S波段高功率速调管发射机的设计.pdf

第2 9 卷第5 期2 0 0 7 年5 月现代雷达M o d e r nR a d a rV 0 1 2 9N o 5M a v2 0 0 79 3收发技术S 波段高功率速调管发射机的设计+何其文，张建华(华东电子工程研究所，合肥2 3 0 0 3 1)【摘要】介绍了一种s 波段高功率单注速调管发射机，叙述了发射机的组成形式并给出了其主要性能指标。重点介绍了该雷达发射机所采用的高可靠组合式固态调制器技术、大功率高稳定度集中式高压电源技术、大功率高压电源软启动技术、高压大功率固态反馈式d e Q 稳幅技术、高压大功率集中式固态充电开关技术以及完备的监控保护、大电流回路的走线和结构设计等，最后展望了它广阔的应用前景。【关键词】雷达；发射机；速调管；调制器中图分类号：T N 8 3文献标识码：AD e s i g no fS-b a n dH i g hP o w e rK l y s t r o nT r a n s m i t t e rH EQ i w e n Z H A N GJ i a n h u a(E a s tC h i n aR e s e a r c hI n s t i t u t eo fE l e c t r o n i cE n g i n e e r i n g，H e f e i2 3 0 0 31。C h i n a)【A b s t r a c t】T h i sp a p e rd e p i c t sa nS-b a n dh i g hp o w e rs i n g l eb e a mt r a n s m i t t e r T h ef o r mo ft h et r a n s m i t t e ra n dt h em a i np a r a m e t e r sa r ei n t r o d u c e d I te m p h a s i z e sg r e a tr e l i a b i l i t yc o m b i n e ds o l i d s t a t em o d u l a t o rt e c h n o l o g y，h i g hp o w e ra n dg r e a ts t a b i l i z a t i o nc e n t r a l i z e dh i g hp o w e rt e c h n o l o g y，h i g hp o w e rs o f t s t a r tt e c h n o l o g y-h i g hp o w e rs o l i d s t a t ef e e d b a c kd e Qs t e a d yv o l t a g et e c h n o l o g y-h i g hp o w e rc e n t r a l i z e ds d i d s t a t ec h a r g i n gs w i t c ht e c h n o l o g y，m a t u r ec o n t r o la n dp r o t e c tc i r c u i t，t h es t r u c t u r ed e s i g no fg r e a tc u r r e n tc i r c u i ta n dS Oo nt h o s ea r eu s e di n t h i st r a n s m i t t e r F i n a l l yw ee x p e c tt h eb r o a da p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d【K e yw o r d s】r a d a r；t r a n s m i t t e r；k l y s t r o n；m o d u l a t e r0引言现代雷达技术的发展，对雷达发射机各种性能指标提出了更高的更加苛刻的要求。对于中远程三座标警戒引导雷达，要求发射机输出信号具有足够大的功率和优良的频谱特性。为了提高雷达的技战术性能，要求发射机具有很高的可靠性、使用性和机动性。发射机的设计质量对雷达整机的质量具有直接的、重要的影响。1发射机原理和主要性能指标1 1 发射机原理本文介绍的s 波段高功率发射机采用主振放大形式，前级采用固态放大器，末级采用单注速调管放大器。除高功率速调管外，发射机其他部分完全固态化。发射机的简化框图如图1 所示。来自雷达频率源的5 1 5d B m W 射频信号，经前级固态放大器放大到1 6 0W，为了适应速调管对射频激励信号的离散性要求，固态放大器的射频输出信号通过1 0d B 可变衰减器调节后馈人速调管输入腔，末s收稿日期：2 0 0 6 1 2-0 8修订日期：2 0 0 7-0 4-0 3级速调管放大器将射频激励信号放大到8 0 0k W 并从输出窗经打火驻波检测弯头、高功率隔离器、波导定向耦合器送到天线。圈圈圈叠5 0H z3 8 0V同态放大器隔离器|恻洲耋高压电源H 固态调制IU 灯丝电源图1 发射机简化框图灯丝电源是给速调管灯丝提供加热电源的，阴极受灯丝加热后发射电子。该电源采用同步间断式5 0H z 交流电源，与脉冲重复频率不同步的电源纹波的影响由每个脉冲前正好阻断其供电来消除。在该方式中，调制脉冲期间的灯丝电压都是相同的且为零。用M O S 场效应开关管来控制灯丝电源的通断。在射频脉冲激励期间，速调管灯丝电源同步间断，消除了速调管灯丝电源的不稳定对系统稳定度的影响。万方数据9 4现代雷达2 9 卷磁场电源的作用是为速调管放大器的聚焦线圈提供恒流电源，产生恒定磁场使电子注聚焦于管子的腔体轴线附近，有效控制速调管的直流特别是高频状态时的电子通过率。磁场电源采用高频开关电源，输出电流大小宽范围连续可调，以方便不同速调管高频特性的不同需要，其稳流精度为1 o。1 2 发射机主要性能指标(1)频率范围：s 波段，带宽大于1 0；(2)输入激励功率：5 1 5d B m；(3)射频输出功率：I 8 0 0k W；(4)脉冲宽度：4 0I x s；(5)重复频率：2 7 5H z；(6)系统稳定度：5 0d B；(7)带内输出功率起伏：12 5 0h，M T T R 0 5h；(9)机动性：拆收时间 5m i n，架设时间到开机状态 5m i n，到满功率状态 2 0r a i n。2 发射机采用的主要技术2 1 高可靠、固态组合调制器技术为达到高可靠性的设计目标，在该调制器的设计中应用了固态组合调制器技术。调制器的放电电路由1 0 个放电组件组合而成，每个放电组件由5 个可控硅串联构成固态放电开关，每个放电开关通过的脉冲电流为2 6 5A、有效电流为3 3A。放电开关采用型号为K G l 0 0 11 0 0V 的可控硅，其通态平均电流为1 0 0A，有效电流约是该值的1 3，有较大的电流余量。5 个可控硅串联可阻断55 0 0V 的电压，而最高工作电压(人工线电压)为30 0 0V，工作电压是阻断能力的5 5，在高可靠性的应用中，通常将该值选定在5 0 7 5 之间，因此放电开关电流、电压的选择是极为合适的，这对可靠性的提高极为有利。此外，对可控硅串联的放电开关串联组件采取了良好的动态和静态均压措施，对串联的每个可控硅均采用强触发，以减少其触发和导通延迟的离散性，使所有可控硅在尽可能短的时间内同时导通，避免开关导通的不同步引起不均压和可靠性下降。同时在放电组件中设置了P F N 充电电流检测、放电电流检测、反峰电流检测、可控硅温度检测、冷却风机工作状态监测、放电触发脉冲检测、串联可控硅均压状态检测等全面的故障检测和连锁保护控制。图2 为固态放电组件实物照片。调制器的功率合成是在脉冲变压器中实现的1 4J。脉冲变压器初级为十个绕组，每个绕组与一个固态放电组件对应相接，放电时十个组件同时放电，放电电流送到对应的初级绕组，由脉冲变压器实现功率合成。图2 固态放电组件脉冲变压器的变比为1：5 7；初级分为1 0 个绕组，每个绕组上加15 0 0V 电压，放电电流为2 6 5A；次极为单绕组输出由高隔离电位的绝缘子引出到变压器副油箱的阴极托盘上，给速调管馈电。对于脉冲变压器的设计来说，存在几个设计难点：(1)变比高，变比达到5 7，P F N 等效阻抗低，势必会增大脉冲变压器的分布参数对其输出波形将产生的影响；(2)脉冲宽度宽，保持平坦的脉冲顶部存在点的困难；(3)初级脉冲电流大，初级线包的设计难度大。针对这些技术难点，在设计过程中设立专题进行研究，通过研究，最终在脉冲变压器的每个初级采用多股绝缘导线并绕，减小趋肤效应的影响；同时用1 0 个初级并联减小分布电感的影响；同时每个绕组对应一个调制器放电单元，实现1 0 个绕组间的均流；采用P F N 脉冲变压器联合设计的办法，将P F N 设计成具有适当的顶升波形，来抵消或补偿脉冲变压器的顶降，收到不错的实际效果，调制器输出波形非常平坦。图3为调制器输出脉冲电压和电流波形图3 调制器输出脉冲电压和电流波形2 2 大功率、高稳定、集中式高压电源技术调制器的最大输出脉冲功率为3 5M W(7 6k VX4 6A)，工作比为1 3 7 5，输出的平均功率约为4 8 1k W，充放电效率按8 5 计算，则调制器高压电源输出需要5 6 6k W，输出纹波小于4 7 1 0。为达到纹波要求，高压电源采用1 2 相整流方式，万方数据第5 期何其文，等：s 波段高功率速调管发射机的设计9 5初级接电网为接法，次级为两个绕组，一个为接法，另一个为y 接法，次级两绕组整流后输出直流电压相等。因功率较大并考虑到适当调压功能，将高压分为三档，电源变压器分成三个，三个变压器初级并联，每个变压器的输出均有两个绕组，以便实现1 2 相整流，次级整流后串联输出。三档叠加输出的最高电压按l5 0 0V 设计，第一档变压器整流输出9 0 0V，第二档变压器整流输出4 4 0V，第三档变压器整流输出1 6 0V。高压分档后，既减小了加高压时对电站的冲击，也便于采用D F 2 0 0 A A 1 6 0 整流模块对每个变压器的输出进行整流叠加，有利于整流电路可靠性的提高，进而提高高压电源的可靠性。高压电源整流后采用对纹波衰减效果较好的r型滤波器，L C 的滤波常数选得比较大，有利于对电源纹波的衰减，使电源的输出纹波满足系统的要求，尤其是滤波电容c 选得比较大，达到20 0 0t r F，是P F N 总容量的4 0 多倍，使得高压电源在对P F N 充电时更接近于恒压源，从而使P F N 的充电电压更趋于稳定。2 3 大功率高压电源软启动技术因调制器电源功率大，滤波单元的电容容量为20 0 0 心。如果不采用软启动技术，则电源加高压瞬间对电网的冲击太大，容易造成跳闸保护，所以必须设计电源软启动电路。但一般电源软启动电路采用在充电回路串联电阻，电压加满后再将电阻短路的电路形式。这种方法的缺点是功率损耗大，可靠性不高，同时因调制器电源分成三档，一档高压加满后再加二、三档时也需要有软启动，否则也会对电网有冲击，用以上方法不易实现。电源软启动电路采用交流相控模块调整和工控机P L C 软件设置的方法，既方便调整又稳定可靠，P L C 的D A 模块输出缓变电压送到相控模块控制端，调整高压电源变压器的输入电压，达到改变输出目的，三档电源高压的软启动初值、电压缓升的速率等均可在P L C中的C P U 数据区设定。高压电源一档高压的软启动初值设定在高压一档电压的6 0，二、三档初值分别设定在二、三档高压的7 0，基本做到线性调整。特别当调制器负载为新速调管，需要对其进行老炼时，可以实现阴极电压连续缓加，避免出现速调管打火或损坏情况，不需要大功率电源调压器。2 4 高压、大功率、反馈式固态d e Q 稳幅技术d e Q 电路一般分为消耗型和反馈型两种，在低功率调制器中运用消耗型d e-Q 电路较多，但是对于该调制器电源功率较大，如果仍采用消耗型电路，则d e-Q电路中电阻的最大消耗功率达1 2 4k W，调制器的效率将大大降低，同时消耗的功率也将产生较大的热量，给系统散热带来困难，所以选用反馈式并联d e-Q 电路将充电变压器的充电取样信号送至d e Q 触发器中与基准比较，当人工线电压达到设定值时，d e Q 电路动作，充电变压器中的剩余能量将反馈到电源滤波电容中。该电路采用升压充电变压器进行升压反馈，反馈绕组与主回路绕组的变比为2：l，d e Q 可调整的导通角范围为2 3 霄一竹，对电压的最大调整率可达1 6，d e Q 可控硅只选用一只K P 3 0 0 32 0 0V，为提高耐压，回路中串联两只二极管Z K l 0 0 40 0 0V，需要指出的是由于P F N 的工作电压选择得较低，同时采用串联二极管来承担d e Q 开关两端的反向电压，尽管反馈绕组的升压比高达2，使得d e-Q 开关也可以选用单个可控硅，从而实现d e Q 电路的固态化。图4 为d e-Q电路动作时的充电电压和电流取样波形。图4d e Q 电路动作时充电电压和电流取样波形图5 给出了d e-Q 电路动作前后稳幅效果的对比照片，图5 a 为d e Q 电路未动作时的发射机改善因子情况，图5 b 为d e Q 电路动作时的发射机改善因子情况，可见稳幅效果十分明显。图5d e-Q 电路动作前后稳幅效果的对比2 5 高压、大功率、集中式固态充电开关技术由于采用集中电源形式，实际的充电回路中最大充电电流1 4 3A，平均电流3 4A，充电开关的工作条件十分苛刻，而且充电开关如有问题，则整个调制器将丧失功能，因此充电开关的可靠性成为整个固态组合调制器可靠性的瓶颈。万方数据现代雷达2 9 卷起初该发射机样机调制器的充电开关使用单个的普通可控硅，其目的是想减少可控硅的使用数量，以便获得较高的可靠性。但是，由于作为充电开关的普通可控硅所需的恢复时间较长，使得充电开关在充电结束后往往不能及时的恢复阻断性能，增大了充放电开关连通的几率，在工作中偶尔会出现充放电开关连通和损坏现象，严重影响了调制器工作的可靠性。为解决这一问题，对充电开关进行了试验、改进，利用高频可控硅的快速关断特性，用三个高频可控硅串联作为充电开关，以解决单个高频可控硅耐压不足的问题，通过试验对串联的可控硅充电开关采用了有效的静态和动态均压电路、D R C 缓冲网络等设计，彻底解决了串联可控硅充电开关的可靠工作问题。通过试验，采用恢复时间短的高频可控硅作为充电开关，在充电结束后，充电开关能够及时恢复阻断特性，通过三个高频可控硅的串联，增加了开关的耐压，使充电开关可靠性大大提高。改进后的充电开关在样机和后来的多批次批生产的固态组合调制器得到推广使用，从未出现故障，取得了良好的效果。2 6 完备的监控保护设计为了实现高功率微波管发射机无人值守工作状态，完备的监控保护和电磁兼容性设计显得极其重要，发射机的监控保护系统能否正常可靠的工作并对随时可能出现的故障及时给予保护或告警是发射机设计成功与否的关键”J。为此，必须对故障点的设置合理布局，力求完全、合理、可靠，故障定位准确，做到系统内1 0 0 的功能块(功能插件)具有故障检测功能。由于整个发射机最终确定的故障检测点达到1 5 0多个，工作状态控制、指示等近4 0 个，为了减轻发射机主监控的工作量，减少高压故障连锁的反应时间，同时也方便调制器的单独调试等，首次在固态调制器中单独采用一套分监控系统，它与发射系统主监控串行运作。主、分监控均使用欧姆龙工控机(P L C)，由于其本身具有较好的抗干扰能力，加上系统方面采取多种有效的电磁兼容性设计措施，使得P L C 在高压、大电流、强辐射的高功率微波管发射机中得以稳定可靠工作。主监控与雷达总监控进行串行通信，及时接受雷达操纵员的控制指令，完成发射机低压、高压三个档位和故障复位等控制；及时传送发射机工作状态和故障信息以及输出功率、速调管总流、管体电流、高压等工作参数。在雷达操纵台上能全面掌握发射机的工作情况和实时控制发射机的工作状态，真正实现发射机的无 值守。2 7 大电流回路的走线设计历来在大功率发射机的调试和工作过程中，有一个令人头疼的问题是电磁干扰，尤其是采用大功率脉冲调制器的发射机，调制器放电时，巨大的脉冲电流在放电回路中产生的脉冲电位差，是干扰的主要来源，也是难以解决的头疼问题。在该发射机中，1 0 个放电单元放电时，产生26 0 0多安培的脉冲放电电流，如此大的电流的传输及放电回路的走线，对发射机的电磁干扰电平的抑制及抗电磁干扰的能力的提高具有举足轻重的地位。设计中主要采取了两种措施来克服电磁干扰问题。其一是对大电流回路和地线采用大面积铜排走线，减小回路电阻从而达到减小干扰电平的目的，主要表现在高压电源的主电路、充电回路(最大电流达到1 8 0A、16 0 0V)的高压部分，采用由大面积铜排加环氧树脂灌封导电棒走线，其地线回路和放电电流的接地都采用大面积铜排走线，接地铜排在车厢内走到离各个接地点的最近位置，以求地线回路的阻抗最小，使得整个地线近似于一个等电位体，减小因接地不良造成的干扰；其二是对大电流长距离传输的电路采用多路同轴电缆并联走线，例如从充电变压器输出端到每个P F N 之前的隔离二极管正端连线，以及放电回路高压端(P F N 次端)到脉冲变压器输入的高端，都是采用同轴电缆连接，目的是将大电流分成多路传输，虽然分路输送与电路的电性能要求有关，但分路后也起到了减小每路传输的电流和传输压降，同时同轴电缆还可以提供电磁屏蔽，减小了传输过程的电磁辐射J。通过采用上述方法，尽管调制器的功率很大、充电电流及脉冲电流也很大，但发射机的干扰电平及电磁辐射却很小，在发射机的调试和用户使用过程中，机器状态稳定可靠。2 8 结构设计发射机独立安装于一个标准方舱，为了提高雷达设备的机动性，样机采用自动装卸结构形式的方舱，自动装卸过程在1m i n 左右即可完成，机动性极高。它要求在装卸过程中能够承受3 0。的倾斜冷却系统不漏油、不漏水。为此，将变压器等笨重的器件直接安装于方舱地基上以降低重心、便于安装和提高固定能力。出于安全和电磁兼容设计考虑，将速调管及聚焦装置和高变比脉冲变压器安装于独立、封闭并具有良好微波与x 射线防护的小室中。变压器、聚焦线包和速调管的安装针对3 0。的倾斜要求采取了多种有效的措施，切实保证了方舱自动装卸过程中舱内设备尤其是关重件速调管的安全。图6 为该小室实物照片。速调管收集极和管体、输出窗、聚焦线包、高功率(下转第1 0 0 页)万方数据1 0 0现代雷达2 9 卷环境包括运动着的或静止的实体，如飞机，舰船，汽车，导弹，和地面目标，并主要通过战术手段(即侦察，通信，交战，击毁)进行交互作用。V E G A 是一个用于虚拟现实和实时仿真的软件环境，支持复杂的虚拟仿真原型的快速建立，同时也允许特殊模型的扩展。开发好的场景生成模块可以完成产生仿真目标、惯导信息的功能，同时，模拟作战环境，在三维场景中模拟平台的运动。5结语本文论述了基于H L A 开发的机载雷达模拟器的设计思想和开发过程。由于采用了H L A 技术，所以该模拟器能很好的解决与其他模拟器件的交互问题，可以作为组件加人到更大的模拟系统之中，具有较强的可操作性和可重用性。下一步工作就是要对该模拟器中的某些关键技术(如场景生成模块中的虚拟现实技术)作深入的研究，以进一步完善该模拟器的功能。(上接第9 6 页)隔离器采用两套相对独立而又一体化的水冷系统，冷却水箱共用并安装于方舱自动装卸时的最高点以保证图6 速调管聚焦装置水箱在装卸过程中不漏水(通气空本身很小)，水冷系统其他部分则完全密封。该冷却系统还特别设计了冷却水箱缺水自动补水装置并具有补水水箱缺水告警功能，体现出长期无人值守特征。应用户的要求，发射方舱除自动装卸式结构外，还设计了行走轮式结构，舱内设备的布局和安装方式两者完全相同，增加了用户的选择余度。3结语该雷达发射机采用了多项新技术，具有很高的可靠性、使用性和机动性。经过多批次数1 0 部的生产并交付用户使用，3 年多来，发射机在各种气候、各种环参考文献 1 周彦，戴剑伟H L A 仿真程序设计 M 北京：电子工业出版社，2 0 0 2 2 张连伟，华祖耀基于H L A 的雷达训练仿真器雷达方开发 J 计算机仿真，2 0 0 4，2 1(7)：2 0 2 1 3 周江平，郑保华，马良基于H L A 的空地作战交互式仿真系统研究 J 海军航空工程学院学报，2 0 0 5，2 0(2)：2 3 2 2 3 4 李昱男，1 9 8 1 年生，在读硕士研究生。研究方向为雷达系统仿真。王荫槐男，1 9 6 5 年生，研究员高工，硕士研究生导师。研究方向为雷达系统软件开发、系统仿真、数据处理、杂波特性分析等。梁红女，1 9 6 8 年生，高级工程师。研究方向为雷达系统软件开发、系统仿真等。境条件下工作长期稳定可靠，操作使用和维护十分方便，受到用户的广泛好评。由于目前兆瓦量级峰值功率输出的放大器还难以固态器件替代，特别是s 波段及其以上频率，因而速调管首先仍是功率放大器件。本文所述的各种新技术，所涉及的脉冲功率技术都具有广泛的应用前景，如微波武器、高能物理及加速器等均有应用。参考文献 1 强伯涵，魏智现代雷达发射机的理论设计与实践 M 北京：国防工业出版社，1 9 8 5 2 丁鹭飞，耿富录雷达原理 M 西安：电子科技大学出版社，1 9 9 5 3 夏贤江，李网生，蒋云彬，等一种c 波段大功率单脉冲雷达发射机的设计 J 现代雷达，2 0 0 4，2 6(8)：5 5 5 7 4 魏智超)高功率线型脉冲调制器技术方案综述 M 现代雷达，1 9 9 5(1)：7 6 8 4 5 钱猛M W 级无人值守发射机功能的实现 J 现代雷达，2 0 0 5(1 0)：7 9 8 0 6 张松春电子控制设备抗干扰技术及其应用 M 北京：机械工业出版社，1 9 8 9 何其文男，高级工程师。1 9 8 6 年7 月毕业于安徽大学，获学士学位。研究方向为电真空雷达发射机系统。张建华男，研究员。1 9 8 6 年7 月毕业于电子科技大学，获学士学位。研究方向为固态调制器和电真空雷达发射机系统。万方数据S波段高功率速调管发射机的设计S波段高功率速调管发射机的设计作者：何其文，张建华，HE Qiwen，ZHANG Jian-hua作者单位：华东电子工程研究所,合肥,230031刊名：现代雷达英文刊名：MODERN RADAR年，卷(期)：2007,29(5)被引用次数：1次 参考文献(6条)参考文献(6条)1.张松春 电子控制设备抗干扰技术及其应用 19892.钱猛 MW级无人值守发射机功能的实现期刊论文-现代雷达 2005(10)3.魏智(超)高功率线型脉冲调制器技术方案综述 1995(01)4.夏贤江;李网生;蒋云彬 一种C波段大功率单脉冲雷达发射机的设计期刊论文-现代雷达 2004(08)5.丁鹭飞;耿富录 雷达原理 19956.强伯涵;魏智 现代雷达发射机的理论设计与实践 1985 引证文献(1条)引证文献(1条)1.祝亮.陈建伟.李楠 1kW速调管放大器控保电路的设计期刊论文-无线电通信技术 2010(1)本文链接：