电真空发射机固态化改造设计

王志恩，薛 霞

(1.海军装备部，北京 100841；2.中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)

电真空发射机固态化改造设计

王志恩1，薛 霞2

(1.海军装备部，北京 100841；2.中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)

通过对电真空发射机典型特点和现状的分析，对目前微波固态放大器的各类型工作模式和工作效率进行了比较，通过优选开关类功放和半桥开关电源，提出了对其进行固态化的改造思路，并给出了基本设计方法和试验结果。

发射机；固态放大器；电源；改造；脉宽调制

0 引 言

发射机是相关设备的关键部分，担负着对来自信息上行通道微波微弱信号放大并通过馈线系统向天线辐射的任务，其工作状态直接影响着设备的整体工作性能。

受技术发展水平的限制，早期的大功率微波放大器基本上都采用电真空器件。根据不同的技术要求，采用的电真空器件有磁控管、行波管、增幅管、速调管等，基本构成无外乎以电真空器件为核心，配之以必要的高压电源、灯丝电源、钛泵电源和不同形式的调制电路。采用电真空器件的发射机，其行波管放大器寿命有限，且其选用的行波管放大器等因使用周期长而逐步趋于停产。为保持其技术状态和使用性能，需要对采用行波管放大器等电真空器件的雷达发射机进行改造。

发射机通道主要是对带有编码信息的高频微波信号进行功率放大后送天线，向空中辐射。发射机的组成包括行波管放大电路和高压电源两部分，其主要指标输出平均功率、增益、激励信号等是发射机改造的技术要求和设计依据。

1 系统设计思路

1.1 基本构成

原有真空管发射机的构成主要包括行波管放大器、高压电源组合，外部供电为中频机组提供220 V 400 Hz交流电。根据原有设备接口关系和结构尺寸的要求，改造后的固态化发射机组成部分包括微波功率放大器、直流供电电源和辅助控制电路。

1.2 功率放大电路

1.2.1 基本技术要求

功率放大电路采用两级放大的方式。当设计要求发射机增益大于30 dB、激励信号功率电平约为9 dBm时，经输入接口接入前级功放模块。前级功放组件的输出功率接到前级均衡网络对输出功率进行幅频校正。经过校正的信号输入到末级功率组件，为末级组件提供激励信号。末级功率组件的输出再接到末级均衡网络对输出功率进行幅频校正。经过幅频校正的信号最后输出。

功放模块由多级放大单元和均衡网络组成，具有完善的保护功能。由于前级功放模块的输入端的功率在工作频带内会有起伏，这样在推动末级功放组件时会造成激励过大或过小，严重影响末级组件的工作状态和可靠性。采用均衡网络来进行幅频校正，其衰减特性与前级功放模块的末级放大的输出以及末级功放组件的幅频特性互补，从而使前级功放单元和末级功放组件在工作频带内保持较好的功率匹配，保证发射功率在一定范围内稳定。

前级功放模块将输入信号放大到30 dBm左右，带内起伏通过均衡网络均衡后满足末级功放组件的激励要求。功放组件的组成框图如图1所示。

图1 功放组件组成框图

1.2.2 方案选择

对于放大器的电路形式，通常有以下几种可选择方案：

(1) A类功率放大器

A类功率放大器是线性功率放大器，能够对信号进行线性放大，不会使信号的幅值和相位产生明显的失真。在A类方式工作的晶体管在整个信号周期都是导通的，最终得到A类功率放大器的最大效率为50%。

(2) B类功率放大器

无论有无信号，A类功率放大器都保持导通，因此效率不高。B类功率放大器的偏置电流为零，没有信号时晶体管截止，有信号时晶体管只有在信号正半周期时导通。B类功率放大器的电路形式和A类功率放大器相同，所不同的是其直流工作点的设定。理想的B类功放直流工作点设置为零，只有在有输入信号的情况下才有电流通过。经过计算，可以得到B类功率放大器的最大效率为78.5%。B类功率放大器与A类功放相比有着比较高的效率，但由于其静态工作点为零，容易产生失真。

(3) C类功放

A类和B类功放相比，其导通角由360°减小到180°，其工作效率得到了明显提高，如果进一步减小晶体管的导通角，则可以获得更高的效率，这就是C类功率放大器的原理。C类功放是非线性的，它不像前两类放大器直接放大和复制输入信号。A类放大器需要一个晶体管，B类放大器需要两个晶体管组成推挽电路，而C类放大器也适用一个晶体管。从结构上看，C类除了直流偏置外，其他都和A类放大器基本相似，但在输出端需要使用调谐电路，使其能恢复输入的正弦信号。由于C类放大器比前两类具有更高的效率，尤其在某些场合，是一种非常具有吸引力的功率放大器。

三类放大器导通角和最大效率如表1所示。

表1 各类功放效率

(4) 开关类功率放大器

从前三类放大器的分析可以看出，导通角的改变可以影响放大器的工作效率，但理论上100%的效率发生在输出功率为零时。因此，前三类放大器理论效率不可能达到100%，实际工作效率将会更低，其根本原因在于晶体管在工作过程中均处于线性状态。开关类的功率放大器晶体管工作在开关状态，理想情况下，晶体管饱和导通时集电极电流达到最大而电压为0，晶体管关断时集电极电压达到最大，为电源电压，而电流为零。因此，晶体管的瞬时功耗为零，效率达到100%。

实际上，晶体管并非理想开关，在导通和关断时都会有一段时间电流和电压都不是零，此时晶体管将消耗功率。在关断时，集电极电流不会立即降为零，在导通时集电极电压的上升也需要一定的时间。所以，实际工作中的开关类功率放大器效率也不可能达到100%，但和前三类相比，其效率得到了提高。

但同时，开关类功放对输入正弦波形的失真比较大，需要通过后端的谐振网络实现正弦输出，满足有关指标的要求。

作为连续波功率放大器，对波形失真的要求不是很高，在实装体积有限的情况下采用开关类放大器是比较可行的。

1.3 供电电源

1.3.1 基本技术要求

根据功放电路的设计要求，结合原有设备实际供电情况，对电源的基本指标要求如下：

•输出三组

第一组电压：9 V±1 V可调

第二组电压：+5 V

第三组电压：-5 V

•供电电压：220 V±10%/400 Hz

•所有电源输出纹波峰峰值：<100 mV

由以上指标要求可以看出，电源的设计主要考虑9 V主电源的要求，作为辅助电源的±5 V电源可以在主电源的基础上进行设计。

1.3.2 方案选择

电源电路框图如图 2所示。

图中，+9 V输出电源是供电电路的主要组成部分，也是电源设计的重点。它采用半桥结构的高频逆变电源结构，其基本工作过程是：输入的400 Hz 220 V交流电由AC/DC电路直接转换成300 V左右的直流电压。该直流电压加在半桥逆变回路上，在脉宽控制电路的作用下将其转换为近似方波的高频交流电压，通过变压器得到和输出电压相对应的高频输出，通过AC-DC电路，得到需要的直流输出。

根据放大器供电的要求，除提供9 V电源外还需要提供±5 V电源。按照拟定的电源电路方案，辅助电源由9 V主电源提供输入，两路小功率DC-DC变换分别输出满足要求的5 V和-5 V电源。

图2 电源框图

2 工程设计实现

2.1 功率放大器

放大器的电路结构确定以后，设计的重点在于选择合适的放大器件和设计合适的静态工作点。

在设计前级、末级功放组件时，功率管的选择是一个至关重要的环节。功率管的性能指标和可靠性、稳定性等对固态发射模块来说至关重要。通过调研，综合各项性能指标的要求，选择富士通公司的功率管FLM0910-3F为前级功放组件，功率管FLM0910-25F为末级功放组件，并对其工作点作适当降压，以提高可靠性。功率管FLM0910-3F主要性能指标如下：

•工作频率：满足要求

•输出功率≥3 W

•输出杂散≤-46 dB

功率管FLM0910-25F主要性能指标如下：

•工作频率：满足要求

•输出功率≥25 W

•输出杂散≤-46 dB

由这样两级发大电路组成的固态放大器，完全可以满足系统要求。

2.2 电源电路

2.2.1 半桥逆变电路设计

简化的半桥逆变电路如图 3所示。该电路由两个等值的电容组成一个桥臂，开关管V1和V2级反并联半桥二极管D1和D2组成另一个桥臂，两个臂的中点A和B为输出端，通过高频变压器输出。因为滤波电容C2、C3容量较大，其电压Uc2、Uc3=U/2i是比较稳定的。中点B的点位基本不会变，而A点的点位取决于开关管V1、V2的工作状态。当开关管V1导通时，则UAB=Ui/2；当开关管V2 导通时，UAB=-Ui/2。所以，变压器初级的电压是一个脉宽小于180°电角的交流方波电压，其幅度等于Ui/2，频率就是开关管的工作频率，宽度为开关管开通时间Ton。

开关管V1关断后，电流iL维持原来的方向流动，故变压器的初级电流经过二极管D2续流，于是电压UAB变负，UAB=-Ui/2。在此电压的作用下，电流iL下降，下降的速度与增加的速度相同。由此可知，在感性负载时，开关管V1和V2、二极管D1和D2是轮流导通的。在来自脉冲控制的驱动信号的作用下，开关管V1、V2轮流导通，在变压器初级形成了高频的方波，经过整流滤波后得到所需要的直流电压。

2.2.2 变压器设计

变压器工作频率50 kHz，其磁芯选用R2KB，型号选用EC40,其有效磁通截面积为50 mm2，饱和磁通密度BS0.48 T。根据方波下变压器方程：

U1=4fN1ABm

(1)

图3 半桥式逆变器的主电路

按照式(1)计算得变压器初级匝数为64，输出端直流电压9 V,按照最大工作比0.8计算。考虑整流滤波电路的损失，变压器次级脉冲电压为12.5 V。据此计算变压器变比为n1=11.2，所以次级匝数设计值为n2=6。

2.2.3 辅助电源设计

根据分机供电的要求，除了提供9 V电源外还需要提供±5 V/100 mA电源。按照拟定的电源电路方案，辅助电源由9 V主电源提供输入，两路小功率DC-DC变换分别输出满足要求的5 V和-5 V电源。

正极性的电源比较方便，可以直接使用市场上成熟的7805系列稳压集成电路就可以实现。负极性电源由于涉及到极性转换，在利用原有正极性电源条件下需要使用专用的极性转换电路。以反极性开关集成稳压器MAX774为功率转换芯片，构成-5 V电源电路。

MAX774采用了完全的限流型PFM控制模式电路结构，不管负载轻重，均具有很高的转换效率，工作频率可以达到300 kHz。高工作频率大大减小了外部元件的容量、体积。该芯片输入电压范围3～16.5 V，输出电压既可以是固定的-5 V也可以使用两个电阻组成的分压器构成电压可调式电路。该芯片使用一个外部的功率MOSFET，输出功率可以到5 W，其主要性能如下：

•输出电流：1 A

•输出功率：5 W

•转换效率：85%

•静态工作电流：0.1 mA

•输入电压范围：3～16.5 V

•开关频率：可达300 kHz

2.3 辅助电路

2.3.1 辐射控制电路

辐射控制电路利用原有高压电源中的阳极电源作为辐射控制采样信号。在控制台上按下高压按钮后，输出电压为1600 V左右的阳极电源工作，流过光耦的电流使得光耦输出端射极输出升高，超过由比较器决定的基准电压时，比较器输出高电平，使驱动三极管开通，继电器吸合，输入交流电源通过到功率放大器电源。

2.3.2 功率采样

经电容耦合采样的射频输出信号，送到微波功率检测电路AD8317的输入端，经对数放大后进入比较器。微波输出功率大于设置功率时，检测电路输出高电平,否则输出为零电平。

AD8317是一款解调对数放大器，能够将RF输入信号精确地转换为相应的dB标度输出。它在级联放大器链上采用渐进压缩技术，每一级均配有检波器单元。该器件可用测量和控制器两种模式工作，能在最高10 GHz左右下工作。典型输入动态范围为50 dB (re: 50 Ω)，误差小于±1 dB。AD8317的响应时间为8 ns/10 ns(下降时间/上升时间)，能够检测脉冲频率超过50 MHz的RF突发脉冲。在环境温度条件下，该器件具有极佳的对数截距稳定性。

3 试验结果

完成固态化改造后完全满足原发射机各项指标要求。研制件与原件相比，有以下几个方面的特点：

•一致性好。研制备件可与原件功能一致，可以替换；

•器件性能好，工作稳定，可靠性高，功耗小，使得故障率大为降低；

•模块化集成。研制备件采用模块化方式，不仅便于研制调试，也利于今后的维修检测工作；

•器件来源保障良好，维修方便快捷；

•供电简单，需要的配套设备少。

4 结束语

电真空管发射机的固态化改造，除了保持原有设备各项性能、确保其功能的正常发挥外，同时模块化的设计也有利于设备的使用和维修，完全解决了相关元器件的供货，为相关设备的保障创造了有利条件。

[1] 张伯涵，魏智.现代设备发射机的理论设计和实践[M].北京：国防工业出版社，1985.

[2] 丁鹭飞，耿富录.雷达原理[M].3版.西安：西安电子科技大学出版社，2004.

[3] 王水平，王源，宣忠强，等.DC/DC变换器集成电路及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2006.

[4] 黄志伟.射频功率放大器电路设计[M].西安：西安电子科技大学出版社，2009.

[5] 张玉兴.射频模拟电路[M].北京：电子工业出版社，2002.

[6] 倪海东,蒋玉萍.开关电源专用电路设计与应用[M].北京：中国电力出版社，2008.

Design of solid-state refit on electronic vacuum transmitters

WANG Zhi-en1, XUE Xia2

(1. Naval Armament Department, Beijing 100841; 2. No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

Through the analysis of typical characteristics and status quo of the electronic vacuum transmitter, the working modes and efficiency of various microwave solid-state amplifiers are compared. Through the optimal selection of switch power amplifiers and half-bridge switch power supplies, the idea of solid-state refit of the transmitter is presented, and the basic design method and test results are also given.

transmitter; solid-state amplifier; power supply; refit; pulse width modulation

2014-01-13；

2014-03-12

王志恩(1977-)，男，硕士，工程师，研究方向：装备保障；薛霞(1979-)，男，工程师，研究方向：雷达总体技术。

TN957.3

A

1009-0401(2014)03-0035-04