脈寬可編程氣象雷達(dá)發(fā)射機(jī)

唐春雷 郎 杰

（桂林長海發(fā)展有限責(zé)任公司，廣西 桂林 541001）

脈寬可編程氣象雷達(dá)發(fā)射機(jī)

唐春雷 郎 杰

（桂林長海發(fā)展有限責(zé)任公司，廣西 桂林 541001）

介紹國內(nèi)一種脈寬可編程的中頻相參多普勒天氣雷達(dá)磁控管發(fā)射機(jī)。發(fā)射機(jī)采用IGBT固態(tài)剛性調(diào)制技術(shù)，采用起始脈沖和截尾脈沖控制IGBT開關(guān)組件產(chǎn)生磁控管陰極負(fù)高壓。與人工線產(chǎn)生陰極高壓和脈沖寬度的軟性調(diào)制相比，發(fā)射機(jī)省去了人工線，脈寬轉(zhuǎn)換高壓繼電器及浸泡人工線的油箱。發(fā)射機(jī)具有體積小、重量輕、可靠性高、維護(hù)成本低、發(fā)射脈沖寬度可靈活調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)。

固態(tài)剛性調(diào)制；IGBT；磁控管

1 引言

隨著氣象雷達(dá)精細(xì)化探測業(yè)務(wù)的發(fā)展，需要多普勒天氣雷達(dá)采用DPRF、APRF，3/2、4/3、5/4多種重頻、脈寬模式對氣象目標(biāo)進(jìn)行探測。

在現(xiàn)有的磁控管氣象雷達(dá)發(fā)射機(jī)中設(shè)計方案中，典型的方法是采用人工線、脈寬轉(zhuǎn)換高壓繼電器及浸泡人工線的油箱進(jìn)行設(shè)計。這種方法是發(fā)射機(jī)體積比較大，重量比較重。這樣磁控管發(fā)射機(jī)將大大增加設(shè)備的功耗、體積和重量，另外磁控管轉(zhuǎn)換脈寬、重頻時需先關(guān)斷高壓，再通過控制高壓繼電器轉(zhuǎn)換人工線來轉(zhuǎn)換脈寬。這樣氣象雷達(dá)采用不同的工作模式（需要不同的重頻和脈寬）完成一個體掃掃描需要較長的時間，不利于一個快速變化的氣象過程的觀測。特別對于體積、重量受限的移動式氣象雷達(dá)而言，設(shè)備的小型化是設(shè)計師比較關(guān)心的問題。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

磁控管發(fā)射機(jī)主要由磁控管、高壓電源、調(diào)制器、燈絲電源、故障監(jiān)測及控制保護(hù)電路等組成。

對于磁控管發(fā)射機(jī)而言，主要是調(diào)制器、高壓電源，特別是調(diào)制器的設(shè)計。

考慮到雷達(dá)發(fā)射機(jī)的多重頻和脈寬及實(shí)時在線切換工作模式。也考慮到作為經(jīng)典設(shè)計中用作開關(guān)管的閘流管工作時間壽命較短，雷達(dá)大都24小時連續(xù)工作，需要經(jīng)常更換壽命到期的閘流管。為考慮到給用戶減輕使用成本。因此調(diào)制器采用IGBT固態(tài)剛性調(diào)制技術(shù)，該技術(shù)主要是采用起始脈沖和截尾脈沖控制IGBT開關(guān)組件產(chǎn)生磁控管陰極負(fù)高壓。由于采用陰極調(diào)制，要求IGBT的開關(guān)電流大、速度快。

其組成框圖如圖1所示：

圖1　發(fā)射機(jī)系統(tǒng)組成框圖

2.1高壓電源

圖 2是高壓電源原理框圖。逆變器主回路是高壓電源的核心。220V/50Hz交流電壓經(jīng)整流濾波后變?yōu)榧s300V的直流電壓，逆變器主回路是半橋串聯(lián)諧振逆變器，在控制電路的控制下，變成約20kHz的高頻交流信號，該交流信號經(jīng)高頻高壓變壓器的升壓為20kHz的高壓高頻交流信號，整流濾波后輸出約1kV的直流高壓。

圖2　高壓電源原理框圖

整流濾波采樣電路采樣高壓電源的輸出直流高壓，當(dāng)輸入電網(wǎng)電壓或負(fù)載變化時，高壓電源輸出就會發(fā)生變化，相應(yīng)地，送入控制電路的采樣電壓也會變化，控制電路中比較器比較取樣電壓與基準(zhǔn)電壓，所得誤差電壓經(jīng)放大后去調(diào)節(jié)頻率控制器的觸發(fā)頻率，該信號經(jīng)驅(qū)動器控制逆變器主回路，主回路開關(guān)頻率決定了輸出電壓幅度，達(dá)到穩(wěn)壓的目的?？刂齐娐吩砜驁D見圖3。

圖3　控制電路原理框圖

控制電路同時檢測高壓電源的輸出電流，一旦發(fā)生故障，出現(xiàn)過流現(xiàn)象，保護(hù)電路立即實(shí)行故障保護(hù)。

2.2脈沖調(diào)制器

脈沖調(diào)制器的主要功能是產(chǎn)生一個符合磁控管工作的10kV/20A的高壓脈沖，對磁控管進(jìn)行脈沖調(diào)制，使磁控管產(chǎn)生高頻振蕩。

圖 4是脈沖調(diào)制組合工作原理框圖。在控制電路的控制下，1kV高壓電源通過大功率IGBT開關(guān)管產(chǎn)生一個約1kV的高壓脈沖，該高壓脈沖經(jīng)高壓脈沖變壓器的提升，輸出一個約 10kV的高壓脈沖?？紤]到開關(guān)管必須有較高的速度特性、耐壓特性，我們選用電流型IGBT組件作為開關(guān)管。脈沖變壓器則必須有較低的分布電容和漏感。

圖4　調(diào)制器原理框圖

2.3故障監(jiān)測、控制保護(hù)電路

由于發(fā)射機(jī)磁控管工作在大電流、負(fù)高壓狀態(tài)，因此需要對操作者人身安全保護(hù)及設(shè)備保護(hù)。

因此對磁控管的燈絲電流、磁控管電流、磁控管高壓、磁控管工作比、高壓電流、門開關(guān)進(jìn)行監(jiān)測，保證磁控管正常工作所需條件不能滿足時，切斷調(diào)制脈沖驅(qū)動電路，切斷高壓。保護(hù)設(shè)備及設(shè)備安全。

3 結(jié)論

該發(fā)射機(jī)主要用于713系列X波段中頻參多普勒天氣雷達(dá)，具有較高的動目標(biāo)改善因子、較好的波形適應(yīng)性，具有體積少、重量輕，不用更換工作時間為幾百小時壽命的閘流管。雷達(dá)具有很高的可靠性、穩(wěn)定性，大大減輕了用戶的維護(hù)費(fèi)用及時間，獲得用戶的肯定。

Pulse programming weather radar transmitter

Coherent Doppler weather radar medium frequency magnetron transmitter introduces a programmable pulse width. Using IGBT solid state transmitter of rigid modulation technology, adopting the initial pulse and the truncated IGBT pulse control switch components to produce the magnetron cathode negative high voltage. Compared with the soft modulation of cathode of high voltage and pulse width and artificial lines, eliminating the need for manual line transmitter, pulse width conversion high voltage relay and immersion of the artificial line tank. The transmitter has the advantages of small volume, light weight, high reliability, low maintenance cost, emission pulse width can be adjusted flexibly, etc..

Solid rigid modulation; IGBT; magnetron

TN83

A

1008-1151(2015)04-0077-02

2015-03-11

唐春雷（1969-），男，桂林長海發(fā)展有限責(zé)任公司工程師，從事氣象雷達(dá)研發(fā)。