電路圖

圖3中，E1為高壓電源，L1為充電電感，T1為脈沖變壓器，V1為固態(tài)開關(guān)IGBT，C1為儲(chǔ)能電容，RL與D2為模擬調(diào)制器負(fù)載。T1右側(cè)為高壓部分，放置在油箱中。T1左側(cè)最高電壓不超過3 kV，因此可以方便地做成模塊化組件。

組件的核心是高電壓、大電流IGBT模塊。組件電路中，D1、R1與C2組成緩沖吸收電路，與開關(guān)管并聯(lián)，用于吸收脈沖變壓器漏感和主功率回路分布電感引起的尖峰電壓，保護(hù)開關(guān)管。緩沖吸收電路的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，既要降低IGBT關(guān)斷時(shí)的CE兩端的反峰電壓，又要減小IGBT導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的損耗。負(fù)載發(fā)生短路時(shí)，調(diào)制器開關(guān)IGBT的集電極電流迅速增大并超過其額定工作值。因此，調(diào)制器的保護(hù)電路從過電流檢出到IGBT關(guān)斷結(jié)束的延遲時(shí)間，要盡可能的短。為此，調(diào)制器進(jìn)行打火保護(hù)試驗(yàn)，打火時(shí)，調(diào)制器的保護(hù)電路在2.8 μs內(nèi)關(guān)斷IGBT的觸發(fā)信號(hào)，有效保護(hù)了調(diào)制器。

研制的新體制全固態(tài)剛管調(diào)制器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕，適合各種平臺(tái)使用;脈沖變壓器采用多個(gè)初級(jí)繞組并聯(lián);同時(shí)，組件的主功率回路元器件很少，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，極大地降低了調(diào)制器的分布參數(shù)，有效提高了調(diào)制器的輸出波形質(zhì)量，調(diào)制器的效率較高。

2.3 一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用新體制全固態(tài)剛管調(diào)制器后，調(diào)制器的初級(jí)電壓和高壓電源的輸出電壓很低，二者很容易實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì);同時(shí)，高壓電源采用組合化設(shè)計(jì)，高頻升壓整流組件采用集成化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，體積較小。為此，發(fā)射機(jī)采用了一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將脈沖變壓器、高壓電源的高頻升壓整流組件、儲(chǔ)能電容以及燈絲電源的整流濾波組件全部放在高壓油箱中，并將調(diào)制器與高壓油箱設(shè)計(jì)為一體，如圖4所示。

圖4 一體化結(jié)構(gòu)示意圖

一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將發(fā)射機(jī)的高壓部分全部置于高壓油箱中，首先降低了高壓絕緣耐壓設(shè)計(jì)的難度，還有利于高功率器件的散熱;其次，使得高壓大電流連接線路很短，減小了分布參數(shù)，改善了調(diào)制器的輸出波形，提高了發(fā)射機(jī)的性能;第三，將高壓部分都放在油箱中，提高了安全性、電磁兼容性和環(huán)境適應(yīng)性;第四，調(diào)制器位于油箱外部，方便后期的維護(hù)與維修。

3 結(jié)束語

發(fā)射機(jī)采用模塊化高壓電源技術(shù)，提高了可靠性和維修性，方便系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)組合化和模塊化;采用新體制固態(tài)剛管調(diào)制器技術(shù)，減小了體積，提高了效率，并滿足雷達(dá)信號(hào)形式多變和實(shí)時(shí)切換的需求;采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了發(fā)射機(jī)的安全性、電磁兼容性和環(huán)境適應(yīng)性，同時(shí)也明顯提升了整機(jī)性能。

新一代高功率發(fā)射機(jī)采用模塊化和組合化設(shè)計(jì)，踐行了高功率發(fā)射機(jī)的“三化”設(shè)計(jì)理念，可擴(kuò)展性強(qiáng);同時(shí)，提高了高功率發(fā)射機(jī)的可靠性和維修性，體積小、效率高，可適應(yīng)多種工作平臺(tái)，在工程應(yīng)用中有很好的推廣價(jià)值。

［1］ 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，2006.Zheng Xin，Li Wenhui，Pan Houzhong，et al.Technology of radar transmitter［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2006.

［2］劉 超，楊景紅，錢 錳.新型S波段高功率發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)［J］.微波學(xué)報(bào)，2010，26(6):71-74.Liu Chao，Yang Jinghong，Qian Meng.Design of a novel S band high power klystron transmitter［J］.Journal of Microwaves，2010，26(6):71-74.

［3］劉 超，楊 明，戴廣明，等.新一代高壓大功率緊湊型發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2014，36(7):65-67，72.Liu Chao，Yang Ming，Dai Guangming，et al.Integrative design of a novel compact high power klystron transmitter［J］.Modern Radar，2014，36(7):65-67，72.

［4］戴廣明.大功率雷達(dá)發(fā)射機(jī)的“三化”研究［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2011，33(11):1-5.Dai Guangming.A study on universalization serialization and modularization of high power radar transmitter［J］.Modern Radar，2011，33(11):1-5.

［5］戴廣明，田 為，黃 軍，等.電流耦合型高壓開關(guān)電源［J］. 電力電子技術(shù)，2007，41(4):71-73.Dai Guangming，Tian Wei，Huang Jun，et al.Current-coupling high voltage switching power supply［J］.Power Electronics，2007，41(4):71-73.

［6］戴廣明，田 為，黃 軍，等.基于新型DSP的高壓開關(guān)電源［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2009，31(2):85-88.Dai Guangming，Tian Wei，Huang Jun，et al.Development of a new high voltage switching power supply based on DSP［J］.Modern Radar，2009，31(2):85-88.

［7］魏 智.發(fā)射機(jī)高壓脈沖調(diào)制器的設(shè)計(jì)與實(shí)踐［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.Wei Zhi.Design and practice of transmitter high voltage pulse modulator［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2009.

［8］Gaudreau M，Casey J，Brown P，et al.High performance，solid-state high voltage radar modulators［C］//2005 IEEE Pulsed Power Conference.Monterey，CA:IEEE Press，2005:839-842.

［9］Brown P D，Casey J A，Mulvaney J M，et al.Improvements in radar transmitter performance and reliability using high voltage solid-state modulators and power supplies［C］//Proceedings of the 2002 IEEE Radar Conference.Bedford，MA:IEEE Press，2002:113-120.