一种直升机载雷达发射机控制检测电路的设计

2011-09-19郑士德

电子设计工程 2011年14期

李郁，郑士德

（西安电子工程研究所陕西西安 710100）

雷达发射机是雷达系统的重要组成部分[1]，为雷达系统提供大功率射频信号，它的稳定性对雷达系统至关重要。发射机控制检测电路既要控制发射机按照既定程序运行，又要实时检测发射机的工作状态，及时检测发射机异常并实时上报，以便维护人员判断异常来源，及时处理，防止发射机在不正常状态下工作，损坏发射机及雷达其他分系统[2]。

本文主要讨论用于直升机载雷达系统的发射机控制检测电路。由于直升机载雷达发射机空间有限，所以对体积和重量要求苛刻，且工作环境恶劣，相应的控制检测电路就要有严格的体积、重量和可靠性要求。首先需要对故障进行筛选，在严格保证发射机正常工作的情况下，尽量减少故障检测点的数量，这样不但保证了体积重量符合要求，同时也提高了故障检测电路本身的可靠性。其次还要解决防震、通风和散热等问题。

1 引起发射机故障的因素及解决办法

对于发射机来说，行波管是其关键器件，对它进行有效的检测保护和有效控制可以提高行波管使用寿命及发射机的可靠性[3]。

直升机载雷达发射机控制检测单元设置5个故障检测，它们关系到雷达发射机的安全，所以这些故障发生时要及时采取相应的措施。

1）阴极电压过压

发射机的大功率栅控行波管的阴极工作电压有一定的范围，当高压电源提供的电压超过行波管的额定电压时，就会引起行波管管内打火。如果行波管与低内阻的电源相连，就会有巨大的电流通过行波管，损坏电子枪，此时就要通过控制电路及时关闭高压电源供电，保护行波管。

2）阴极电压欠压

同理，当高压电源供电低于行波管的额定工作电压，行波管就没有工作在工作点上，行波管将出现振荡，电压振荡电流也随之增强，如果行波管振荡能量达到一定值，必然会损坏行波管，导致行波管无法正常工作，此时就要立刻关闭高压电源供电。一般最大降低电压不能大于阴极额定电压的百分之五。

3）管体过流

过大的管体电流非常危险，这时相当一部分电子注功率消耗在射频结构上，微波功率管的管体电流通过管子的高频结构，过大的管体电流将烧坏管子的高频结构，会造成行波管损坏，所以要保证当管体电流超过安全值时及时关机。

4）栅极偏压故障

控制栅极是用来控制电子注的通断或调整电子注电流与电子注电压之间的关系的。当栅极偏压发生故障时，造成管子以连续波工作，过大的收集极电流会烧坏收集极，而过大的管体电流会烧坏管子射频结构。栅极偏压电源浮在高压上，检测电路将检测结果通过光缆传送到故障处理电路，保证当栅极偏压故障时发射机能够停止工作，以保护发射机。

5）温度故障

微波功率管都有一定的工作温度范围，当调制脉冲的占空比过高及环境温度超出正常工作范围时，会导致发射机不能正常工作，甚至损坏发射机。所以需对发射机工作时的温度进行实时监测，保证在工作温度超过正常范围时，及时关机，确保发射机的安全工作。

2 发射机控检电路接口关系和工作时序

发射机控制检测电路和总站有着密切的关系，总站控制发射机的命令要首先通过收发单元送给控制检测单元，再由控制检测单元把这些命令经过逻辑编码后送给发射机，使其按时序正常工作。控制检测单元与发射机息息相关，发射机有故障了要通过控制检测单元来控制逻辑，并将故障上报给总站，发射机无故障时也要通过控制检测单元把工作状态上报给总站[4]。发射机控制检测单元的接口关系图如图1所示。

图1 发射机控制检测单元的接口关系图Fig.1 Port relation of control&test circuit

发射机工作有严格的时序要求，如果不按其时序要求发射机将无法工作甚至造成严重的后果。发射机工作的时序：由检测单元检测发射机有无故障，若有故障则停止工作，若无故障，再根据总站的命令开始按时序工作，具体的时序逻辑由控制单元的可编程器件完成。因为可编程器件编程方便灵活[5]，而且能够多次更改，能根据具体要求实现开/关机逻辑，简单易行，相对于传统电路，优势明显。发射机工作时序如图2所示。

图2 发射机工作时序Fig.2 Time sequence of transmitter

以上的控制逻辑通过大规模可编程器件来实现[6]。可编程器件的使用给电路的设计带来了很大的灵活性，不仅能灵活的实现多种逻辑功能，而且由于管脚定义的灵活性和可重复编程的性能，使得电路的规模和设计难度大大降低，从而减少了芯片的数量，缩小了电路的体积和重量，降低了电路的能耗，降低电路的故障率。

3 发射机控制检测电路的构成和功能

发射机控制检测电路主要由控制电路和检测电路两大部分组成[7]。

3.1 检测电路

检测电路的主要功能是检测得到的故障信息交给控制电路参与逻辑，它主要包括前端信号检测电路、故障判断电路和光电隔离电路。由前端信号检测电路采集各检测点信号，送到故障判断电路，经故障判断电路判断后将判断结果送到光电隔离电路，光电隔离电路主要是为了将发射机部分与后面的逻辑控制部分隔离开来，更好地保证逻辑控制电路不受前端高压的影响，提高控制电路本身的可靠性。从光电隔离电路得到的故障信号就可以送到控制电路参与逻辑。

3.2 控制电路

控制电路的主要功能是根据总站命令及发射机的具体情况，由检测电路送来的有无故障的信息来控制发射机工作。它主要由逻辑控制电路、故障上报电路和状态上报电路构成。逻辑控制电路主要是由可编程逻辑器件组成。如果发射机无故障，逻辑控制电路要产生严格按时序要求的命令送给发射机使其工作，同时把发射机的工作状态上报给总站，如果发射机有故障，无法正常工作，逻辑控制电路要及时产生停止工作的命令给发射机，并控制发射机按时序正确关机，同时把故障状态和发射机状态上报给总站。发射机控制检测电路框图如图3所示。

图3 发射机控制检测电路框图Fig.3 Control&test circuit of transmitter

4 提高发射机控制检测电路的可靠性

栅控行波管发射机具有高电压，大电流，强磁场等特点，发射机控制检测电路是保证发射机可靠性的电路，所以它本身的可靠性就显得格外重要。发射机控制检测电路的可靠性既取决于发射机控制检测电路自身电路的可靠性，很大程度上也取决于它不受外围其他电路影响的能力。

4.1 发射机控制检测电路自身电路可靠性的提高

首先，使用了比较成熟的故障检测电路，并且使得检测点的数量和性质满足设计需要，不设定不必要的检测点，降低故障率；

其次，使用可编程器件，其灵活的特性也提高了故障检测电路的可靠性以及可维修性。

4.2 减少外围电路的影响

首先，在检测电路中增加光电隔离器件，使检测点和后面的逻辑控制部分光电隔离，这样就保证了发射机控制电路不受发射机的影响。

其次，考虑到当发射机出现打火或其他特殊状况时，控制检测电路如果没有采取措施就往往难以幸免，分析后发现这种情况的存在是因为发射机控制检测电路的地与发射机部分的地没有分开，当打火或其他不正常的状态发生时，发射机部分的地上会有较大的噪声，这些噪声串到发射机控制检测电路，会使一些器件损坏，造成电路工作不正常。采取的措施就是把发射机控制检测电路的数字地和模拟地分开[8]。

5 解决机载雷达发射机控检电路的防振通风

发射机控制检测电路的防振通风性能直接影响其电特性[9]，尤其作为直升机载雷达发射机，更要重点考虑防震通风问题，思路是既不增加电路和结构件，又能解决实际问题。考虑在母板上打一定数量有规则的通孔，发射机控制检测电路与发射机其他部分的连接采取直接连线的方式，然后再将线束用线卡通过母板上的通孔固定在母板上，这样就解决了各部分连接不可靠的问题，起到了防振动的作用，同时母板上的通孔还有使空气流通并散热的功能。

在设计过程中还要考虑电磁兼容的问题，电磁兼容性问题应重点在机柜、组合内部电缆及机柜内的布线方面加强电磁屏蔽防护设计。首先，在布局时将高电位部分和低电位部分分开，大电流的导线和其他线缆分开，最好采用屏蔽套将大电流导线隔离，比如连接高压电源变换单元和整流滤波单元的大电流线，不要将大电流的导线和脉冲传输线绑扎在一起。其次，将数字地、模拟地分开，数字电路和模拟电路分开，检测电路和控制电路用光耦隔离，发射机和总站采用差分通讯，从而把发射机其他部分进行了彻底隔离。最后，在设计电路的时候，多选用抗干扰的电路。该加的滤波电容要加上，尤其在调制脉冲的通道上做好滤波，防止噪声触发调制器。调制脉冲应采用屏蔽线[10]。