新一代高功率发射机的研制

杨景红，戴广明，何秀华，汤长岭

(南京电子技术研究所， 南京210039)

0 引言

雷达发射机是雷达系统的重要组成部分，发射机性能的好坏直接影响雷达的性能和质量［1］。现代雷达不仅要求发射机功率大、可靠性高，还要求发射机必须满足多种平台的不同技术和环境要求［2-3］。因此，研制的新一代高功率发射机，关键是要体积小、机动性好、效率高，并且可以满足雷达信号形式多变和实时切换的要求［4］。

为满足现代雷达要求，基于新技术和新器件，本文介绍了采用模块化全开关高压电源、新体制的固态刚管调制器和一体化结构设计的新一代高功率发射机。

1 系统组成

本文发射机采用主振放大体制，满足全相参雷达要求。高频放大链采用两级放大，前级采用固态放大器，末级采用高功率单注速调管。发射机系统组成如图1所示。

图1 发射机系统组成框图

发射机主要组成部分包括控制保护电路、前级放大器、高压电源、固态调制器、磁场电源、反线包电源、灯丝电源、触发器、去磁电源、钛泵电源、电弧反射保护电路，以及高压油箱中的升压整流滤波组件、脉冲变压器等。

2 关键技术

2.1 模块化高压电源

高压电源是高功率雷达发射机的关键部分［5］。全开关高压电源技术是发射机小型化、轻型化的重要因素，也是衡量发射机先进性的重要指标［6］。考虑速调管、调制器以及脉冲变压器的工作参数和效率，高压电源的主要技术指标如下:

(1)输出电压:0 kV～2 kV(连续可调);

(2)功率:≥12 kW;

(3)电源纹波:优于1×10-3;

(4)稳定度(6 h):优于1 ×10-2。

高压电源采用相移式模块化高压电源方案。高压电源主要包括软启动电路、谐振变换器、控制电路、故障检测保护电路、高频升压整流组件等。高压电源原理如图2所示。

图2 高压电源原理图

高压电源的谐振变换器采用串联谐振全桥变换器，可提高系统的响应速度和效率，工作稳定可靠。高频升压整流组件由升压变压器和高压整流硅堆组成，可以将谐振变换器输出的高频低压升压整流为直流高压。高频升压整流组件采用集成化设计，可有效减小引线分布参数的影响及设备体积。高压取样电路对电源的输出实时采样，供控制电路完成对输出电压的调整和故障保护。

高压电源采用单个变换器推动单个高频升压整流组件的方式。通过多个变换器和高频升压整流组件的组合，同时将高频升压整流组件次级串联，即可实现不同功率和电压等级的高压电源，这样可以适应不同的发射机功率等级要求，并且有利于变换器和高频升压整流组件的模块化设计。

高压电源采用集中驱动的方式，由集中控制器统一产生变换器所需的4路功率驱动脉冲，利用无源驱动技术，耦合到变换器的4个桥臂上。驱动脉冲信号采用了功率信号传输，有效地抑制了干扰信号，提高了控制电路的可靠性，使得整个高压电源的可靠性大大提高。

高压电源采用无源驱动及全开关谐振变换等技术设计，控制精度高，可实现多路动态控制，并且基于一推一方式，大大提高了高压电源的模块化和组合化;采用集成化结构设计，体积小，机动性和环境适应性好;采用基于电磁耦合的无源驱动技术，提高了电源的可靠性和维修性。

2.2 新体制固态刚管调制器

脉冲调制器为发射机的射频放大管提供合乎性能要求的视频调制脉冲，它在很大程度上决定了发射机输出的射频脉冲质量［7］。同时，脉冲调制器的体积、效率、可靠性都直接影响发射机系统甚至雷达系统的性能［8］。因此，体积小、效率高、寿命长的脉冲调制器是新一代高功率发射机的关键技术之一［9］。

高功率MW级发射机使用的单注速调管工作电压一般为几十kV，工作电流一般为几十A。雷达要求工作波形最宽8.5 μs，重复频率最高达1 218 Hz。调制器主要技术指标如以下四点。

(1)输出电压:≥80 kV;

(2)输出电流:≥50 A;

(3)脉冲宽度:10 μs内可调(平顶最宽 9 μs);

(4)重复频率:最高1 218 Hz。

新体制全固态刚管调制器采用单个固态开关，驱动1∶40的脉冲变压器。脉冲变压器初级有10个绕组，10个绕组并联使用。调制器电路如图3所示。

图3 调制器电路图

图3中，E1为高压电源，L1为充电电感，T1为脉冲变压器，V1为固态开关IGBT，C1为储能电容，RL与D2为模拟调制器负载。T1右侧为高压部分，放置在油箱中。T1左侧最高电压不超过3 kV，因此可以方便地做成模块化组件。

组件的核心是高电压、大电流IGBT模块。组件电路中，D1、R1与C2组成缓冲吸收电路，与开关管并联，用于吸收脉冲变压器漏感和主功率回路分布电感引起的尖峰电压，保护开关管。缓冲吸收电路的设计非常关键，既要降低IGBT关断时的CE两端的反峰电压，又要减小IGBT导通或关断时产生的损耗。负载发生短路时，调制器开关IGBT的集电极电流迅速增大并超过其额定工作值。因此，调制器的保护电路从过电流检出到IGBT关断结束的延迟时间，要尽可能的短。为此，调制器进行打火保护试验，打火时，调制器的保护电路在2.8 μs内关断IGBT的触发信号，有效保护了调制器。

研制的新体制全固态刚管调制器电路拓扑结构简单、体积小、重量轻，适合各种平台使用;脉冲变压器采用多个初级绕组并联;同时，组件的主功率回路元器件很少，结构设计简单，极大地降低了调制器的分布参数，有效提高了调制器的输出波形质量，调制器的效率较高。

2.3 一体化结构设计

采用新体制全固态刚管调制器后，调制器的初级电压和高压电源的输出电压很低，二者很容易实现模块化设计;同时，高压电源采用组合化设计，高频升压整流组件采用集成化结构设计，体积较小。为此，发射机采用了一体化结构设计，将脉冲变压器、高压电源的高频升压整流组件、储能电容以及灯丝电源的整流滤波组件全部放在高压油箱中，并将调制器与高压油箱设计为一体，如图4所示。

图4 一体化结构示意图

一体化结构设计将发射机的高压部分全部置于高压油箱中，首先降低了高压绝缘耐压设计的难度，还有利于高功率器件的散热;其次，使得高压大电流连接线路很短，减小了分布参数，改善了调制器的输出波形，提高了发射机的性能;第三，将高压部分都放在油箱中，提高了安全性、电磁兼容性和环境适应性;第四，调制器位于油箱外部，方便后期的维护与维修。

3 结束语

发射机采用模块化高压电源技术，提高了可靠性和维修性，方便系统实现组合化和模块化;采用新体制固态刚管调制器技术，减小了体积，提高了效率，并满足雷达信号形式多变和实时切换的需求;采用一体化结构设计，提高了发射机的安全性、电磁兼容性和环境适应性，同时也明显提升了整机性能。

新一代高功率发射机采用模块化和组合化设计，践行了高功率发射机的“三化”设计理念，可扩展性强;同时，提高了高功率发射机的可靠性和维修性，体积小、效率高，可适应多种工作平台，在工程应用中有很好的推广价值。

［1］ 郑 新，李文辉，潘厚忠.雷达发射机技术［M］.北京:电子工业出版社，2006.Zheng Xin，Li Wenhui，Pan Houzhong，et al.Technology of radar transmitter［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2006.

［2］刘 超，杨景红，钱 锰.新型S波段高功率发射机的设计［J］.微波学报，2010，26(6):71-74.Liu Chao，Yang Jinghong，Qian Meng.Design of a novel S band high power klystron transmitter［J］.Journal of Microwaves，2010，26(6):71-74.

［3］刘 超，杨 明，戴广明，等.新一代高压大功率紧凑型发射机的设计［J］.现代雷达，2014，36(7):65-67，72.Liu Chao，Yang Ming，Dai Guangming，et al.Integrative design of a novel compact high power klystron transmitter［J］.Modern Radar，2014，36(7):65-67，72.

［4］戴广明.大功率雷达发射机的“三化”研究［J］.现代雷达，2011，33(11):1-5.Dai Guangming.A study on universalization serialization and modularization of high power radar transmitter［J］.Modern Radar，2011，33(11):1-5.

［5］戴广明，田 为，黄 军，等.电流耦合型高压开关电源［J］. 电力电子技术，2007，41(4):71-73.Dai Guangming，Tian Wei，Huang Jun，et al.Current-coupling high voltage switching power supply［J］.Power Electronics，2007，41(4):71-73.

［6］戴广明，田 为，黄 军，等.基于新型DSP的高压开关电源［J］.现代雷达，2009，31(2):85-88.Dai Guangming，Tian Wei，Huang Jun，et al.Development of a new high voltage switching power supply based on DSP［J］.Modern Radar，2009，31(2):85-88.

［7］魏 智.发射机高压脉冲调制器的设计与实践［M］.北京:电子工业出版社，2009.Wei Zhi.Design and practice of transmitter high voltage pulse modulator［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2009.

［8］Gaudreau M，Casey J，Brown P，et al.High performance，solid-state high voltage radar modulators［C］//2005 IEEE Pulsed Power Conference.Monterey，CA:IEEE Press，2005:839-842.

［9］Brown P D，Casey J A，Mulvaney J M，et al.Improvements in radar transmitter performance and reliability using high voltage solid-state modulators and power supplies［C］//Proceedings of the 2002 IEEE Radar Conference.Bedford，MA:IEEE Press，2002:113-120.