W波段大功率回旋行波管發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)研究

馬秀衛(wèi)，竇好剛

(中國(guó)電子集團(tuán)公司第十四研究所，南京 210039)

W波段大功率回旋行波管發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)研究

馬秀衛(wèi)，竇好剛

(中國(guó)電子集團(tuán)公司第十四研究所，南京 210039)

介紹了國(guó)內(nèi)首臺(tái)W波段大功率回旋行波管發(fā)射機(jī)的系統(tǒng)組成和關(guān)鍵技術(shù)，闡述了高壓電源、固態(tài)調(diào)制器、超導(dǎo)磁場(chǎng)技術(shù)、控制保護(hù)技術(shù)等基本原理和設(shè)計(jì)方法，給出了結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)難點(diǎn)和解決方法。測(cè)試結(jié)果表明，該發(fā)射機(jī)性能穩(wěn)定，指標(biāo)符合要求。最后對(duì)未來重點(diǎn)研究方向作了展望。

回旋行波管；高壓電源；固態(tài)調(diào)制器；控制保護(hù)；一體化設(shè)計(jì)

Abstract: The system composition and the key technologies of the first domestic W-band high-power gyro-TWT transmitter are introduced. The basic principles and the design methods of the high-voltage power supply, the solid-state modulator, the superconducting magnetic field technology, and control and protection technology are described, and the difficulties and solutions of the structural integration design are discussed. The test results show that the transmitter features stable performance and its specifications meet the requirements. Finally, the future research directions are prospected.

Keywords: gyro-TWT; high-voltage power supply; solid-state modulator; control and protection; integrated design

0 引 言

毫米波雷達(dá)具有波束窄、工作頻帶寬、距離和多普勒分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在深空探測(cè)、衛(wèi)星編目、目標(biāo)識(shí)別與成像領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。[1]隨著數(shù)據(jù)測(cè)量精度及測(cè)量成像質(zhì)量要求的進(jìn)一步提高，對(duì)雷達(dá)選用的頻段提出了更高的要求。[2]同時(shí)，新一代雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)系統(tǒng)對(duì)微波功率源工作頻率、帶寬、輸出功率提出了更高的要求。近年來，更高頻段回旋行波管等微波器件的研制取得了突破進(jìn)展[3-4]，達(dá)到了國(guó)外同等水平。本文介紹的國(guó)內(nèi)首臺(tái)W波段大功率回旋行波管發(fā)射機(jī)采用的是國(guó)內(nèi)最新研制的W波段回旋行波管。

1 發(fā)射機(jī)組成

發(fā)射機(jī)系統(tǒng)主要由控保電路、燈絲電源、鈦泵電源、超導(dǎo)磁體和磁場(chǎng)電源、固態(tài)調(diào)制器、冷卻系統(tǒng)和高壓電源等組成。組成框圖見圖1所示。發(fā)射機(jī)主要采用主振放大模式。高頻放大鏈路前級(jí)采用固態(tài)放大器，末級(jí)采用W波段回旋行波管放大器。

2 核心部件——W波段回旋行波管

W波段回旋行波管是毫米波雷達(dá)發(fā)射機(jī)功率放大器非常有吸引力的候選器件。在回旋行波管中，利用非諧振高頻結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生行波互作用，采用浸沒在軸向磁場(chǎng)中的螺旋電子注，行波由輸入耦合器耦合到互作用區(qū)間，行波需要和旋轉(zhuǎn)電子保持軸向相位同步?；匦胁ü苡纱趴刈⑷腚娮訕尅⑤斎腭詈掀?、駐波高頻互作用結(jié)構(gòu)、輸出漸變段、收集極和輸出窗組成，其組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 發(fā)射機(jī)組成框圖

圖2 W波段回旋行波管結(jié)構(gòu)圖

W波段回旋行波管的主要特點(diǎn)有：

(1) 工作在較高的調(diào)制電壓下，對(duì)調(diào)制脈沖的波形質(zhì)量要求高；

(2) 比速調(diào)管多一個(gè)陽極，和調(diào)制電壓成固定比例關(guān)系，一般由陰極高壓電阻分壓得到；

(3) 頻率高，尺寸小，工作參數(shù)精度和安裝精度要求高。

3 發(fā)射機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 全開關(guān)高壓電源技術(shù)[5]

高壓電源是高功率雷達(dá)發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵部分。全開關(guān)高壓電源技術(shù)是發(fā)射機(jī)小型化、輕量化、集成化的重要因素，也是衡量發(fā)射機(jī)先進(jìn)性的重要指標(biāo)。

經(jīng)過幾年的技術(shù)公關(guān)，研制出了高壓大功率高頻升壓整流組件。該組件的輸入輸出隔離電壓達(dá)150 kV，每個(gè)組件功率輸出能力達(dá)20 kW。通過高頻逆變器和多個(gè)升壓整流組件的組合可以實(shí)現(xiàn)不同電壓等級(jí)且滿足大功率輸出的全開關(guān)高壓電源。該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)電路、高壓升壓整流組件等。高壓電源組成框圖大致如圖3所示，3個(gè)逆變器推6個(gè)高頻升壓整流組件。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)。高壓整流組件和取樣電路放在高壓油箱內(nèi)，體積大大減小，解決了高壓耐壓?jiǎn)栴}。

圖3 高壓電源原理框圖

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。

3.2 全固態(tài)調(diào)制器

調(diào)制器的性能和可靠性直接決定發(fā)射機(jī)的性能指標(biāo)和可靠性。本機(jī)采用全固態(tài)調(diào)制器[6-7]，主要性能指標(biāo)為：調(diào)制電壓最高100 kV，調(diào)制電流大于等于40 A，調(diào)制頂降小于5%，工作比大于6%。固態(tài)調(diào)制器原理圖如圖4所示。

調(diào)制器工作電壓高達(dá)100 kV，采用多個(gè)IGBT串聯(lián)方式提高開關(guān)組件的耐壓能力。圖4中均壓網(wǎng)絡(luò)具有靜態(tài)、動(dòng)態(tài)均壓功能，使每只IGBT管承受的電壓均勻，避免單只IGBT管過壓損壞。采用多個(gè)IGBT管并聯(lián)可以提高調(diào)制器的承受電流沖擊的能力。特別是在負(fù)載打火時(shí)，采用多管并聯(lián)冗余設(shè)計(jì)，避免IGBT因過流沖擊而損壞。圖中M1…Mn是IGBT通過串并聯(lián)技術(shù)設(shè)計(jì)的調(diào)制開關(guān)組件。所有組件通過一路定時(shí)信號(hào)驅(qū)動(dòng)，保證了所有的IGBT開關(guān)動(dòng)作一致，避免了個(gè)別IGBT因驅(qū)動(dòng)延遲導(dǎo)致過壓擊穿損壞。圖中R是限流電阻，在負(fù)載打火時(shí)可以限制短路電流的幅值，有效避免IGBT損壞。圖中C是儲(chǔ)能電容，用以提高輸出峰值電流的能力，電容值越大，調(diào)制脈沖頂降越小。實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)脈沖頂降的要求選擇儲(chǔ)能電容的大小。

圖4 固態(tài)調(diào)制器原理圖

C=(I*τ)/ΔUC

式中，I為脈沖電流，τ為調(diào)制脈沖寬度，ΔUC為調(diào)制最大脈沖頂降。另外，調(diào)制高壓的輸出兩端通過電阻的分壓給回旋行波管提供第一陽極電壓。此W回旋行波管第一陽極與調(diào)制電壓分壓比為45∶80。

3.3 控制保護(hù)技術(shù)

控制保護(hù)技術(shù)是發(fā)射機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成，對(duì)提高發(fā)射機(jī)的可靠性、穩(wěn)定性及其性能的發(fā)揮具有十分重要的作用?？刂票Ｗo(hù)系統(tǒng)組成框圖如圖5。采用PLC作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，完成對(duì)發(fā)射機(jī)各部分的控制和模擬量、數(shù)字量的采集顯示。對(duì)于懸浮于高電位的模擬量和易受傳輸感應(yīng)干擾的模擬量，采用V-F變換技術(shù)，將模擬量變換為頻率信號(hào)，通過光纖傳輸至低壓端，變換為電信號(hào)，送PLC的高速計(jì)模塊采集，以此來達(dá)到隔離高低點(diǎn)位、抑制干擾的目的，從而保證信號(hào)測(cè)量的精度及安全性。

圖5 控制保護(hù)系統(tǒng)組成框圖

針對(duì)核心部件W波段回旋行波管的保護(hù)策略主要有：

(1) 回旋行波管打火保護(hù)

T1、T2互感器在調(diào)制器輸入輸出的位置，用于檢測(cè)脈沖電流，并送至調(diào)制保護(hù)電路進(jìn)行檢測(cè)保護(hù)。保護(hù)電路在回旋行波管打火或負(fù)載短路的情況下能在2 μs以內(nèi)響應(yīng)切斷調(diào)制器觸發(fā)信號(hào)，進(jìn)而切斷高壓電源，防止回旋管調(diào)制電壓和電流過沖而損壞回旋行波管。

(2) 波導(dǎo)打火保護(hù)

W波段回旋行波管波導(dǎo)尺寸小，安裝要求精度高。安裝不當(dāng)、饋線駐波過大或灰塵潮氣等原因會(huì)造成輸出波導(dǎo)打火而形成電弧。本機(jī)設(shè)計(jì)了快速保護(hù)電路，在發(fā)生駐波過大或后端打火時(shí)將檢測(cè)的信號(hào)送控制臺(tái)，快速關(guān)斷調(diào)制器和高壓電源。

3.4 結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)

除了常規(guī)的調(diào)制器、高壓電源、燈絲反線包電源、鈦泵電源、調(diào)制分機(jī)、控保分機(jī)等基本組成外，W波段回旋行波管發(fā)射機(jī)系統(tǒng)還需要超導(dǎo)磁體提供強(qiáng)大的磁場(chǎng)強(qiáng)度，精度要求高。超導(dǎo)磁體體積較大，除了大電流勵(lì)磁電源外還需要抽真空和低溫制冷。這就增加了設(shè)備量，為系統(tǒng)的集成化設(shè)計(jì)[8]帶來了難度。

將調(diào)制器、高壓升壓組件、燈絲電源高壓部分、限流電阻、補(bǔ)償線圈、回旋管高壓管座、檢測(cè)電路放置油箱內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了高壓部分和低壓部分的有效隔離。超導(dǎo)磁體固定于油箱上，回旋管穿過超導(dǎo)磁體中心孔通過油箱內(nèi)高壓管座與調(diào)制輸出連接。超導(dǎo)磁體中心孔采用的是偏心設(shè)計(jì)，回旋管在超導(dǎo)磁體中心孔的位置偏差可能會(huì)改變磁場(chǎng)相對(duì)回旋行波管的分布，從而影響電子注的運(yùn)動(dòng)軌跡。通過高壓油箱電訊設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)回旋管與超導(dǎo)磁體中心孔相對(duì)位置定位準(zhǔn)確、方便，保證回旋管處于最佳工作點(diǎn)。發(fā)射機(jī)整機(jī)集成實(shí)物圖如圖6所示。新增加的真空泵、壓縮機(jī)、油泵等外圍設(shè)備放置機(jī)柜內(nèi)，有利于系統(tǒng)的集中控制和狀態(tài)采集，節(jié)約了一些昂貴材料的使用，如傳輸氦氣的波紋管。

3.5 超導(dǎo)磁體和磁場(chǎng)技術(shù)

W波段回旋行波管要求的磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到3.5 T。發(fā)射機(jī)外加磁場(chǎng)的穩(wěn)定度要求非常高，輸出功率和增益對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化異常敏感。磁場(chǎng)電源、超導(dǎo)線包、超導(dǎo)制冷機(jī)為W回旋行波管提供外圍磁場(chǎng)。利用低溫制冷技術(shù)讓浸泡在液氮中的線圈具備超導(dǎo)能力,阻值為0 Ω。超導(dǎo)磁體的性能也直接關(guān)系到磁場(chǎng)強(qiáng)度和分布狀態(tài)。該發(fā)射機(jī)采用的是由中科院電工研究所研制的新一代超導(dǎo)磁體系統(tǒng)。

圖6 發(fā)射機(jī)實(shí)物圖

4 測(cè)試結(jié)果

W波段回旋行波管發(fā)射機(jī)具有工作電壓高、電流大、功率高的特點(diǎn)。本機(jī)經(jīng)過測(cè)試，經(jīng)過了6 h工作考機(jī)，工作穩(wěn)定可靠，其工作比達(dá)到6%，脈沖頂降符合要求，主副瓣比優(yōu)于12 dB。圖7為脈沖電流波形和高頻檢波波形。圖8、圖9為所測(cè)的左右主副瓣比。

圖7 脈沖電流波形和高頻檢波波形

圖8 發(fā)射機(jī)輸出頻譜圖(一)

圖9 發(fā)射機(jī)輸出頻譜圖(二)

5 結(jié)束語

本文所述的W波段回旋行波管發(fā)射機(jī)具有功率大、帶寬寬的特點(diǎn)，工作穩(wěn)定可靠。它采用全開關(guān)高壓電源、全固態(tài)調(diào)制器，有利于模塊化設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)增加了系統(tǒng)的集成度，可以應(yīng)用于多種平臺(tái)。發(fā)射機(jī)實(shí)測(cè)功率和波形指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。為了適應(yīng)未來毫米波雷達(dá)的發(fā)展方向，該波段發(fā)射機(jī)應(yīng)該進(jìn)一步提高發(fā)射功率，拓寬工作脈寬和工作帶寬。同時(shí)，超導(dǎo)磁體的快速制冷和磁場(chǎng)電流的快速啟動(dòng)、縮短發(fā)射機(jī)整機(jī)啟動(dòng)時(shí)間也將是未來重點(diǎn)突破的難點(diǎn)。

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Design of a W-band high-power gyro-TWT transmitter

MA Xiu-wei, DOU Hao-gang

(No.14 Research Institute of CETC, Nanjing 210039)

TN832

A

1009-0401(2017)03-0043-04

2017-07-03;

2017-07-19

馬秀衛(wèi)(1983-)，男，工程師，碩士，研究方向：雷達(dá)發(fā)射機(jī)及高功率設(shè)備；竇好剛(1977-)，男，高級(jí)工程師，碩士，研究方向：雷達(dá)發(fā)射機(jī)及高功率設(shè)備。