大功率高原型发射机的设计

王登峰

(南京电子技术研究所，　南京 210039)



大功率高原型发射机的设计

王登峰

(南京电子技术研究所，南京 210039)

摘要：结合某高原型雷达发射机的研制和实践，介绍了一种具备5 000 m高原工作能力的大功率速调管发射机的设计。给出了系统方案，重点介绍了固态调制器、高压绝缘、快速电弧保护电路、速调管打火保护等关键技术。所设计的发射机具有体积小、效率高、维修性好等特点。实践表明：该发射机的环境适应性和可靠性满足设计指标要求。

关键词：高原型发射机；固态调制器；高压绝缘；高可靠性

0引言

大功率速调管发射机具有输出功率大、增益高、效率高等特点，广泛应用于测控、机载预警、电子对抗等产品中[1]。但由于电压高、电流大，发射机一般体积庞大、质量较重，主要以地面固定式为主。

随着雷达在军事、民用事业和科学研究等众多领域日益广泛的应用，尤其是高海拔地区作战的军事需求，雷达发射机需要具备很高的机动性和全区域环境工作能力。目前，国内研制的大功率速调管发射机大都只能工作在海拔3 000 m高度以下，研制一种具备海拔5 000 m环境工作能力的车载大功率高原型发射机对提高雷达的性能和作战能力具有重要意义。

1发射机的组成

发射机采用主振放大式体制，以多注速调管为放大链核心，组成框图如图1所示。

固态调制器将高压电源产生的稳定直流高压变换为脉冲高压，对多注速调管进行阴极调制。来自信号源的10 mW左右的射频信号经过前级固态放大器和末级多注速调管两级放大后，输出功率满足指标要求。

图1　发射机组成框图

2关键及难点技术

2.1全固态调制器

速调管发射机现阶段普遍采用阴极调制方式取代原先的控制极调制方式[2]。由于阴极调制时速调管的阴极为脉冲高压，而控制极调制时为直流高压，因此，阴极调制发射机打火概率低、可靠性高。阴极调制方式的关键是全固态调制器，它直接关系到发射机的性能和可靠性[3]。

全固态调制器一般采用高速绝缘栅双极晶体管(IGBT)作为开关管，在本发射机中，考虑到最高工作电压为20 kV，峰值电流为30 A，选用了一种1 200 V/72 A的IGBT管。这种IGBT管开关速度可达100 ns以上，开关损耗小于10 mJ。采用32组串联、每组3个IGBT管并联的方式组成调制器开关，每个IGBT管工作电压为625 V，调制器原理框图如图2所示。

图2　调制器电路框图

全固态调制器的开关管由多个IGBT串并联构成，并且工作时浮在高电位上。开关管驱动电路设计时既要考虑高低电位的隔离，又要保证各个开关管驱动信号的一致性，避免因为开通的不一致损坏开关管[4]。经过比较和实验，设计采用变压器耦合驱动方式，变压器铁心选用超微晶环形铁心，放置在高电位上，采用50 kV高压线穿线的方式构成初级，通过高压线来实现高低电位隔离。全桥驱动电路保证了所有的触发信号同步。为防止器件差异导致的开通不一致，在开关管的栅极和集电极之间串接真空触发开关，当开关管集电极和发射极电压超过警戒电压时，强制开关管导通，从而保护开关管。图3为驱动电路框图。

图3　驱动电路框图

实践证明：变压器耦合驱动方式具有很高的可靠性。

2.2高压绝缘技术

速调管发射机属于大功率设备，电压高、电流大，高压绝缘设计是发射机能否在高原环境下稳定工作的关键。高原环境下，对发射机正常工作影响较大的主要有低气压和日夜温差大。温差大能造成明显的热胀冷缩，引起结构应力变化，造成结露；再结合低气压影响，耐压绝缘距离下降，容易引起设备高压打火，使发射机无法正常工作。海拔高度与大气压关系如图4所示。

本发射机为车载设备，要求体积小、质量轻。如果采用传统的空气绝缘方法，发射机由于内部器件较多，器件形状和布局也不规则，大多为尖端放电类型。在一般情况下，海拔5 000 m时干燥空气的理论临界场强约为300 V/mm左右，通过空气绝缘需要较大的距离，使得发射机体积、质量大大增加，无法满足车载要求。因此，本发射机绝缘设计采用浸油法，将高压器件集中浸入油中，以提高高压器件间隙中介质的介电常数[5]。通过实验比较，最终选用45#变压器油作为绝缘介质。45#变压器油凝点≤-45℃,闪点≥135℃，满足发射机温度使用条件。其理论临界场强[E]≥18 kV/mm，远远大于空气的临界场强，因此，能很好地解决间隙小引起的绝缘问题，而且方便散热[6]。

图4　海拔与气压关系图

发射机的最高工作电压为20 kV，根据经验公式

L=5×U/E

(1)

式中：L为绝缘距离，单位mm；U为电压，单位kV；E为电场强度，单位kV。

油箱内高压部分的绝缘距离大于5 mm，能够保证发射机安全稳定工作。为减小体积和质量，油箱结构设计时还结合仿真分析，合理布局，采用高、低压器件分离的原则。

实验结果显示，采用PDCA管理后，我院中提前抽血标本、试管错误、漏抽血标本、登记错误、样本遗失的情况较质量管理前更优，组间差异具有统计学意义（P＜0.05）。见表1。

此外，考虑到绝缘油的热胀冷缩，油箱设计了膨胀补偿器。本发射机为车载设备，为方便野外维修，油箱采用油枕补偿方式，油枕正面设计有观察窗，用于指示油液面高度；顶部安装有吸湿剂，用于油箱与外界大气连接，并防止大气中的水分进入油箱。

通过对发射机的高低温、低气压实验验证，高压绝缘设计是可靠的。

2.3快速电弧保护电路

可靠有效地保护速调管是发射机设计成功的关键。为防止馈线系统出现异常损坏速调管，大功率速调管发射机均设计了电弧保护电路。

通常，电弧保护电路工作原理是：当速调管输出窗附近馈线系统内出现高频电弧时，检测电路将光信号转换成电信号，并由保护电路比较后送高电平给控保电路，由控保程序判断后关断高频激励，从而保护速调管。

这种软件保护形式由于控保程序的运行时间，总的故障动作时间为毫秒级。而随着大功率多注速调管发射机采用阴极调制方式以及高重频全固态调制技术的发展，发射机工作频率最高超过了10 kHz。为更快速有效地保护速调管及发射机，保证一个脉冲内关断高频，设计了快速电弧保护电路。

快速电弧保护电路采用直接硬件保护形式。电弧检测电路采样比较后输出的高电平信号直接关断高频使能，同时再送给控保电路显示故障，关断高压。快速电弧保护电路的工作原理框图如图5所示。

图5　快速电弧保护电路原理框图

图6　快速电弧保护电路时间测试图

2.4速调管打火保护设计

速调管是大功率发射机的核心，属于电真空器件，其内部为真空环境，通过钛泵来保持内部真空度。在工作时，无论在低压状态还是在高压状态，阴极处于千度以上的高温，阴极中的钡等材料会发生蒸散，使电子枪中聚焦极和阳极受到污染，该污染积累到一定程度，会使电极的耐压降低，引起高压下电极间放电，即打火[7]。阴极材料的蒸散是速调管的固有现象。与国外产品相比，国产速调管由于阴极材料及加工精度等原因，一般连续工作2、3个月后会出现偶尔的打火现象。经过打火后，电极上的污染物会被除去，电极间的耐压恢复，速调管又可正常工作。

由于打火时，速调管的脉冲电流迅速增加，峰值电流会上升到几百安培以上，为防止损坏高压电路和速调管，发射机设计了过流保护电路。在高压回路串入限流电阻以限制打火电流峰值。同时，采用了快速电流检测技术，快速驱动脉冲封锁技术，在打火瞬间能关断全固态调制器，可靠地保护调制器和速调管[8]。

图7为速调管打火的电压和电流波形，由图中可以看出，打火后2 μs内峰值电流已降为零，迅速有效地保护了速调管。

图7　打火时速调管电压电流波形

速调管打火严重影响了发射机的正常工作和雷达任务的执行，需要采取措施减少速调管打火的概率和尽量消除打火对发射机的影响。对速调管进行充分的老练可以有效地减少打火的概率。老练可以去除速调管绝缘陶瓷和电极表面的污染物，消除电极表面的毛刺和微突起，提高电极的击穿电压。发射机执行任务前可以采用降低电压老练的办法，清除电极表面的污染物，恢复高压电极的耐压水平。

为消除偶尔打火对发射机的影响，避免打火跳高压后手动复位加电时间长，影响雷达跟踪目标，本发射机设计了故障自复位电路。一旦速调管发生打火，过流保护电路动作，关断调制器，控保收到故障信息后立即自动复位故障并重新加电，如连续出现三次打火故障后则不再复位，需对发射机进行人工检查排故。该自复位电路能有效减少速调管偶尔打火和非破坏性故障对发射机工作的影响，提高执行任务的成功率。

3结束语

大功率速调管发射机由于体积、质量等方面的原因，一般一套雷达中只装备一套发射机,这使得发射机的可靠性显得尤为重要[9]。因此，减少发射机的故障率和保证发射机持续稳定工作是设计的重点和挑战。

大功率高原型发射机设计时充分考虑到车载设备和高原环境工作的要求，并针对多注速调管使用特点，采用了多项新技术和保护措施，有效提高了大功率速调管发射机的可靠性。经高原试验验证：发射机性能稳定，可靠，环境适应性强。

参 考 文 献

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HUANG Jun．Status and trends of vacuum electronics tube radar transmitter[J]．Modern Radar，2010，32(7)：87-91．

王登峰男，1978年生，高级工程师。研究方向为雷达发射技术。

王云香女，1962年生，硕士，研究员。研究方向为雷达罩电性能设计。

Design of High-power Plateau Type Transmitter

WANG Dengfeng

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039, China)

Abstract：Combined with the research on the plateau type radar transmitter, the design of a high-power klystron transmitter which worked on 5 000 m plateau is introduced. The block scheme of the transmitter is presented. The emphasis is placed on the solid state modulator, high-voltage insulation technology, fast arc protection circuit and the protection on klystron arcing. The transmitter has the characteristics of small volume, high efficiency and good maintainability. The practice shows that the enviromental flexibility and reliability of the transmitter can meet design index.

Key words：plateau type transmitter；solid-state modulator；high-voltage insulation；high reliability

DOI：·收/发技术· 10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.12.016

收稿日期：2015-07-20

修订日期：2015-09-19

通信作者：王登峰Email：nox3092003@163.com

中图分类号：TN957.7

文献标志码：A

文章编号：1004-7859(2015)12-0070-04