基于全周期電壓合成的羅蘭C發(fā)射機(jī)技術(shù)研究

許 奎，王 偉,2，米正衡，張海光

（1 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所；2 陜西省組合與智能導(dǎo)航重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710068）

0 引言

傳統(tǒng)羅蘭C發(fā)射機(jī)采用磁脈沖器進(jìn)行脈沖壓縮，產(chǎn)生4個(gè)5 μs 周期的電流脈沖，電流脈沖沖擊后端的耦合輸出網(wǎng)絡(luò)，輻射出標(biāo)準(zhǔn)羅蘭C電流[1]，該架構(gòu)發(fā)射機(jī)受限于磁脈沖壓縮器水平和功率產(chǎn)生方法，發(fā)射機(jī)效率較低，約為70%，只能輸出標(biāo)準(zhǔn)羅蘭C電流波形。隨著碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等功率器件的發(fā)展，使用該類型功率器件的D類功放理論效率可達(dá)100%，該發(fā)射機(jī)采用基于D類功放輸出電壓的全周期合成架構(gòu)，大幅提升了發(fā)射效率和功率容量，支持多種波形靈活配置，拓寬了羅蘭C發(fā)射機(jī)的使用功能和運(yùn)用領(lǐng)域。

1 全周期電壓合成原理

1.1 羅蘭C 電流分析

標(biāo)準(zhǔn)羅蘭C電流波形[2]定義如式（1）：

式中，0A為峰值電流相關(guān)的常數(shù)（單位：A），tp為天線電流峰值點(diǎn)時(shí)間（單位：μs），τ為電流波形包絡(luò)的包周差（單位：μs），PC為相位編碼，對(duì)于正相位編碼PC取值為0，對(duì)于負(fù)相位編碼PC取值為π。

tp取65 μs，PC和τ取0，歸一化電流波形如圖1所示。

圖1 羅蘭C電流波形

全周期電壓合成的羅蘭C發(fā)射機(jī)產(chǎn)生激勵(lì)電壓，通過(guò)激勵(lì)后端發(fā)射天線網(wǎng)絡(luò)能夠產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)羅蘭C電流，簡(jiǎn)要原理圖如圖2所示。

圖2 羅蘭C電流產(chǎn)生原理

其中，L、C和R為發(fā)射天線網(wǎng)絡(luò)等效參數(shù)，i(t)為發(fā)射天線端羅蘭C電流，us(t)為發(fā)射機(jī)激勵(lì)電壓，函數(shù)如式（2）：

取發(fā)射天線網(wǎng)絡(luò)等效電阻R為2.5 Ω，網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)因素Q值55，調(diào)諧后發(fā)射機(jī)所需激勵(lì)電壓us(t)波形如圖3所示。

圖3 激勵(lì)電壓波形

與傳統(tǒng)羅蘭C發(fā)射機(jī)產(chǎn)生4個(gè)5 μs 周期的電流脈沖波形不同，該類型發(fā)射機(jī)需要產(chǎn)生25個(gè)全周期電壓波形，且存在電壓反向現(xiàn)象，即后端網(wǎng)絡(luò)能量流向發(fā)射機(jī)，圖3所示的波形中，發(fā)射天線網(wǎng)絡(luò)Q值55，第9個(gè)周期電壓反向。

1.2 發(fā)射機(jī)等效模型

上一節(jié)給出了特定發(fā)射天線網(wǎng)絡(luò)等效參數(shù)下的激勵(lì)電壓us(t)，并在等效電阻或輻射電阻上產(chǎn)生了標(biāo)準(zhǔn)羅蘭C電流。

激勵(lì)電壓us(t)可由D類功放輸出電壓進(jìn)行疊加合成，D類功放原理如圖4所示。

圖4 D 類功放原理圖

圖4所示的D類功放采用4 只MOSFET（場(chǎng)效應(yīng)管）組成H 橋電路[3]，（a）圖中管Q1和管Q3導(dǎo)通，管Q4和管Q2截止；（b）圖中管Q4和管Q2導(dǎo)通，管Q1和管Q3截止，依次交替導(dǎo)通和截止，將輸入直流電壓轉(zhuǎn)換為正負(fù)10 μs 的電壓方波脈沖，輸出波形如圖5所示。

圖5 D 類功放輸出電壓波形

基于D類功放輸出電壓合成的發(fā)射機(jī)等效模型如圖6所示，主要由D類功放及變壓器組成。

圖6 發(fā)射機(jī)等效模型

多個(gè)D類功放通過(guò)變壓器次級(jí)串聯(lián)，進(jìn)行輸出電壓的疊加合成，由圖3的激勵(lì)電壓us(t)波形及圖5的D類功放輸出電壓波形可知，每個(gè)周期輸出電壓一致，通過(guò)改變每個(gè)周期工作的D類功放個(gè)數(shù)，合成可在羅蘭C全周期內(nèi)產(chǎn)生所需的激勵(lì)電壓，圖7所示是發(fā)射天線網(wǎng)絡(luò)Q值55時(shí)，羅蘭C輻射電流和所需激勵(lì)電壓波形。

圖7 羅蘭C 激勵(lì)電壓與輻射電流

2 主要性能分析與仿真

2.1 發(fā)射機(jī)輸出電壓及波形

上一節(jié)構(gòu)建了發(fā)射機(jī)等效模型，并給出了特定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)下的激勵(lì)電壓與輻射電流波形，實(shí)際發(fā)射機(jī)可能需要匹配不同發(fā)射天線，使用場(chǎng)景變化而輸出不同功率。圖2所示羅蘭C 電流產(chǎn)生的簡(jiǎn)要原理圖中，根據(jù)基爾霍夫定律[4]，電路的非齊次線性二階微分方程為：

令us(t)=us，電路激勵(lì)響應(yīng)下的非齊次線性二階微分方程為：

其全響應(yīng)為由對(duì)應(yīng)齊次微分方程的通解與微分方程的特解之和組成：

電路的固有頻率為：

標(biāo)準(zhǔn)羅蘭C電流波形對(duì)前沿階段每一個(gè)載頻的脈沖幅度有著嚴(yán)格的要求，如圖8所示為電路欠阻尼和臨界阻尼下電流波形，由圖可知只有當(dāng)式（6）的電路欠阻尼時(shí)，才能滿足電流包絡(luò)前沿規(guī)律。

圖8 電路欠阻尼和臨界阻尼下電流波形

當(dāng)發(fā)射天線網(wǎng)絡(luò)參數(shù)滿足欠阻尼條件，對(duì)于不同電路Q值，激勵(lì)電壓波形包絡(luò)也不相同，取輻射電阻為1 Ω，圖9所示的為不同電路Q值下的激勵(lì)電壓波形包絡(luò)。

電路Q值越高，產(chǎn)生相同輻射電流所需的激勵(lì)電壓越高，當(dāng)Q值等于1 時(shí)，輻射電流和激勵(lì)電壓波形包絡(luò)一致?？紤]到實(shí)際發(fā)射天線的帶寬和選擇性，羅蘭C 發(fā)射天線網(wǎng)絡(luò)的Q值一般設(shè)計(jì)在20～50 之間。

2.2 后沿能量回收

發(fā)射機(jī)輸出峰值功率[5]為：

式中，Ipeak為發(fā)射天線端峰值電流，Rtotal為發(fā)射天線總電阻。標(biāo)準(zhǔn)羅蘭C 電流波形在峰值點(diǎn)后開始震蕩衰減，以保證后沿階段波形特性，一般在500 μs后，i(t)≤0.0014B，B為Ipeak峰值電流。

圖10所示為后沿階段有無(wú)能量回收或者損耗情況下的電流波形?？梢钥闯鰺o(wú)能量回收或者損耗情況下，電流波形后沿衰減緩慢，它的地波和天波后沿會(huì)干擾后一脈沖的前沿。

圖10 有無(wú)能量回收情況下的電流波形

傳統(tǒng)羅蘭C發(fā)射機(jī)通過(guò)在峰值電流時(shí)刻接通對(duì)地電阻，將天線網(wǎng)絡(luò)中存儲(chǔ)的能量進(jìn)行功率損耗使波形后沿達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，無(wú)源電阻損耗降低了發(fā)射機(jī)整機(jī)效率?；谌芷陔妷汉铣傻牧_蘭C 發(fā)射機(jī)采用有源能量回收方式，通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管自帶的反向二極管，將天線網(wǎng)絡(luò)中存儲(chǔ)的能量整流至前端的儲(chǔ)能電容中，實(shí)現(xiàn)后沿能量回收，原理如圖11所示，網(wǎng)絡(luò)中的能量通過(guò)管Q1和管Q3及管Q2和管Q4自帶的反向二極管整流至電容C 中。

圖11 能量回收原理

圖12分析了天線網(wǎng)絡(luò)電路Q值分別為30、55和120 時(shí)，沒有能量回收的效率值：

式中，ES為羅蘭C 脈沖前沿階段流向天線的能量；ER為羅蘭C 脈沖后沿階段流向發(fā)射機(jī)的能量。

能量回收效率如圖12所示，其中ES表示波形過(guò)零點(diǎn)前階段的能量，ER表示波形過(guò)零點(diǎn)后階段的能量，分別對(duì)波形過(guò)零點(diǎn)前后進(jìn)行積分求和：

圖12 能量回收效率

即傳統(tǒng)發(fā)射機(jī)在Q值30 時(shí)，理論最大發(fā)射效率為78%，且隨著Q值越高，發(fā)射效率越低。全周期電壓合成的羅蘭C發(fā)射機(jī)理論發(fā)射效率為100%，不隨Q值變化而變化。

3 結(jié)論

本文構(gòu)建了一種全周期電壓合成的羅蘭C發(fā)射機(jī)模型，在源端采用激勵(lì)電壓沖擊后端天線網(wǎng)絡(luò)，能夠輸出標(biāo)準(zhǔn)羅蘭電流波形。主要分析了不同發(fā)射天線參數(shù)下激勵(lì)電壓包絡(luò)波形的特點(diǎn)，以及羅蘭C電流包絡(luò)前沿對(duì)發(fā)射天線網(wǎng)絡(luò)電路的要求；對(duì)比分析了兩種發(fā)射機(jī)后沿能量的處理方式，給出了沒有能量回收的最大效率值。為羅蘭C 發(fā)射機(jī)的技術(shù)發(fā)展、使用功能及運(yùn)用領(lǐng)域拓展提供了思路。