一種新型聚焦極控制發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)

傅 烈

(上海微波設(shè)備研究所， 上海201802)

0 引言

隨著電子對抗技術(shù)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，發(fā)射機(jī)作為其中重要設(shè)備也在不斷提高性能，向著大功率、小型化、模塊化和固態(tài)化方向發(fā)展。發(fā)射機(jī)可以分為真空管發(fā)射機(jī)和固態(tài)發(fā)射機(jī)。真空管發(fā)射機(jī)具有功率高、瞬時(shí)工作帶寬寬(可實(shí)現(xiàn)倍頻程)、工作脈寬寬(可連續(xù)波工作)等優(yōu)點(diǎn)。本文介紹的就是一種利用聚焦極控制行波管設(shè)計(jì)的發(fā)射機(jī)［1］。

以往國內(nèi)電子對抗設(shè)備的收發(fā)隔離主要利用拉開接收和發(fā)射天線距離實(shí)現(xiàn)降噪隔離。為了實(shí)現(xiàn)發(fā)射、接收系統(tǒng)在同一平臺上工作，提出了在時(shí)間上實(shí)現(xiàn)隔離的新思路。因此，對發(fā)射機(jī)提出了新要求，要求發(fā)射機(jī)在接收機(jī)工作時(shí)段內(nèi)無功率輸出，并且靜噪要足夠低。一般行波管其通態(tài)噪聲能達(dá)到-10 dBm/MHz，必將影響近距離接收機(jī)工作。為此這里采用了聚焦極控制行波管［2］，此類行波管可通過聚焦極實(shí)現(xiàn)行波管的導(dǎo)通和截止。且控制簡單反應(yīng)快速，截止?fàn)顟B(tài)噪聲可降至-80 dBm/MHz，能滿足系統(tǒng)需求。

1 系統(tǒng)組成和工作原理

發(fā)射機(jī)主要功能是將來自干擾管理及樣式激勵(lì)分系統(tǒng)的低功率干擾信號進(jìn)行放大，形成高功率輸出。發(fā)射機(jī)主要由5大部分組成:前級微波鏈路、行波管、后級微波鏈路、控制保護(hù)模塊和行波管配套電源。發(fā)射機(jī)組成框圖如圖1所示。

圖1 發(fā)射機(jī)組成框圖

發(fā)射機(jī)主要由3大部分組成:微波系統(tǒng)(含前級微波鏈路、行波管、后級微波鏈路)，控制保護(hù)模塊和行波管各極配套電源。發(fā)射機(jī)組成框圖如圖1所示。發(fā)射機(jī)主要功能是將來自干擾管理及樣式激勵(lì)分系統(tǒng)的低功率干擾信號進(jìn)行放大，形成高功率輸出。

發(fā)射機(jī)還具備了功率管理、自檢功能和輸出前向、后向切換功能。發(fā)射機(jī)頻率覆蓋C/X/Ku頻段，連續(xù)輸出功率50 W以上。能實(shí)現(xiàn)重頻10 kHz，占空10%～90%的脈沖工作模式，也能實(shí)現(xiàn)連續(xù)波輸出。

1.1 微波系統(tǒng)

1.1.1 前級微波鏈路

前級微波鏈路如圖1所示，包括數(shù)控衰減器、微波開關(guān)、點(diǎn)頻源、固態(tài)功放和均衡器。

數(shù)控衰減器是為實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)輸出功率管理功能，通過控制衰減器控制激勵(lì)信號幅度，使輸出功率在線性范圍內(nèi)受控變化。發(fā)射機(jī)內(nèi)置點(diǎn)頻源，使其具備單機(jī)自檢功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各個(gè)單元能實(shí)現(xiàn)自我檢測并報(bào)告狀態(tài)。單刀雙擲開關(guān)起到選擇外部激勵(lì)或內(nèi)部點(diǎn)源的功能。

固態(tài)功放先將激勵(lì)信號放大到27 dBm，達(dá)到行波管的輸入功率級別要求。由于行波管的輸入功率為鍋底形曲線，而放大器輸出基本為一定斜率直線，為了將兩者匹配，中間設(shè)計(jì)有均衡器。該均衡器需要將放大器輸出曲線和行波管輸入曲線擬合，使行波管達(dá)到最大輸出功率而不會過飽和。選用的行波管過飽和，低頻段將出現(xiàn)螺旋線過流，發(fā)射機(jī)保護(hù)。

1.1.2 后級微波鏈路

后級微波鏈路包括雙定向耦合器、功分器、檢波器和大功率開關(guān)。

雙定向耦合器可以實(shí)現(xiàn)輸出功率和反射功率的耦合檢測。由于隔離器低溫特性差，這里選用耦合器實(shí)現(xiàn)反射功率的檢測，當(dāng)反射功率達(dá)到行波管輸出端耐受極限時(shí)將觸發(fā)保護(hù)，使行波管避免受損。

本發(fā)射機(jī)還配備了單刀雙擲大功率微波開關(guān)，能滿足雙路間輸出切換。

1.1.3 行波管

發(fā)射機(jī)選用的是聚焦極控制三收集極行波管，單管輸出功率達(dá)到100 W，頻率覆蓋C/X/Ku頻段，帶內(nèi)二次諧波抑制比達(dá)到-7 dBc。陰極電壓達(dá)到-4 400 V左右，聚焦極導(dǎo)通電壓0 V，截止電壓-1 200 V。行波管采用了三收集極設(shè)計(jì)，效率達(dá)到35%以上，大大提升了發(fā)射機(jī)的整體效率，降低了熱設(shè)計(jì)要求。但是由于三收集極功率需求在不同頻率點(diǎn)的變化比較大，為保證行波管工作電壓，導(dǎo)致收集極電源效率降低，整體發(fā)射機(jī)效率雖比單收、雙收高，但達(dá)不到單管效率的提升幅度。

1.2 控制保護(hù)模塊

本發(fā)射機(jī)的控制保護(hù)功能都是圍繞行波管的保護(hù)進(jìn)行的。主要包括燈絲欠流、燈絲過流、螺旋線過流、行波管過熱和反射功率過大。保護(hù)信號經(jīng)采樣送入單片機(jī)，進(jìn)行處理后送給驅(qū)動單元執(zhí)行保護(hù)動作，同時(shí)送上一級分機(jī)故障狀態(tài)信號。任一故障發(fā)生立即使聚焦極接通負(fù)偏壓，同時(shí)關(guān)斷陰極和收集極電源，行波管停止工作，過熱保護(hù)可在行波管溫度降至允許范圍時(shí)自動恢復(fù)發(fā)射。

根據(jù)行波管參數(shù)，設(shè)置保護(hù)門限:燈絲欠流:＜0.7 A;燈絲過流:＞1.0 A;螺旋線過流:＜20 mA;行波管過熱:＜105℃ (≯90℃時(shí)自動恢復(fù)發(fā)射);反射功率:＞30 W。

控制電路執(zhí)行行波管加電順序:燈絲電壓加上，聚焦極處于負(fù)偏狀態(tài)，預(yù)熱180 s，預(yù)熱時(shí)間到，隨時(shí)可加陰極和收集極電源，將聚焦極切至0電平，行波管功率輸出。關(guān)機(jī)過程與之相反。

控制保護(hù)所有接收和上傳信號的邏輯流程如圖2所示，邏輯控制通過軟件實(shí)現(xiàn)，使整個(gè)控制保護(hù)體積小又具有一定的可更改性。由于處于高壓大功率環(huán)境中，為了使單片機(jī)不受干擾和安全運(yùn)行，將單片機(jī)所有輸入輸出均用光耦隔離，并采用隔離電源，保證地線的純凈。

圖2 控制保護(hù)邏輯關(guān)系

1.3 行波管各極配套電源

行波管電源為行波管的燈絲、聚焦極、陰極和3個(gè)收集極供電。主要包括燈絲調(diào)制器和收集極陰極電源2大部分。各電源和行波管各極關(guān)系簡圖如圖3所示。其中陰極電壓-4 400 V。

圖3 電源和行波管各極簡圖

1.3.1 陰極和收集極電源

這2個(gè)電源由同一個(gè)變壓器分組輸出，只能保證陰極穩(wěn)壓(精度0.1%)，3個(gè)收集極在電流變化時(shí)將出現(xiàn)10%左右的浮動。此電源采用零電流諧振式高頻開關(guān)電源［3］，高頻開關(guān)電源可以使變壓器體積以及輸出整流濾波電路最小化，采用零電流諧振方式實(shí)現(xiàn)開關(guān)管零電流自然過渡，減少了開關(guān)管的損耗和散熱部件，而且可大大降低電磁輻射，減少對其他電路的干擾。采用該拓?fù)溥€有一個(gè)重要因素，變壓器次級繞組匝數(shù)很多，變壓器分布電感和電容大，而該拓?fù)湔媚芾眠@些參數(shù)。

該路主功率電源總功耗不小于600 W，根據(jù)行波管參數(shù)提供參數(shù)總功率不大于500 W，工作原理框圖如圖4所示。

圖4 陰極收集極工作框圖

開關(guān)電源采用三相400 Hz/115 V/200 V供電，經(jīng)三相整流濾波提供給后級。為了降低變比，主電路采用了全橋串聯(lián)諧振方式，開關(guān)管選用4個(gè)MOS管共同封裝的全橋模塊，可以大大減少接線并且節(jié)省空間。

變壓器工作頻率為50 kHz，輸出功率為600 W，從而可以推算變壓器Ap

選擇PM65鐵氧體做磁芯

因此，PM65滿足功率要求。

諧振電路參數(shù):

諧振電容:根據(jù)電容儲存能量E=0.5×CU2

推算電容下限值 C=0.27 μF

諧振電感:根據(jù)諧振頻率fr=1/2π

推算電感上限值 L=58.7 μH

根據(jù)以上參數(shù)，調(diào)試并選擇一對比較合適的值，配合匝比計(jì)算次級側(cè)各繞組匝數(shù)即可。

各組輸出整流電路采用全橋整流，整流電路采用快速二極管串聯(lián)組合實(shí)現(xiàn)，不僅可以做到高壓，而且整流二極管散熱快。根據(jù)每路輸出電流的不同，選用FR107(反向耐壓1 000 V，電流1A)和FR207(反向耐壓1 000 V，電流2 A)。為了降低因初次級匝數(shù)比過大引起的分布電容和電感過大的影響，將收集極分3組繞制，分別整流濾波后疊加。

為了使電源在輕重載變化時(shí)能穩(wěn)定工作，輸出端需加上一定的固定負(fù)載，實(shí)現(xiàn)電源在聚焦極信號控制下，頻繁的重輕載切換的能量吸收，保持電源的工作穩(wěn)定性。行波管收集極電壓穩(wěn)定度只需10%，同時(shí)考慮輸出功率不受降低，一般按實(shí)際工作電流大小時(shí)，其工作電壓略高于廠家提供的參考電壓。

1.3.2 燈絲和調(diào)制器

分別為行波管的控制極提供負(fù)偏截止電源、燈絲電源和調(diào)制器工作用隔離輔助電源，這些電源均懸浮于陰極上。方案采用高頻變壓器實(shí)現(xiàn)高壓隔離，使變壓器次級的各組電壓都懸浮于陰極工作。燈絲電源為主功率輸出而且要求精度高(≤5‰)，因此穩(wěn)壓取樣于此路，采用高壓隔離取樣，可使該路電壓穩(wěn)定輸出。調(diào)制器輔助工作電源+15 V給CMOS集成電路供電，該組電壓非主電路，穩(wěn)壓精度低，需要二次穩(wěn)壓使電路工作穩(wěn)定可靠。控制極負(fù)偏截止電壓只要小于-1 200 V即可保證行波管截止。因此采用此種一穩(wěn)三電路在輸入電壓在+25 V～+30 V之間變化時(shí)，能保證各電路能正常工作。

該高頻開關(guān)電源采用1525控制芯片，驅(qū)動單MOS管的正激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電路原理簡圖如圖5所示。該電路所用元器件少可靠性高，可降低體積重量。高頻變壓器采用高壓灌封實(shí)現(xiàn)初次極間的高壓隔離，需選用窗口較大磁芯，滿足隔離和繞線要求，因此選用了PQ30/32磁芯，在功率上大大超過使用要求。

圖5 燈絲柵極電源電路原理簡圖

控制極負(fù)偏電壓高達(dá)1 200 V，而輸入電壓只有28 V，為減少次級繞線匝數(shù)，次級側(cè)采用4倍壓整流技術(shù)，次級匝數(shù)的減少還可以降低分布電容和電感，降低開關(guān)電源的高頻雜波。

該行波管為聚焦極控制:聚焦極接陰極時(shí)，行波管滿功率輸出;聚焦極接負(fù)偏電壓時(shí)，行波管處于截至狀態(tài)，無功率輸出，靜噪很小。

整個(gè)調(diào)制器原理框圖如圖6所示。當(dāng)控制信號將K1打開時(shí)，行波管控制極接陰極，行波管打開。當(dāng)控制信號K1關(guān)斷時(shí)，控制極負(fù)偏電壓通過電阻R加到行波管控制極，行波管處于截至。K2為截尾管，在K1關(guān)斷的同時(shí)K2打開，快速將行波管控制極電壓拉到負(fù)偏壓，提高截止關(guān)斷速度，使調(diào)制器的上升下降沿滿足要求。由于控制極負(fù)偏壓達(dá)到-1 200 V，因此K1和K2管需選用漏源電壓達(dá)到1 600 V的MOS管。

圖6 調(diào)制器原理框圖

調(diào)制器在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了一定的系統(tǒng)保護(hù)功能，在低壓側(cè)出故障無控制信號或者單片機(jī)復(fù)位時(shí)調(diào)制器均處于負(fù)偏壓狀態(tài)，使行波管處于安全工作狀態(tài)。

1.4 結(jié)構(gòu)工藝

該發(fā)射機(jī)工作平臺有體積和重量的要求，再考慮到環(huán)境條件的要求，在設(shè)計(jì)中充分考慮了空間的利用，將高壓部分進(jìn)行了灌封處理，各模塊間采用了高壓接頭。將各相對獨(dú)立功能部件實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，使整機(jī)具有非常強(qiáng)的維修性。在熱設(shè)計(jì)上，由于采用了三收集極高效率行波管，熱功耗相對較小，采用簡單的冷板散熱條件。

發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)外形尺寸(長×寬×高)為473 mm×216 mm ×110 mm;重量≤17 kg。

2 測試數(shù)據(jù)及結(jié)論

發(fā)射機(jī)進(jìn)行了常溫測試和環(huán)境試驗(yàn)，而且達(dá)到了項(xiàng)目指標(biāo)要求。頻段內(nèi)輸出基波功率達(dá)到50 W以上，發(fā)射機(jī)能連續(xù)波工作，也能以頻率小于等于10 kHz、占空比10% ～90%的脈沖方式工作。聚焦極導(dǎo)通噪聲-25 dBm/MHz，截止噪聲-80 dBm/MHz，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的時(shí)分隔離功能，使電子干擾系統(tǒng)功能得到了很大的提高，該聚焦極控制發(fā)射機(jī)已成功應(yīng)用于某型號項(xiàng)目。

［1］鞠文耀，唐登平.相控陣?yán)走_(dá)陣面電源的設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2004，26(6):67-70.Ju Wenyao，Tang Dengping.Design of a power supply for phased-array radar［J］.Mordern Radar，2004，26(6):67-70.

［2］廖復(fù)疆.真空電子技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2008.Liao Fujiang.Vacuum electronics［M］.Beijing:National Defence Industry Press，2008.

［3］張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，1998.Zhang Zhansong，Cai Xuansan.Design of switch mode power supply［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，1998.