大功率固態(tài)發(fā)射機控保監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

遲青松

（青海省廣播電視局566臺，青海 西寧 810001）

0 引言

發(fā)射機技術(shù)在不斷發(fā)展，其中固態(tài)發(fā)射機以其獨特的優(yōu)勢被越來越廣泛的使用。與傳統(tǒng)的電子管發(fā)射機相比，固態(tài)發(fā)射機采用全固態(tài)晶體管或場效應(yīng)管作為放大器，此類器件由于所需的工作電壓低，在系統(tǒng)設(shè)計時對器件的耐壓要求不高，所以可靠性大大提高。通常單個固態(tài)放大器的功率很小，所以在大功率輸出時采用多個功率模塊合成的方式，這種方式的優(yōu)勢在于用于功率合成的功率模塊發(fā)生個別故障時不影響整體發(fā)射機的工作，同時由于功率模塊具有可互換性，提高了系統(tǒng)的可維修性。

固態(tài)發(fā)射機由眾多的功率模塊組件和開關(guān)電源模塊組件構(gòu)成，當(dāng)所需的合成功率很大時，組件數(shù)量也相當(dāng)可觀，作為發(fā)射機的控制保護監(jiān)測系統(tǒng)，當(dāng)功率模塊或電源模塊發(fā)生故障時，要能精確定位至故障模塊，進行相應(yīng)的故障判定，執(zhí)行相應(yīng)的故障操作。目前，控保系統(tǒng)采用的控制方式大致有3類：PLC、CPLD/FPGA、單片機[1]。其中，PLC由于其抗干擾性強的獨特優(yōu)勢，幾乎是所有高功率電子管發(fā)射機控保系統(tǒng)的首選；CPLD/FPGA多用于監(jiān)測量大、輸出控制量大的固態(tài)發(fā)射機控保系統(tǒng)，使用比較靈活；單片機多用于監(jiān)測量不高的場合，有接口齊全，設(shè)置靈活的優(yōu)勢[2-3]。

1 固態(tài)發(fā)射機系統(tǒng)組成

本固態(tài)發(fā)射機系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，它由前級放大功分組件、末級功放組件、八路功率合成器、控制保護監(jiān)測電路、電源分配組件、冷卻系統(tǒng)等組成。

圖1 發(fā)射機系統(tǒng)組成框圖

1.1 前級放大功分組件

前級放大功分組件實現(xiàn)了輸入微波信號的初步放大功能，同時經(jīng)過八路功率分配器輸出8路微波信號用于推動末級功放組件。該組件集成了微波電路部分、電源部分、調(diào)制器電路等多種功能。

其中微波電路部分采用了單路放大鏈?zhǔn)皆O(shè)計，并設(shè)計有輸入、輸出耦合電路，用于檢測輸入、輸出功率是否正常。

1.2 末級功放組件

末級功放組件是發(fā)射機系統(tǒng)最基本組成部分，同時也是發(fā)射機系統(tǒng)最關(guān)鍵的核心部分。末級功放組件的性能直接影響到整個發(fā)射機的輸出性能。在整個發(fā)射機系統(tǒng)中，采用了8個相同的末級功放組件，實現(xiàn)了固態(tài)發(fā)射機的模塊化、通用化設(shè)計。末級功放組件內(nèi)部包含了微波電路部分、電源電路、監(jiān)測保護電路。其中微波電路由兩級共5只相同的微波功率管級聯(lián)放大、合成而成。電源部分的輸入為380 V交流電源，在組件內(nèi)部完成AC-DC、DC-DC、二次穩(wěn)壓的變換，提供微波晶體管的工作電壓。輸入適當(dāng)?shù)募罟β?，末級功放組件即可輸出不小于1 kW的微波峰值功率。末級功放組件電路原理圖如圖2所示。

圖2 末級功放組件電路原理圖

在末級功放組件中，需要將40 W左右的輸入信號放大到1 kW以上。具體實現(xiàn)方式是，首先對輸入的微波信號進行初步放大，然后將放大后的信號進行1∶4功分，分別推動4只微波功率管，最后進行4路合成。

1.3 功率分配器/合成器

本發(fā)射機的脈沖輸出功率達5 kW以上，即使末級功放組件的輸出功率也在1 kW以上，在L波段，靠單個功率源和單路功率放大很難獲得如此高的功率，這就需要采用微波功率合成技術(shù)。在理想情況下，總輸出功率等于各末級放大器輸出功率之和。但實際上，由于功率合成器存在損耗，各路的幅度和相位不可能完全一致，輸出總功率比理想情況要小。為了獲得較高的合成效率，功率分配器和合成器的各路幅度和相位一致性必須很好，且要求損耗小，各端口應(yīng)當(dāng)具有足夠的隔離作用，使得各路放大器互不影響。在前級放大功分組件和末級功放組件中均采用了功率分配器和功率合成器。由于該波段中微波信號的1/4波長較長，為了節(jié)省空間，分配器以及合成器均采用威爾金森電路，并根據(jù)不同情況進行了變形處理，同時在microwave office軟件仿真的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)計。在前級放大功分組件和末級功放組件中采用微帶形式的功分器和合成器，在八路功率合成器中采用帶狀線式功率合成器。

該波段發(fā)射機中單個末級功放組件的輸出功率在1 kW以上，為了實現(xiàn)總輸出功率不低于5 kW，采用了帶狀線式八路功率合成器。通過Ansoft HFSS軟件仿真，電氣性能滿足要求。

1.4 控保監(jiān)測系統(tǒng)

發(fā)射機系統(tǒng)控保電路實現(xiàn)與發(fā)射機主控計算機通信，接收來自系統(tǒng)的指令和將發(fā)射機的工作狀態(tài)報告給系統(tǒng)，另一方面實現(xiàn)發(fā)射機可更換單元的監(jiān)測保護，同時實時傳送發(fā)射機系統(tǒng)輸出功率電平值。整個控保組合基本上可分為控制加電部分和監(jiān)測通訊部分?？刂平M合實物如圖3所示。

圖3 控制組合實物圖

1.4.1 控保監(jiān)測電路的作用

（1）控制加電部分：按一定的時序完成發(fā)射機的加/斷電控制，分為本地/遙控狀態(tài)。雷達系統(tǒng)加電后，控保電路開始工作，首先風(fēng)機加電，在收到發(fā)射機加電27 V指令后，功放模塊加電，在工作電壓加電正常后，才允許加調(diào)制脈沖；

（2）保護取樣部分：完成各信號的取樣（控保自身、風(fēng)機工作電流正常、功放模塊工作電壓、電流正常、功率模塊溫度正常、功放模塊輸出功率正常，功放模塊駐波正常），在故障發(fā)生時對發(fā)射系統(tǒng)進行保護，并且根據(jù)設(shè)定門限（可調(diào)）判斷，低于功率門限或在故障發(fā)生時對發(fā)射系統(tǒng)部分進行保護。體現(xiàn)在一體化末級功放組件中電源部分的過流、過壓以及過占空比保護；

（3）監(jiān)測部分：完成發(fā)射機各部分工作狀態(tài)的監(jiān)測，并執(zhí)行與雷達系統(tǒng)的通信任務(wù)，接收控制字，回送發(fā)射系統(tǒng)的工作狀態(tài)。監(jiān)測每個末級功放組件的工作狀態(tài)，并且送到顯控臺。同時通過輸出功率定向耦合器耦合功率檢波，再輔以檢波處理電路，實時回報發(fā)射機系統(tǒng)輸出功率值。

控保電路以可編程控制器為核心，與相應(yīng)的接口電路配合，實現(xiàn)發(fā)射機控制保護和檢測顯示及通信高度智能化和自動化。

1.4.2 控保監(jiān)測系統(tǒng)的功能組成

控保監(jiān)測系統(tǒng)要完成的功能有：開關(guān)機的時序加電控制、功率模塊的故障監(jiān)測、電源模塊的故障監(jiān)測、冷卻系統(tǒng)的故障監(jiān)測等。在該發(fā)射機系統(tǒng)中由于末級單個功率模塊的輸出功率很大，其電源模塊的脈沖電流也非常大。為了有效抑制大脈沖電流對控保系統(tǒng)的干擾，采用了PLC加PC104的控保體制，在具體的工作中以PLC加電控制為主，PC104監(jiān)測顯示為輔，考慮到監(jiān)測量數(shù)量太多，傳統(tǒng)的發(fā)光二極管顯示和數(shù)碼管顯示方式連線多，硬件設(shè)計復(fù)雜，可更改性差，本系統(tǒng)采用了液晶屏進行發(fā)射機系統(tǒng)狀態(tài)和故障的顯示，因為是用軟件編程實現(xiàn)的界面，可更改性大大加強。系統(tǒng)構(gòu)成如圖4～圖5所示。

圖4 控保系統(tǒng)構(gòu)成圖

圖5 PLC控制系統(tǒng)實物圖

1.5 技術(shù)特點

由于單個功率模塊和電源模塊的功率很大，模塊能否有效散熱和對模塊的溫度監(jiān)測十分必要，為此在發(fā)射機系統(tǒng)設(shè)計中共配備了幾十個風(fēng)機和幾十個溫度繼電器用于散熱和溫度報警，加大了控保系統(tǒng)的控制和監(jiān)測量；對功率模塊的故障監(jiān)測和判別，要根據(jù)同步脈沖、電源狀態(tài)及功率檢波輸出進行綜合判定；PLC系統(tǒng)與PC104之間采用的通訊接口和協(xié)議形式；PC104的數(shù)據(jù)處理與液晶屏上界面的編程。

2 控保系統(tǒng)設(shè)計思路

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計正朝著速度快、容量大、體積小、重量輕的方向發(fā)展。推動該潮流迅猛發(fā)展的就是日趨進步和完善的ASIC設(shè)計技術(shù)。該發(fā)射機控保系統(tǒng)采用的就是PLC可編程器件作為控制核心，其所有的設(shè)計過程都可以用計算機來自動完成，這樣可縮短系統(tǒng)的設(shè)計周期。

輸入輸出電路采用光耦隔離以抑制發(fā)射機系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾，電流較大的輸出信號采用繼電器輸出，繼電器采用數(shù)量盡量少，以保證系統(tǒng)的可靠性。

控制芯片、輸入輸出電路、時鐘電路做在一塊印制板電路上，提高了抗干擾能力；狀態(tài)、故障信號均在面板顯示，方便系統(tǒng)調(diào)試；電源模塊采用朝陽電源模塊，體積小，安裝簡便；繼電器安裝在同一塊金屬板上，與控制芯片隔開，不但減小了干擾，而且提高可維性。經(jīng)過精心策劃、反復(fù)修改，完成了結(jié)構(gòu)設(shè)計。該結(jié)構(gòu)具有下列特點：

（1）布局合理，結(jié)構(gòu)緊湊；

（2）具有良好的散熱通路，保證組合有良好的工作環(huán)境；

（3）電磁兼容性好。

3 控保系統(tǒng)的具體設(shè)計

以某大功率固態(tài)發(fā)射機為例，說明整個控保監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計。

（1）硬件構(gòu)成

該控保監(jiān)測系統(tǒng)主要檢測固態(tài)功率模塊N個，檢測開關(guān)電源模塊N個，風(fēng)機M個，溫度2N個。系統(tǒng)由PLC組件（含輸入輸出模塊、通訊模塊、接口模塊等）、接口板、通訊板、PC104主板、液晶屏等組成。

（2）軟件設(shè)計

軟件主要由兩個部分組成：PLC控制軟件和PC104顯控軟件。PLC控制軟件的編程可以采用梯形圖編制，對PC104的控制和界面的編程采用C語言實現(xiàn)。軟件界面如圖6、圖7所示。

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)主界面操作圖

圖7 監(jiān)控系統(tǒng)模擬量界面圖

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 控制程序

控保系統(tǒng)的主要功能就是控制和保護，都是靠燒制在芯片中的控制程序來實現(xiàn)的。發(fā)射機開、關(guān)機的各種時序關(guān)系復(fù)雜，發(fā)生故障時連鎖保護要迅速，因此在程序設(shè)計時兼用了圖形描述和VHDL語言描述。圖形描述的好處是一目了然，各種邏輯關(guān)系非常清晰，因此程序的頂層采用圖形描述，VHDL語言描述方便形成子模塊，而且實現(xiàn)功能強大，將各個功能集成在子模塊中后，用圖形描述將其聯(lián)結(jié)，就形成了一個完整的控制程序。

4.2 供電電源

控制芯片對電源的穩(wěn)定性要求非常高，本系統(tǒng)供電采用兩級DC/DC模塊，第一級DC/DC模塊供給芯片外圍接口電路，第二級DC/DC模塊單獨給控制芯片供電，且并安裝了大容量電容器以提高系統(tǒng)的抗電網(wǎng)波動能力。

5 該控保監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)勢

采用PC104作為故障監(jiān)測的形式屬于新的方式，它一方面減輕了PLC的壓力，分擔(dān)了部分監(jiān)測顯示的任務(wù)，同時由于界面的可編程，大大方便了設(shè)計者和用戶，可以根據(jù)需要變換不同的顯示內(nèi)容。

6 結(jié)語

本發(fā)射機控保系統(tǒng)的監(jiān)測和控制量較大，采用了新型的高速PLC，其擁有的可擴展功能為增加更多的監(jiān)測量和控制量提供了硬件可能，采用的液晶顯示方式也提供了更為方便簡潔的可視性。