X波段高功率发射机的设计与实现

徐小杰

(海军702厂，上海 200434)

0 引言

在维修某电子产品时，需要研制设计一款X波段的高功率发射机，要求其输出功率不小于2 kW，且具备成本低、体积小、质量轻、性能好等特点。

X波段高功率发射机可采用自激振荡式和主振放大式两种方式实现。自激振荡式发射机可采用磁控管振荡器等设计实现，主振放大式发射机可以采用行波管、速调管、固态放大器等设计实现。固态放大器输出功率均偏小，行波管和速调管成本过高。综合考虑设计要求，最终采用磁控管振荡器实现X波段高功率发射机设计。本文介绍一款工作在X波段的磁控管自激振荡式高功率发射机，该发射机工作电压为6000 V，工作电流为75 μA，输出功率大于2 kW，输出接口为波导输出，能够满足设计要求。

1 高功率发射机设计

本文主要研制一款工作在X波段，输出功率大于2 kW，输出接口形式为BJ波导输出的磁控管自激振荡式高功率发射机。经过指标计算和分解，该X波段高功率发射机系统由脉冲放大器、调制器、高频振荡器、稳压电源、高压电源等组成，其原理框图如图1所示。

图1 X波段高功率发射机原理框图

1.1 脉冲放大器

本脉冲放大器主要由脉冲变压器T1、开关三极管Q1等组成。根据调制器中闸流管的要求，脉冲放大器将整机送来的幅度为3 V、宽度为1±0.1 μs的发射脉冲，经过整形、放大，产生闸流管点火脉冲，供闸流管栅极点火触发，其电原理图如图2所示。发射脉冲由整机送来后经过C2隔直加到Q1的栅极上，在脉冲间歇期间Q1截止，当发射脉冲来到时Q1工作，约200 V的电源电压大部分降到脉冲变压器T1的初级上，该电压经过T3的次级形成输出幅度大于100 V、宽度约为1.2 μs的点火脉冲。点火脉冲通过T3次级经C5、L1送至闸流管VE1的栅极。

图2 脉冲放大器电原理图

1.2 电源系统

电源系统主要包含稳压电源、灯丝电源、高压电源三部分。稳压电源部分是由整机提供的直流230 V电压，用于给脉冲放大器提供工作电压。灯丝电源主要由2个灯丝变压器通过整机提供的交流220 V电压变换得到闸流管灯丝电压1和磁控管灯丝电压2。高压电源是通过整机提供的交流220 V电压变换得到调制器工作所需的直流1000 V电压。其原理图如图3所示。

图3 电源系统电原理图

图4 调制器电原理图

1.3 调制器

调制器的任务是根据高频振荡器工作的需要，提供规定脉宽、规定重复频率和规定幅度的脉冲电压。该发射机采用的是线型脉冲调制器，也称软性脉冲调制器。所谓线型脉冲调制器，其实质是通过电压在形成线(又称人工线)中的传播来形成脉冲的。主要由充电电感L3、脉冲人工线D1、闸流管VE1、脉冲变压器T5等组成，调制器电原理图如图4所示。1.3.1 人工线人工线在线型调制器中起着储存能量和形成脉冲的双重作用。人工线的工作原理，实际上就是模拟开路传输线放电形成脉冲的原理。 对于一个已经充上电压E的开路传输线L，在其始端接入负载电阻R，R的值等于传输线的特性阻抗ρ时，R上就能得到一个E/2幅度的脉冲，如图5所示。用均匀开路传输线的放电形成脉冲虽然是可行的，但若要产生一个0.1 μs的脉冲，分布参数的长线L很难实现。例如，用空气介质的同轴线形成0.1 μs的脉冲，其长度L为(0.1/2)×3×108×10-6=15 m，在发射机内安装15 m高压同轴传输线显然是不可行的。于是采用了集中参数(电感L和电容C)的人工线来模拟分布参数的均匀传输线，这就是本文设计所使用的人工线。该发射机人工线采用的形式是：把一段均匀的无损耗传输线分成几个依次连接的长度相等的小部分，把每一小部分的分布电感的总和用集中参数的电感L来表示，再把每一小部分的分布电容用集中参数的电容C来表示。这样就会得到如图6所示的人工线原理图，用来形成0.1 μs的脉冲。在这里，人工线的阻抗为：ρ=(L/C)1/2

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1.3.2闸流管闸流管具有工作电压高、脉冲电流大、点火时间稳定、消电离速度快和管压降小等优点，因而是线型脉冲调制器中应用最多的一种开关器件。由于其管内充有氢气，所以又称氢闸流管。普通的闸流管有三个电极：阳极(或称板极)、栅极和阴极，此外还有一个加热氧化物阴极用灯丝和一个氢发生器。该发射机使用的陶瓷闸流管就是其中的一种。

图5 开路传输线形成

图6 人工线原理图

图7 直流电感充电等效电路

氢发生器是一个装有钛氢化合物粉末的小管，能在加热时释放出氢气，并在温度不变的情况下保持管内有一定的气压。通常加热氢发生器用的热丝与灯丝是并联在一起的。闸流管在接通灯丝电压以后，管内不能立即出现稳定的气压，故要求灯丝有3～5 min的预热时间。管内气压不足或者管内气压过高，都会导致闸流管工作异常或者缩短寿命，管内气压与氮发生器的温度密切相关，所以在闸流管使用期间，其灯丝电压的变动不允许超过额定值的±5%～±7%。闸流管具有良好的触发特性。触发延迟时间非常短，时间跳动也很小，在寿命期内参数的变化很小。但为了触发闸流管，必须在栅极之间提供足够的正电压并供给栅阴一定的电流。该发射机的闸流管栅极发射脉冲的幅度约为100～200 V，宽度约为1～1.5 μs，幅度或宽度不够都会影响闸流管触发的稳定性。1.3.3调制器的充电线型调制器的工作可分为充电和放电两个过程。充电电路通常由电源、储能元件和负载组成。为了防止在脉冲期间电源被开关管短路，在电源与开关管之间必须接有隔离元件。充电隔离元件有充电电感和充电电阻两种。采用充电电阻效率较低，在小功率调制器中对充电效率要求不高时可以采用。而大功率调制器几乎都选择了充电电感作隔离元件。在调制器的充电电路中，由于充电时间比放电时间大得多，且充电电感远比人工线的电感和脉冲变压器初级的等效电感大得多，所以，可以把人工线等效为一个电容C0，其容量即人工线电容的值。这样，直流电感充电电路就可以等效为图7。1.3.4调制器的放电线型调制器的放电电路，正如前文所介绍的人工线的放电电路，当负载阻抗等于人工线的特性阻抗(R=ρ)时，为匹配放电，负载R上所得到脉冲电压幅度约为人工线充电电压的1/2，此时，输出功率最大，其传输效率接近于1。在失配的情况下，其传输效率也就随之降低了。然而负载阻抗往往会由于某些因素而变化，从而破坏电路的匹配性。例如磁控管的老化，会引起负载阻抗增大，可能会出现正失配的放电状态，而正失配放电又会导致闸流管连通，破坏调制器的正常工作。此外，磁控管或脉冲变压器打火，引起负载短路，使电路处于严重的负失配放电，这就不仅破坏了人工线的稳定充电过程，而且有可能在人工线上建立起足以使闸流管击穿的危险过电压。所以在设计调制器的放电电路时，一般都采用略微负失配的状态，避免发生正失配现象。1.3.5脉冲变压器该发射机在线型脉冲调制器中，采用了脉冲变压器，用于实现磁控管振荡器工作所需的高压脉冲电。其主要功能为：通过变化，改变脉冲电压的幅度；改变脉冲电压的极性；使负载电阻与信号源的阻抗相匹配；采用数个次级，可以得到不同幅度、不同极性的数个脉冲电；可作耦合元件，消除输出电压的直流分量。

1.4 高频振荡器

磁控管振荡器是一种经济实用的微波振荡器。它的主要特点是功率大、效率高、工作电压低(与其它高功率微波源相比)，其结构简单，从而带来体积小、质量轻、使用方便、工作可靠、成本低等一系列优点，因此获得了广泛的应用。磁控管的品种繁多，按工作状态可分为脉冲磁控管和连续波磁控管；按频率是否可调分为固定频率磁控管和频率可调磁控管；按调频方式可分为机械调频磁控管、旋转调频磁控管和电压调谐磁控管；按内部结构，又可分为普通磁控管、同轴磁控管和反同轴磁控管。 磁控管的主要技术参数包括：振荡中心频率及调频范围，输出脉冲功率，脉冲宽度和工作比，阳极电压，脉冲工作电流，热丝电压和电流，使用环境条件，结构要求，灯丝预热时间等。磁控管是利用外加的直流电场和恒定磁场(非包装式也有交流磁场)来控制电子的运动，使其与慢波系统的交变磁场相互作用而产生振荡的微波器件。磁控管采用封闭的环形慢波系统(即磁控管的阳极)，环形慢波系统的中间，有一个圆柱形的氧化物阴极，阴极内部是灯丝，灯丝的一端与阴极相连接。在慢波系统的一个腔体中放入一个耦合环，用以把管内的高频能量引出，并转入波导输出端。该X波段高功率发射机使用的是旋转调谐频率磁控管。

2 样件制作与测试

设计完成后，进行了X波段高功率发射机样件的加工、装配、测试，样件装配满足设计要求，图8是X波段高功率发射机实物图。X波段高功率发射机测试结果满足技术要求，输出波形完整。

3 结束语

本文基于线型脉冲调制器技术，通过设计研制，在X波段产品工作频带内，实现了输出功率2 kW的高功率发射机，尺寸为350 mm×230 mm×200 mm，该发射机具备成本低、体积小、质量轻、性能好等特点，满足产品设计要求。经测试，该X波段高功率发射机在工作频带内，参数测试合格，工作性能稳定，满足设计要求，已生产用于整机系统，并显著提高了整机性能，完成了某电子产品的维修任务。■