一种新型聚焦极控制发射机的设计

傅 烈

(上海微波设备研究所， 上海201802)

0 引言

随着电子对抗技术领域的不断发展，发射机作为其中重要设备也在不断提高性能，向着大功率、小型化、模块化和固态化方向发展。发射机可以分为真空管发射机和固态发射机。真空管发射机具有功率高、瞬时工作带宽宽(可实现倍频程)、工作脉宽宽(可连续波工作)等优点。本文介绍的就是一种利用聚焦极控制行波管设计的发射机［1］。

以往国内电子对抗设备的收发隔离主要利用拉开接收和发射天线距离实现降噪隔离。为了实现发射、接收系统在同一平台上工作，提出了在时间上实现隔离的新思路。因此，对发射机提出了新要求，要求发射机在接收机工作时段内无功率输出，并且静噪要足够低。一般行波管其通态噪声能达到-10 dBm/MHz，必将影响近距离接收机工作。为此这里采用了聚焦极控制行波管［2］，此类行波管可通过聚焦极实现行波管的导通和截止。且控制简单反应快速，截止状态噪声可降至-80 dBm/MHz，能满足系统需求。

1 系统组成和工作原理

发射机主要功能是将来自干扰管理及样式激励分系统的低功率干扰信号进行放大，形成高功率输出。发射机主要由5大部分组成:前级微波链路、行波管、后级微波链路、控制保护模块和行波管配套电源。发射机组成框图如图1所示。

图1 发射机组成框图

发射机主要由3大部分组成:微波系统(含前级微波链路、行波管、后级微波链路)，控制保护模块和行波管各极配套电源。发射机组成框图如图1所示。发射机主要功能是将来自干扰管理及样式激励分系统的低功率干扰信号进行放大，形成高功率输出。

发射机还具备了功率管理、自检功能和输出前向、后向切换功能。发射机频率覆盖C/X/Ku频段，连续输出功率50 W以上。能实现重频10 kHz，占空10%～90%的脉冲工作模式，也能实现连续波输出。

1.1 微波系统

1.1.1 前级微波链路

前级微波链路如图1所示，包括数控衰减器、微波开关、点频源、固态功放和均衡器。

数控衰减器是为实现发射机输出功率管理功能，通过控制衰减器控制激励信号幅度，使输出功率在线性范围内受控变化。发射机内置点频源，使其具备单机自检功能，实现系统各个单元能实现自我检测并报告状态。单刀双掷开关起到选择外部激励或内部点源的功能。

固态功放先将激励信号放大到27 dBm，达到行波管的输入功率级别要求。由于行波管的输入功率为锅底形曲线，而放大器输出基本为一定斜率直线，为了将两者匹配，中间设计有均衡器。该均衡器需要将放大器输出曲线和行波管输入曲线拟合，使行波管达到最大输出功率而不会过饱和。选用的行波管过饱和，低频段将出现螺旋线过流，发射机保护。

1.1.2 后级微波链路

后级微波链路包括双定向耦合器、功分器、检波器和大功率开关。

双定向耦合器可以实现输出功率和反射功率的耦合检测。由于隔离器低温特性差，这里选用耦合器实现反射功率的检测，当反射功率达到行波管输出端耐受极限时将触发保护，使行波管避免受损。

本发射机还配备了单刀双掷大功率微波开关，能满足双路间输出切换。

1.1.3 行波管

发射机选用的是聚焦极控制三收集极行波管，单管输出功率达到100 W，频率覆盖C/X/Ku频段，带内二次谐波抑制比达到-7 dBc。阴极电压达到-4 400 V左右，聚焦极导通电压0 V，截止电压-1 200 V。行波管采用了三收集极设计，效率达到35%以上，大大提升了发射机的整体效率，降低了热设计要求。但是由于三收集极功率需求在不同频率点的变化比较大，为保证行波管工作电压，导致收集极电源效率降低，整体发射机效率虽比单收、双收高，但达不到单管效率的提升幅度。

1.2 控制保护模块

本发射机的控制保护功能都是围绕行波管的保护进行的。主要包括灯丝欠流、灯丝过流、螺旋线过流、行波管过热和反射功率过大。保护信号经采样送入单片机，进行处理后送给驱动单元执行保护动作，同时送上一级分机故障状态信号。任一故障发生立即使聚焦极接通负偏压，同时关断阴极和收集极电源，行波管停止工作，过热保护可在行波管温度降至允许范围时自动恢复发射。

根据行波管参数，设置保护门限:灯丝欠流:＜0.7 A;灯丝过流:＞1.0 A;螺旋线过流:＜20 mA;行波管过热:＜105℃ (≯90℃时自动恢复发射);反射功率:＞30 W。

控制电路执行行波管加电顺序:灯丝电压加上，聚焦极处于负偏状态，预热180 s，预热时间到，随时可加阴极和收集极电源，将聚焦极切至0电平，行波管功率输出。关机过程与之相反。

控制保护所有接收和上传信号的逻辑流程如图2所示，逻辑控制通过软件实现，使整个控制保护体积小又具有一定的可更改性。由于处于高压大功率环境中，为了使单片机不受干扰和安全运行，将单片机所有输入输出均用光耦隔离，并采用隔离电源，保证地线的纯净。

图2 控制保护逻辑关系

1.3 行波管各极配套电源

行波管电源为行波管的灯丝、聚焦极、阴极和3个收集极供电。主要包括灯丝调制器和收集极阴极电源2大部分。各电源和行波管各极关系简图如图3所示。其中阴极电压-4 400 V。

图3 电源和行波管各极简图

1.3.1 阴极和收集极电源

这2个电源由同一个变压器分组输出，只能保证阴极稳压(精度0.1%)，3个收集极在电流变化时将出现10%左右的浮动。此电源采用零电流谐振式高频开关电源［3］，高频开关电源可以使变压器体积以及输出整流滤波电路最小化，采用零电流谐振方式实现开关管零电流自然过渡，减少了开关管的损耗和散热部件，而且可大大降低电磁辐射，减少对其他电路的干扰。采用该拓扑还有一个重要因素，变压器次级绕组匝数很多，变压器分布电感和电容大，而该拓扑正好能利用这些参数。

该路主功率电源总功耗不小于600 W，根据行波管参数提供参数总功率不大于500 W，工作原理框图如图4所示。

图4 阴极收集极工作框图

开关电源采用三相400 Hz/115 V/200 V供电，经三相整流滤波提供给后级。为了降低变比，主电路采用了全桥串联谐振方式，开关管选用4个MOS管共同封装的全桥模块，可以大大减少接线并且节省空间。

变压器工作频率为50 kHz，输出功率为600 W，从而可以推算变压器Ap

选择PM65铁氧体做磁芯

因此，PM65满足功率要求。

谐振电路参数:

谐振电容:根据电容储存能量E=0.5×CU2

推算电容下限值 C=0.27 μF

谐振电感:根据谐振频率fr=1/2π

推算电感上限值 L=58.7 μH

根据以上参数，调试并选择一对比较合适的值，配合匝比计算次级侧各绕组匝数即可。

各组输出整流电路采用全桥整流，整流电路采用快速二极管串联组合实现，不仅可以做到高压，而且整流二极管散热快。根据每路输出电流的不同，选用FR107(反向耐压1 000 V，电流1A)和FR207(反向耐压1 000 V，电流2 A)。为了降低因初次级匝数比过大引起的分布电容和电感过大的影响，将收集极分3组绕制，分别整流滤波后叠加。

为了使电源在轻重载变化时能稳定工作，输出端需加上一定的固定负载，实现电源在聚焦极信号控制下，频繁的重轻载切换的能量吸收，保持电源的工作稳定性。行波管收集极电压稳定度只需10%，同时考虑输出功率不受降低，一般按实际工作电流大小时，其工作电压略高于厂家提供的参考电压。

1.3.2 灯丝和调制器

分别为行波管的控制极提供负偏截止电源、灯丝电源和调制器工作用隔离辅助电源，这些电源均悬浮于阴极上。方案采用高频变压器实现高压隔离，使变压器次级的各组电压都悬浮于阴极工作。灯丝电源为主功率输出而且要求精度高(≤5‰)，因此稳压取样于此路，采用高压隔离取样，可使该路电压稳定输出。调制器辅助工作电源+15 V给CMOS集成电路供电，该组电压非主电路，稳压精度低，需要二次稳压使电路工作稳定可靠。控制极负偏截止电压只要小于-1 200 V即可保证行波管截止。因此采用此种一稳三电路在输入电压在+25 V～+30 V之间变化时，能保证各电路能正常工作。

该高频开关电源采用1525控制芯片，驱动单MOS管的正激拓扑结构，电路原理简图如图5所示。该电路所用元器件少可靠性高，可降低体积重量。高频变压器采用高压灌封实现初次极间的高压隔离，需选用窗口较大磁芯，满足隔离和绕线要求，因此选用了PQ30/32磁芯，在功率上大大超过使用要求。

图5 灯丝栅极电源电路原理简图

控制极负偏电压高达1 200 V，而输入电压只有28 V，为减少次级绕线匝数，次级侧采用4倍压整流技术，次级匝数的减少还可以降低分布电容和电感，降低开关电源的高频杂波。

该行波管为聚焦极控制:聚焦极接阴极时，行波管满功率输出;聚焦极接负偏电压时，行波管处于截至状态，无功率输出，静噪很小。

整个调制器原理框图如图6所示。当控制信号将K1打开时，行波管控制极接阴极，行波管打开。当控制信号K1关断时，控制极负偏电压通过电阻R加到行波管控制极，行波管处于截至。K2为截尾管，在K1关断的同时K2打开，快速将行波管控制极电压拉到负偏压，提高截止关断速度，使调制器的上升下降沿满足要求。由于控制极负偏压达到-1 200 V，因此K1和K2管需选用漏源电压达到1 600 V的MOS管。

图6 调制器原理框图

调制器在设计时考虑了一定的系统保护功能，在低压侧出故障无控制信号或者单片机复位时调制器均处于负偏压状态，使行波管处于安全工作状态。

1.4 结构工艺

该发射机工作平台有体积和重量的要求，再考虑到环境条件的要求，在设计中充分考虑了空间的利用，将高压部分进行了灌封处理，各模块间采用了高压接头。将各相对独立功能部件实现模块化设计，使整机具有非常强的维修性。在热设计上，由于采用了三收集极高效率行波管，热功耗相对较小，采用简单的冷板散热条件。

发射机设计外形尺寸(长×宽×高)为473 mm×216 mm ×110 mm;重量≤17 kg。

2 测试数据及结论

发射机进行了常温测试和环境试验，而且达到了项目指标要求。频段内输出基波功率达到50 W以上，发射机能连续波工作，也能以频率小于等于10 kHz、占空比10% ～90%的脉冲方式工作。聚焦极导通噪声-25 dBm/MHz，截止噪声-80 dBm/MHz，实现了系统的时分隔离功能，使电子干扰系统功能得到了很大的提高，该聚焦极控制发射机已成功应用于某型号项目。

［1］鞠文耀，唐登平.相控阵雷达阵面电源的设计［J］.现代雷达，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］廖复疆.真空电子技术［M］.北京:国防工业出版社，2008.Liao Fujiang.Vacuum electronics［M］.Beijing:National Defence Industry Press，2008.

［3］张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计［M］.北京:电子工业出版社，1998.Zhang Zhansong，Cai Xuansan.Design of switch mode power supply［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，1998.