脉冲行波管发射机保护功能的设计

张剑 宋越 周明

摘 要本文主要介绍了宽带栅控脉冲行波管发射机保护措施的重要性和必要性以及一些保护措施的实现方法。

【关键词】脉冲行波管 发射机 过流 反射驻波 保护电路

脉冲行波管发射机属于高增益、高电压、高功率设备，其主要功能是对工作频段内的射频小信号进行放大并输出，通过天线辐射到空间。发射机中，脉冲行波管属于核心器件，价格昂贵，其性能直接决定了发射机的性能以及系统的可靠性和稳定性，因此保护功能的设计主要是围绕着行波管开展的。本文结合某型宽带脉冲行波管发射机为例，介绍了整机保护功能的设计与实现。

1 系统控制及故障信号传输

1.1 系统控制

发射机的系统控制主要是完成发射机的对外通信、开/关机控制、实时进行工作状态的监测与故障检测、判定和处理。出现异常时可自动断电，保护行波管。

栅控脉冲行波管发射机有严格控制要求，需合理设计控制电路，保证栅控行波管的加电顺序：

（1）加栅极负偏压和灯丝电压，达到预热时间要求，各种参数正常后；

（2）加行波管各极高压；

（3）加栅极调制脉冲；

（4）加射频激励。

关电时则顺序相反。当发生故障时，首先需及时关断栅极调制脉冲，使栅极处于截止状态，然后切断高压，发送故障状态指示和故障类型。

1.2 故障信号传输

行波管的工作电压通常在几千伏到十几千伏，而发射机的控制保护电路则工作在低压状态。为了减少控保电路受到的干扰，通常故障检测电路与控保电路之间需采取必要的隔离措施，而对悬浮在高压上的故障信号的传输还须具备高压隔离能力，一般可采用光纤传输、高压光耦或振荡器加脉冲隔离变压器等。后者成本较低且简单易行，可靠性较高，得到广泛应用。

2 故障保护功能的设计与实现

2.1 行波管灯丝电流的检测与保护

行波管的灯丝用于为行波管阴极加热，使阴极以需要的速率发射电子；并且灯丝是有寿命的，要尽量避免其受到较大的电流冲击。但是冷态的灯丝具有低阻特性，因此需要限制刚接通时的浪涌电流，一般不超过额定电流的1.5倍；当行波管工作时，若灯丝电流欠流，则易导致行波管打火，若灯丝过流，则易使阴极寿命缩短。因此灯丝电流检测保护非常重要，在灯丝电源启动时，需采取限流措施，当灯丝进入热态后，灯丝电源进入稳压状态，需实时检测灯丝电流，以便出现故障时及时采取有效的保护措施，避免行波管因长期工作在过流状态而受到损伤。

本例发射机采用的是直流灯丝电源，灯丝电流检测电路见图1。使用霍耳传感器将电流信号转换成电压信号，送至开关电源控制芯片的误差放大器，通过控制电路起到恒流作用；同时将信号与基准电压进行比较器，判定是否故障，进行故障保护处理。

2.2 行波管螺旋线电流检测与保护

螺旋线过流保护是发射机行波管保护电路中最基本也是最重要的保护，其基本原理是当螺旋线电流超过预设值时，立刻切断栅极调制脉冲和高压。

对于栅控脉冲行波管，加电工作处在放大状态时，电子注总流一部分流向螺旋线，一部分流向收集极，但由于电子能量交换的效率、相速变化等原因，在调制脉冲开通和关断瞬间，会产生散焦现象，导致螺旋线电流过流。而螺旋线耐功率能力有限，过流会烧毁螺旋线，因此需对螺旋线电流进行检测，检测电路示意图见图2。

通过串联电阻R1可将电流信号转换为电压信号，并与基准电压比较，判定是否过流，将故障信号输出至控保电路，如图2（a），该电路出现异常响应速度快，但取样与控制电路不隔离，行波管打火时过大的尖峰电压会造成控保电路损坏，因此可以采用继电器和光耦将取样信号隔离后传送至控制保护电路，如图2（b），此种方式响应时间受限于继电器的吸合时间。

2.3 驻波反射检测与保护

行波管发射机损坏的重要原因之一就是输出反射功率过大，导致行波管输出窗损坏。当行波管输出链路阻抗不匹配时，就会出现反射驻波过大的情况，如果反射功率过大会引起电子注散焦将导致螺旋线过流烧毁，也会是输出同轴线的内导体发热损坏输出窗，因此必须采取措施进行保护。本例发射机是宽带脉冲行波管发射机，而宽带的隔离器和环形器较少且其插损和驻波等技术指标参数通常无法满足要求，因此采用双定向耦合器和检波器实现驻波检测和保护功能。

图3中通过耦合器的反向耦合端检测反射功率的峰值，送入检波电路与基准门限比较，当反射功率达到或是超过设定门限时，即判为反射功率故障，由控保电路关断行波管栅极正偏并切断高压。门限的确定取决于发射机输出功率和负载驻波比ρ。发射机输出馈线系统的驻波比一般在1.5～2之间，取ρ=2，假设发射功率为2kW，反射系数K =（ρ-1）/（ρ+1）=0.33，反射功率P=P×K =217.8W。经过耦合器反向耦合40dB衰减后，反射功率为21.78mW，转换为13.3dBm，由此可根据实际情况调整保护门限。使用双定向耦合器还可以同时对行波管输出功率进行检测，原理相同。

2.4 调制脉冲检测与保护

栅控脉冲行波管的工作比和最大脉宽都有限制，一旦发生过脉宽或过工作比现象，轻则影响发射机的性能；重则损坏行波管，导致发射机无法工作，因此在使用中对调制脉冲的宽度和工作比是必须加以实时监控和保护的。

图4是调制脉冲宽度和工作比检测原理图，本例采用意法半导体公司的STM32F10X系列ARM微控制器，其通用定时器具有输入捕获功能，可以用于测量输入信号的脉冲长度，再通过计算，可以求得脉冲占空比，辅之以简单的外围电路，即可实现脉冲信号的脉宽和占空比的测量与保护处理。图5是脉冲检测与保护的逻辑关系图。

3 结束语

本文以宽带栅控行波管发射机为例，分析了保护措施的重要性和必要性，并介绍了保护电路的实现方法。除上述以外，对发射机的保护还有很多方面，如脉冲行波管的工作各极工作电压的检测和保护、行波管过热保护、发射机散热系统的检测与保护等。

参考文献

[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.

[2]杨旭，裴去庆，王兆安.开关电源技术[M].北京：机械工业出版社，2002.

[3]郭高峰.栅控行波管雷达发射机的控制与保护[J].元器件与应用，2009，22：200-202.

作者简介

张剑（1978-），男，山东省青岛市人。现为中国电子科技集团公司第51研究所设计师。研究方向为发射技术。

作者单位

中国电子科技集团公司第51研究所 上海市 201802