X波段高功率發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐小杰

(海軍702廠，上海 200434)

0 引言

在維修某電子產(chǎn)品時(shí)，需要研制設(shè)計(jì)一款X波段的高功率發(fā)射機(jī)，要求其輸出功率不小于2 kW，且具備成本低、體積小、質(zhì)量輕、性能好等特點(diǎn)。

X波段高功率發(fā)射機(jī)可采用自激振蕩式和主振放大式兩種方式實(shí)現(xiàn)。自激振蕩式發(fā)射機(jī)可采用磁控管振蕩器等設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，主振放大式發(fā)射機(jī)可以采用行波管、速調(diào)管、固態(tài)放大器等設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。固態(tài)放大器輸出功率均偏小，行波管和速調(diào)管成本過(guò)高。綜合考慮設(shè)計(jì)要求，最終采用磁控管振蕩器實(shí)現(xiàn)X波段高功率發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)。本文介紹一款工作在X波段的磁控管自激振蕩式高功率發(fā)射機(jī)，該發(fā)射機(jī)工作電壓為6000 V，工作電流為75 μA，輸出功率大于2 kW，輸出接口為波導(dǎo)輸出，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

1 高功率發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)

本文主要研制一款工作在X波段，輸出功率大于2 kW，輸出接口形式為BJ波導(dǎo)輸出的磁控管自激振蕩式高功率發(fā)射機(jī)。經(jīng)過(guò)指標(biāo)計(jì)算和分解，該X波段高功率發(fā)射機(jī)系統(tǒng)由脈沖放大器、調(diào)制器、高頻振蕩器、穩(wěn)壓電源、高壓電源等組成，其原理框圖如圖1所示。

圖1 X波段高功率發(fā)射機(jī)原理框圖

1.1 脈沖放大器

本脈沖放大器主要由脈沖變壓器T1、開(kāi)關(guān)三極管Q1等組成。根據(jù)調(diào)制器中閘流管的要求，脈沖放大器將整機(jī)送來(lái)的幅度為3 V、寬度為1±0.1 μs的發(fā)射脈沖，經(jīng)過(guò)整形、放大，產(chǎn)生閘流管點(diǎn)火脈沖，供閘流管柵極點(diǎn)火觸發(fā)，其電原理圖如圖2所示。發(fā)射脈沖由整機(jī)送來(lái)后經(jīng)過(guò)C2隔直加到Q1的柵極上，在脈沖間歇期間Q1截止，當(dāng)發(fā)射脈沖來(lái)到時(shí)Q1工作，約200 V的電源電壓大部分降到脈沖變壓器T1的初級(jí)上，該電壓經(jīng)過(guò)T3的次級(jí)形成輸出幅度大于100 V、寬度約為1.2 μs的點(diǎn)火脈沖。點(diǎn)火脈沖通過(guò)T3次級(jí)經(jīng)C5、L1送至閘流管VE1的柵極。

圖2 脈沖放大器電原理圖

1.2 電源系統(tǒng)

電源系統(tǒng)主要包含穩(wěn)壓電源、燈絲電源、高壓電源三部分。穩(wěn)壓電源部分是由整機(jī)提供的直流230 V電壓，用于給脈沖放大器提供工作電壓。燈絲電源主要由2個(gè)燈絲變壓器通過(guò)整機(jī)提供的交流220 V電壓變換得到閘流管燈絲電壓1和磁控管燈絲電壓2。高壓電源是通過(guò)整機(jī)提供的交流220 V電壓變換得到調(diào)制器工作所需的直流1000 V電壓。其原理圖如圖3所示。

圖3 電源系統(tǒng)電原理圖

圖4 調(diào)制器電原理圖

1.3 調(diào)制器

調(diào)制器的任務(wù)是根據(jù)高頻振蕩器工作的需要，提供規(guī)定脈寬、規(guī)定重復(fù)頻率和規(guī)定幅度的脈沖電壓。該發(fā)射機(jī)采用的是線型脈沖調(diào)制器，也稱軟性脈沖調(diào)制器。所謂線型脈沖調(diào)制器，其實(shí)質(zhì)是通過(guò)電壓在形成線(又稱人工線)中的傳播來(lái)形成脈沖的。主要由充電電感L3、脈沖人工線D1、閘流管VE1、脈沖變壓器T5等組成，調(diào)制器電原理圖如圖4所示。1.3.1 人工線人工線在線型調(diào)制器中起著儲(chǔ)存能量和形成脈沖的雙重作用。人工線的工作原理，實(shí)際上就是模擬開(kāi)路傳輸線放電形成脈沖的原理。 對(duì)于一個(gè)已經(jīng)充上電壓E的開(kāi)路傳輸線L，在其始端接入負(fù)載電阻R，R的值等于傳輸線的特性阻抗ρ時(shí)，R上就能得到一個(gè)E/2幅度的脈沖，如圖5所示。用均勻開(kāi)路傳輸線的放電形成脈沖雖然是可行的，但若要產(chǎn)生一個(gè)0.1 μs的脈沖，分布參數(shù)的長(zhǎng)線L很難實(shí)現(xiàn)。例如，用空氣介質(zhì)的同軸線形成0.1 μs的脈沖，其長(zhǎng)度L為(0.1/2)×3×108×10-6=15 m，在發(fā)射機(jī)內(nèi)安裝15 m高壓同軸傳輸線顯然是不可行的。于是采用了集中參數(shù)(電感L和電容C)的人工線來(lái)模擬分布參數(shù)的均勻傳輸線，這就是本文設(shè)計(jì)所使用的人工線。該發(fā)射機(jī)人工線采用的形式是：把一段均勻的無(wú)損耗傳輸線分成幾個(gè)依次連接的長(zhǎng)度相等的小部分，把每一小部分的分布電感的總和用集中參數(shù)的電感L來(lái)表示，再把每一小部分的分布電容用集中參數(shù)的電容C來(lái)表示。這樣就會(huì)得到如圖6所示的人工線原理圖，用來(lái)形成0.1 μs的脈沖。在這里，人工線的阻抗為：ρ=(L/C)1/2

(1)

1.3.2閘流管閘流管具有工作電壓高、脈沖電流大、點(diǎn)火時(shí)間穩(wěn)定、消電離速度快和管壓降小等優(yōu)點(diǎn)，因而是線型脈沖調(diào)制器中應(yīng)用最多的一種開(kāi)關(guān)器件。由于其管內(nèi)充有氫氣，所以又稱氫閘流管。普通的閘流管有三個(gè)電極：陽(yáng)極(或稱板極)、柵極和陰極，此外還有一個(gè)加熱氧化物陰極用燈絲和一個(gè)氫發(fā)生器。該發(fā)射機(jī)使用的陶瓷閘流管就是其中的一種。

圖5 開(kāi)路傳輸線形成

圖6 人工線原理圖

圖7 直流電感充電等效電路

氫發(fā)生器是一個(gè)裝有鈦氫化合物粉末的小管，能在加熱時(shí)釋放出氫氣，并在溫度不變的情況下保持管內(nèi)有一定的氣壓。通常加熱氫發(fā)生器用的熱絲與燈絲是并聯(lián)在一起的。閘流管在接通燈絲電壓以后，管內(nèi)不能立即出現(xiàn)穩(wěn)定的氣壓，故要求燈絲有3～5 min的預(yù)熱時(shí)間。管內(nèi)氣壓不足或者管內(nèi)氣壓過(guò)高，都會(huì)導(dǎo)致閘流管工作異?；蛘呖s短壽命，管內(nèi)氣壓與氮發(fā)生器的溫度密切相關(guān)，所以在閘流管使用期間，其燈絲電壓的變動(dòng)不允許超過(guò)額定值的±5%～±7%。閘流管具有良好的觸發(fā)特性。觸發(fā)延遲時(shí)間非常短，時(shí)間跳動(dòng)也很小，在壽命期內(nèi)參數(shù)的變化很小。但為了觸發(fā)閘流管，必須在柵極之間提供足夠的正電壓并供給柵陰一定的電流。該發(fā)射機(jī)的閘流管柵極發(fā)射脈沖的幅度約為100～200 V，寬度約為1～1.5 μs，幅度或?qū)挾炔粔蚨紩?huì)影響閘流管觸發(fā)的穩(wěn)定性。1.3.3調(diào)制器的充電線型調(diào)制器的工作可分為充電和放電兩個(gè)過(guò)程。充電電路通常由電源、儲(chǔ)能元件和負(fù)載組成。為了防止在脈沖期間電源被開(kāi)關(guān)管短路，在電源與開(kāi)關(guān)管之間必須接有隔離元件。充電隔離元件有充電電感和充電電阻兩種。采用充電電阻效率較低，在小功率調(diào)制器中對(duì)充電效率要求不高時(shí)可以采用。而大功率調(diào)制器幾乎都選擇了充電電感作隔離元件。在調(diào)制器的充電電路中，由于充電時(shí)間比放電時(shí)間大得多，且充電電感遠(yuǎn)比人工線的電感和脈沖變壓器初級(jí)的等效電感大得多，所以，可以把人工線等效為一個(gè)電容C0，其容量即人工線電容的值。這樣，直流電感充電電路就可以等效為圖7。1.3.4調(diào)制器的放電線型調(diào)制器的放電電路，正如前文所介紹的人工線的放電電路，當(dāng)負(fù)載阻抗等于人工線的特性阻抗(R=ρ)時(shí)，為匹配放電，負(fù)載R上所得到脈沖電壓幅度約為人工線充電電壓的1/2，此時(shí)，輸出功率最大，其傳輸效率接近于1。在失配的情況下，其傳輸效率也就隨之降低了。然而負(fù)載阻抗往往會(huì)由于某些因素而變化，從而破壞電路的匹配性。例如磁控管的老化，會(huì)引起負(fù)載阻抗增大，可能會(huì)出現(xiàn)正失配的放電狀態(tài)，而正失配放電又會(huì)導(dǎo)致閘流管連通，破壞調(diào)制器的正常工作。此外，磁控管或脈沖變壓器打火，引起負(fù)載短路，使電路處于嚴(yán)重的負(fù)失配放電，這就不僅破壞了人工線的穩(wěn)定充電過(guò)程，而且有可能在人工線上建立起足以使閘流管擊穿的危險(xiǎn)過(guò)電壓。所以在設(shè)計(jì)調(diào)制器的放電電路時(shí)，一般都采用略微負(fù)失配的狀態(tài)，避免發(fā)生正失配現(xiàn)象。1.3.5脈沖變壓器該發(fā)射機(jī)在線型脈沖調(diào)制器中，采用了脈沖變壓器，用于實(shí)現(xiàn)磁控管振蕩器工作所需的高壓脈沖電。其主要功能為：通過(guò)變化，改變脈沖電壓的幅度；改變脈沖電壓的極性；使負(fù)載電阻與信號(hào)源的阻抗相匹配；采用數(shù)個(gè)次級(jí)，可以得到不同幅度、不同極性的數(shù)個(gè)脈沖電；可作耦合元件，消除輸出電壓的直流分量。

1.4 高頻振蕩器

磁控管振蕩器是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的微波振蕩器。它的主要特點(diǎn)是功率大、效率高、工作電壓低(與其它高功率微波源相比)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，從而帶來(lái)體積小、質(zhì)量輕、使用方便、工作可靠、成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。磁控管的品種繁多，按工作狀態(tài)可分為脈沖磁控管和連續(xù)波磁控管；按頻率是否可調(diào)分為固定頻率磁控管和頻率可調(diào)磁控管；按調(diào)頻方式可分為機(jī)械調(diào)頻磁控管、旋轉(zhuǎn)調(diào)頻磁控管和電壓調(diào)諧磁控管；按內(nèi)部結(jié)構(gòu)，又可分為普通磁控管、同軸磁控管和反同軸磁控管。 磁控管的主要技術(shù)參數(shù)包括：振蕩中心頻率及調(diào)頻范圍，輸出脈沖功率，脈沖寬度和工作比，陽(yáng)極電壓，脈沖工作電流，熱絲電壓和電流，使用環(huán)境條件，結(jié)構(gòu)要求，燈絲預(yù)熱時(shí)間等。磁控管是利用外加的直流電場(chǎng)和恒定磁場(chǎng)(非包裝式也有交流磁場(chǎng))來(lái)控制電子的運(yùn)動(dòng)，使其與慢波系統(tǒng)的交變磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生振蕩的微波器件。磁控管采用封閉的環(huán)形慢波系統(tǒng)(即磁控管的陽(yáng)極)，環(huán)形慢波系統(tǒng)的中間，有一個(gè)圓柱形的氧化物陰極，陰極內(nèi)部是燈絲，燈絲的一端與陰極相連接。在慢波系統(tǒng)的一個(gè)腔體中放入一個(gè)耦合環(huán)，用以把管內(nèi)的高頻能量引出，并轉(zhuǎn)入波導(dǎo)輸出端。該X波段高功率發(fā)射機(jī)使用的是旋轉(zhuǎn)調(diào)諧頻率磁控管。

2 樣件制作與測(cè)試

設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行了X波段高功率發(fā)射機(jī)樣件的加工、裝配、測(cè)試，樣件裝配滿足設(shè)計(jì)要求，圖8是X波段高功率發(fā)射機(jī)實(shí)物圖。X波段高功率發(fā)射機(jī)測(cè)試結(jié)果滿足技術(shù)要求，輸出波形完整。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于線型脈沖調(diào)制器技術(shù)，通過(guò)設(shè)計(jì)研制，在X波段產(chǎn)品工作頻帶內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了輸出功率2 kW的高功率發(fā)射機(jī)，尺寸為350 mm×230 mm×200 mm，該發(fā)射機(jī)具備成本低、體積小、質(zhì)量輕、性能好等特點(diǎn)，滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。經(jīng)測(cè)試，該X波段高功率發(fā)射機(jī)在工作頻帶內(nèi)，參數(shù)測(cè)試合格，工作性能穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求，已生產(chǎn)用于整機(jī)系統(tǒng)，并顯著提高了整機(jī)性能，完成了某電子產(chǎn)品的維修任務(wù)?！?/p>