大功率羅蘭發(fā)射機分析與設計

唐鈺，付泳

（1 中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068；2 火箭軍駐燕山電子設備廠軍代室，北京 100192）

0 引言

羅蘭C大功率發(fā)射機作為長波陸基導航授時系統(tǒng)的核心設備，在整個系統(tǒng)中起到舉足輕重的作用，由于羅蘭C發(fā)射機的頻率與帶寬的特殊性，其功率合成技術(shù)已經(jīng)成為關(guān)鍵性的技術(shù)難點。本文通過數(shù)學公式模型的推導與仿真，詳細描述了羅蘭C高功率發(fā)射機的半波產(chǎn)生、功率合成與波形調(diào)制原理，并對影響波形的相關(guān)電路的關(guān)鍵參數(shù)進行了分析。

1 羅蘭C高功率發(fā)射機原理簡介

如圖1所示，羅蘭C功率發(fā)射機包含控制單元，半波產(chǎn)生單元、功率合成單元、耦合輸出單元以及塔式天線等[1]。

2 各部分功能模塊分析

2.1 負載分析與等效電路模型

400英尺塔式天線作為羅蘭C高功率發(fā)射機的負載，根據(jù)頻率與阻抗的關(guān)系，在100 kHz中心頻率下的等效電路模型如圖2所示，其為一個串聯(lián)諧振模型，電流與頻率的關(guān)系如式（1）、式（2）所示。由于天線阻抗的動態(tài)變化，增加可調(diào)電感作為反饋調(diào)制以保證阻抗匹配[4]。

2.2 半波功率產(chǎn)生模塊原理

半波功率產(chǎn)生模塊如圖3所示，實際上的功能是產(chǎn)生一個正弦半周波形。理論上的公式如式（1）、式（2）所示：

圖1 羅蘭發(fā)射機原理圖

圖2 羅蘭發(fā)射機天線等效電路模型

圖3 半波產(chǎn)生器原理圖

其中：E0表示由于前級的電容器C形成的虛擬電壓源電壓；L表示電感；R表示理想情況下的電阻（不包含Rsw）。

理論上，當XC/R為無窮大時，即Ef/E0等于1時（其中Ef表示電感充電電動勢），半波形為一個理想的正弦波。但實際工程應用中，我們一般按0.3效率值進行計算推導，如式（3）所示。這樣我們就推導出實際半波峰電流與電壓的關(guān)系。

2.3 功率合成網(wǎng)絡

多個半周合成如圖4所示，這里產(chǎn)生若干個前面所述的半波產(chǎn)生器，其相位相差180°，通過一定時序開關(guān)控制不同數(shù)量的半波產(chǎn)生器，在功率合成結(jié)點形成正負相位的波形，其幅度由各組參與的半波發(fā)生器的個數(shù)決定[3]。

圖4 半波位置關(guān)系與合成

2.4 耦合輸出網(wǎng)絡

為了能夠單獨調(diào)節(jié)功率合成點的阻抗與帶寬，如圖5（b）所示，這里增加一級變壓器以保證整個節(jié)點的并聯(lián)電容與電感值的動態(tài)可調(diào)從而實現(xiàn)阻抗與帶寬的調(diào)節(jié)。

圖5 耦合輸出網(wǎng)絡

Vg與ig的公式如下所示：

其中：i2p表示天線的瞬時峰值電流；X2表示天線在100kHz頻點的容抗；X1為功率合成結(jié)點在100kHz頻點的容抗；f0為100kHz；tp為峰值電流時間；K12為雙調(diào)諧電路耦合系數(shù)；Q1為功率合成諧振器Q值；Q2為諧振天線的Q值。

3 設計實現(xiàn)與仿真

前面我們分析羅蘭發(fā)射機的各部分功能與實現(xiàn)電路，這里我們假設需要的電流為

如圖5(b)所示，簡單的基爾霍夫定理已經(jīng)無法完成功率合成結(jié)節(jié)的電路計算，這里我們通過對電流式（5）進行分析，不難發(fā)現(xiàn)三個變量決定了整個電流的波形，它們分別是d1、d2、k12。

·由于羅蘭發(fā)射機的天線的帶寬是非常窄的，所以諧振天線的Q2值是非常高的，工程上我們一般按數(shù)十倍計算，所以

·同樣的道理，Q1表示功率合成點衰減系數(shù)，實際應用中我們也是希望功率合成的能量損失的越小越好，工程上這個值一般在50～60左右，所以

·最后，由于k12=K12f0tp，可以發(fā)現(xiàn)最終影響天線電流波形的是雙調(diào)諧電路耦合系數(shù)（K12），也就是耦合網(wǎng)絡中的磁線圈系數(shù)。如圖6所示，通過仿真我們也證明這點。當k12=7.0時，電流波形失真度最小。

圖5 k12=7.0電流波形

圖6 k12＝1.1電流波形

圖7 k12＝0.7 電流波形

4 結(jié)論

本文通過羅蘭C大功率發(fā)射機各個功能模塊的數(shù)學模型的分析與推導，以及相關(guān)的仿真結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：在功率與頻點一定的情況下，真正影響整個羅蘭波形質(zhì)量的是d1,d2,k12三個參數(shù)，而實際工程中，在d1,d2采用經(jīng)驗值取值情況下，真正影響羅蘭波形的關(guān)鍵參數(shù)為k12（雙調(diào)諧電路耦合系數(shù)）。所以在變壓器的參數(shù)一致性以及材料的選擇和工藝上需要嚴格的把控。