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一种Ku波段行波管发射机的设计
满海峰
（华东电子工程研究所 安徽 合肥 230031）

【摘要】　本文介绍了一种Ku波段行波管发射机的技术参数及其设计方法。主要叙述了系统的构成：高压电源、监控电路和调制器的设计，并针对发射机在无人机载SAR方面的应用，就如何解决体积小、重量轻情况下的电磁兼容问题，低气压条件下的高压绝缘与散热矛盾作了较详细说明。
【关键词】 发射机，行波管，无人机载SAR
Design of A TWT Transmitter Operating In Ku Band
MAN HAIFENG
(East China Research Institute of Electronic Engineering, Hefei 230031,China)
Abstract: The paper introduces the design and parameters of a TWT transmitter operating in Ku band. The system’s building block is presented , and the designs of HV power supply , monitor & control circuits and modulator are discussed. The EMC problem under the condition of small size, low weight and the contradictory between the high voltage insulation and cooling during operating in low pressure are analyed in detail.
Key word：transmitter , TWT， unmanned aerial vehicle SAR
1 引 言
行波管放大器具有效率高、单管功率大、瞬时工作带宽宽（可实现倍频程）、工作脉宽宽（可连续波工作）、以及轻重量、成本低等优点受到广大用户的青睐，特别在机载和星载发射机中更是得到广泛的应用。
本文叙述了一种采用行波管为功率放大器的主振放大式发射机，讨论了高压电源纹波和调制脉冲对发射机相位的影响，并就发射机在机载应用环境中的特殊要求，如：小体积、轻重量、耐振动与高压绝缘设计、散热设计的矛盾等作了较详细的说明，最后给出了发射机在某机载雷达系统中应用的部分测试结果。
2 主要技术指标
表1为发射机的技术指标。

工作频段
峰值功率
瞬时带宽
改善因子
体积
重量
工作比
Ku波段
≥500W
≥1GHz
≥47dB
＜0.01m3
<10kg
1%～8%
表1
3 系统框图
图1

图1为发射机的基本组成框图。发射机采用行波管（TWT）为功率放大器，为其供电的各级电源包括灯丝电源、偏置电源、收集极电源和螺旋线电源。调制器单元由调制开关及其驱动组成。监控单元主要包括发射机的监控电路、射频输出功率检测电路、故障检测电路和各级电源的驱动、反馈闭环、保护电路。
4 理论分析与计算
对于雷达系统而言，发射信号的任何不稳定都会给雷达整机性能带来非常不利的影响。信号失真分为频域失真和时域失真，频域失真主要是来源于行波管本身振幅特性与相位特性的非线性，而时域失真主要是由行波管的各级电源纹波和调制脉冲信号引起的寄生调制，其中寄生调相要比寄生调幅严重的多。从发射机的实际设计和工作中考虑,在TWT已选定的情况下，主要考虑各级电源纹波和调制脉冲信号对发射机引起的相位失真。
根据雷达总体战术技术指标对改善因子的限制：I≥47dB，按式（1）
I=20log1/ΔФ 式（1）
可求出允许的最大相位变化ΔФ=10-47/20=0.256°, 即ΔФ＜0.256°
再根据TWT的各极相位调制灵敏度（°/V或对1 %ΔE/ E，其中E是各极电压值,ΔE 是纹波峰值。)的影响情况，将最大相位变化合理分配给各极电源电压，得到各电源电压的纹波，如表2所示。

各极电源
相位调制灵敏度
电源纹波
螺旋线电源
1.4°/V
1.8×10-5
收集极电源
0.02°/V
2.5×10-3
正偏电源
1.5°/V
8.5×10-3
灯丝电源
1°/V
4.1×10-2
表2
5 具体实现
5.1 TWT供电电路
TWT供电电路框图如图2 所示。

图2 图3
发射机的功率放大器采用一级降压收集极行波管放大器，TWT的高压电源为一组合式电源,包括螺旋线电源和收集极电源，高压供电采用串联供电模式，即收集极电源从螺旋线电源分压而得，如图2所示，E1为收集极供电，E1与E2串联叠加后为螺旋线供电。考虑到机载环境下的供电为+28V，电压较低，TWT的螺旋线电源和收集极电源的电压很高，若采用一级变换直接升压变上去，则变压器变比会很高，次级匝数很多，导致分布电容很大，造成损耗增大、效率降低。为了降低高压电源变压器的变比，以及提高输入电源的电压稳定度，我们增加了前级预稳电源，将不稳定的+28V电压升高为稳定的电压，并在预稳电源前接入EMI滤波元件，隔离+28V整机电源与发射机之间的相互干扰。
图3为组合式电源所采用的“零电压开关谐振型”全桥变换器（ZVS-Switch）拓扑形式。开关关断期间，L 、C 回路产生谐振，开关两端(也即谐振电容C两端) 电压从零开始按正弦规律上升到最大值，然后又按正弦规律下降到零，开关为零电压开启。降低了开关损耗及开关噪声对发射机的影响，同时提高了电源的效率。
灯丝电源与偏置电源采用ZVS反激变换器拓朴，电源闭环取样来自灯丝电流，使得冷态的灯丝电流不至于过大，偏置电源输出稳压采用后处理方式实现。
为提高电路可靠性、缩小体积，这里采用厚模封装技术，把全桥拓朴中的开关管和灯丝、偏置电源中的开关管及其相关元件组成一个模块组件。

5.2 调制器电路
调制器电路简图如图4所示，采用浮动板脉冲调制器，选用场效应晶体管（MOSFET）作为开关管，它速度快，所需驱动功率小、驱动电路简单。发射触发脉冲信号经两路CD4098及外设电路分别形成调制开启和调制关断脉冲，脉冲宽度由CD4098的外围电路进行设定。T1、T2为高压隔离脉冲变压器， V5是在栅、阴极间并联的TVS，用来消除调制脉冲的瞬时过压，以便保护TWT的聚焦极免受损坏。R4为下拉电阻，确保V2关断时的截止偏置电压，截止电压为 -1850V。

图4

5.3 监控电路
监控电路主要用来控制发射机的工作过程及故障的检测与保护，尤其要确保TWT安全工作。发射机设立的保护主要有：灯丝过/欠压、收集极过/欠压、螺旋线过/欠压、螺旋线过流、调制故障、过工作比、收集极过温等。具体实现采用CMOS芯片为核心的厚模电路，一块厚模电路控制发射机的工作时序并实现与雷达总监控的接口功能，其中模块与总监控之间的输入、输出接口采用光耦隔离器件；另一块厚模电路完成各电源的驱动、闭环调整和保护等功能。
5.4低损耗功率传输技术
发射机是整个雷达系统中消耗能量最多的部件，这使得提高发射机的效率尤为重要，效率的提高不仅可以节约宝贵的机载电能资源，且对于减小整机的体积和减轻整机的重量都有很重要的意义。
发射机的总效率η=η1·η2·η3·η4
其中：η1 — 预稳电源变换器效率
η2 — TWT各级供电电源变换总效率
η3 — 行波管放大器电能转换效率
η4 — 功率输出传输通道传输效率
在功率行波管选定后，TWT供电电源的效率就极为重要了，这里的预稳电源和TWT的各级供电电源都采用了先进的软开关谐振技术，为其高效率提供了保障。同时最大程度地降低传输通道的插入损耗也具有非常现实的意义，本发射机传输通道中主要包括同轴波导变换、波导环行器、同轴射频电缆、波导等传输元件，通过良好的优化设计，我们使总损耗控制在1.5dB以下。
5.5以热设计为核心的一体化结构设计
机载雷达发射机结构的设计重点是，根据载机所允许的载荷重量与空间尺寸，并经总体统筹布局
图5
后，设计出发射机的外形尺寸。再充分考虑机载雷达工作环境条件（振动、冲击、低气压等），经过合理的内部布局（热设计），选用符合比重要求的金属机箱材料和加工工艺，设计生产出符合要求的小体积、轻重量的发射机（减振设计由雷达系统整机实现），发射机实物外形如图5所示。
在载机飞行过程中，飞行高度、速度和环境温度变化都很大，载机还可能穿越湿度很高的雨区，因此发射机易被潮气、盐雾所充塞、腐蚀。在高空飞行时，发射机还处于比较严重的低气压状态，设计中，我们把发射机箱做成全密封机箱，且机箱的盖板与箱体之间用导电橡胶条镶嵌，此措施保证了机箱的密闭，同时防止雷达各分系统之间的电磁干扰。
发射机中TWT是最大的热源，设计中我们把TWT安装在带有散热翅片的机箱底板上，TWT的热量传导到散热片上由风机强迫风冷散热。机箱内的其它发热元器件，如变压器、MOSFET模块组件、高压灌封模块也放在机箱底板上通过传导散热。
系统中浮在高电位上的元器件（如高压整流硅堆、储能电容、调制器开关等）的安装需特别处理，我们对它们按电压高低、热耗大小、实现功能等进行单元划分, 作有选择的分块灌封。对发热大的元器件如高压整流元件、高压电阻等，直接焊接在陶瓷pcb板上，陶瓷板具有良好的散热性和绝缘性，通过陶瓷板与发射机箱底板的良好接触，把热量传导到底板，再通过风冷散热。对其它热耗小的元器件则直接安装在环氧pcb板上。待灌封的功能单元调试完成后，需先用清洗剂（如酒精）对灌封元器件和pcb板进行清洗，除去表面的污垢等，再烘干、除气。在灌封过程中, 为了消除灌封块内的气泡（由灌封液体材料的搅拌、复杂的元器件外形等造成），需进行抽真空处理，以避免固化成品内产生空气隙，造成在高压工作时（特别是低气压下）出现气泡打火击穿现象。在灌封块加热固化过程中，要控制好加热温度，避免元器件的损坏。通过灌封、固化处理后，高压电路工作稳定可靠，避免了因空间小、装配密而引起的高低电位间空气击穿或爬电等现象，有效地降低了机载震动环境对元器件的破坏作用。
6测试结果
通过在某机载条件下的应用测试，发
射机性能温定、工作可靠，整机效率η＞
15％ ，改善因子I＞47dB 。图6为发射
机工作在脉冲重复频率为1000Hz ，脉宽
为41μs时测得的射频输出检波包络 ,包
络显示其前沿小于58ns，后沿小于68ns 。图7为雷达系统采用实时成像技术对某地
的成像结果，实际分辨率达到1m×1m 以上。
7结束语
图6
在发射系统设计中，由于采用了模块化、一体化等设计思想，实现了小体积、
轻重量、高可靠性等目标，并获得试飞成
功。通过对结构做适当的调整，本发射机
可以适用在无人机载、弹载等工作环境，
具有良好的应用前景。

图7

参考文献：
1(英) L.SIVAN 《Microwave Tube Transmitters》Published by CHAPMAN &HALL，1994
2 赵文普 《主动雷达导引头发射机关键技术探讨》 航空兵器 2001年第3期 1～4
3 姚义龙《一种机载合成孔径雷达发射机的设计》 现代雷达 2003,25(10), 49～53
4 丁鹭飞，耿富录《雷达原理》修订板， 西安电子科技大学出版社, 2000

作者简介：
满海峰
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