一種機(jī)載干擾系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的設(shè)計*

王一農(nóng)

(中國電子科技集團(tuán)華東電子工程研究所 合肥 230031)

1 引言

有源欺騙干擾是雷達(dá)干擾領(lǐng)域中的重要組成部分。它通過在雷達(dá)回波中引入虛假目標(biāo)來迷惑和擾亂雷達(dá)對真正目標(biāo)的檢測、成像和跟蹤。在現(xiàn)代電子戰(zhàn)中,要迷惑對方雷達(dá),產(chǎn)生的信號波形必須與對方雷達(dá)發(fā)射波形的參數(shù)相似,以產(chǎn)生一個或多個假目標(biāo)。假目標(biāo)欺騙在現(xiàn)代電子戰(zhàn)中扮演著非常重要的角色[1]。

本文論述的干擾系統(tǒng)可用于機(jī)載平臺的自衛(wèi)干擾、支援干擾等。

2 技術(shù)指標(biāo)

為了滿足干擾系統(tǒng)復(fù)雜的系統(tǒng)功能,發(fā)射機(jī)必須適應(yīng)雷達(dá)信號形式多變的要求。同時機(jī)載平臺設(shè)計又要求發(fā)射機(jī)體積小,重量輕。而高功率密度設(shè)計又帶來散熱和高壓絕緣問題。

該發(fā)射機(jī)需要長時間工作在高空,因此設(shè)計時需要充分考慮系統(tǒng)的可靠性及電磁兼容性。

發(fā)射機(jī)技術(shù)指標(biāo)如下:

工作頻率:X波段

發(fā)射信號脈沖寬度:2μ s-連續(xù)波

輸入激勵功率:10dBm

輸出功率(連續(xù)波):50W

最大靜態(tài)噪聲:≤-45dBm

輸入電源:28V

3 方案選擇

行波管放大器具有工作帶寬寬、工作脈寬寬(可連續(xù)波工作)、使用靈活方便等優(yōu)點(diǎn)。行波管在我國已有多年的研制歷史,其產(chǎn)品覆蓋了從厘米波至毫米波的很寬頻段,并且寬帶的連續(xù)波行波管已有定型產(chǎn)品。

圖1 發(fā)射機(jī)組成框圖

綜上所述,根據(jù)技術(shù)指標(biāo)的要求,在對行波管調(diào)研的基礎(chǔ)上,本發(fā)射機(jī)采用行波管放大器方案。行波管選擇一級降壓收集極行波管。這種行波管是一種寬帶、中功率、幅相一致小型化行波管,它可以工作在脈沖及連續(xù)波兩個工作狀態(tài)。

發(fā)射機(jī)組成框圖如圖1所示。其中集成電源包括行波管和其它電路所需的所有高低壓電源。

4 集成電源設(shè)計

集成電源提供TWT與控制、保護(hù)電路的所有高低壓電源,電源可劃分為以下幾個功能塊[2,6]:

1)高壓電源:提供TWT陰極與收集極的直流高壓。

2)輔助電源:提供TWT燈絲、聚焦極偏置電源,及控保電路所需各種低壓電源。

3)調(diào)制器:控制TWT電子注的通斷,使其適應(yīng)脈沖工作的需要。

集成電源的組成框圖如圖2所示。

圖2 集成電源組成框圖

4.1 高壓電源設(shè)計

高壓電源包括TWT管體及收集極電源。降壓收集極行波管的管體高壓和收集極高壓的供電采用串聯(lián)供電方案[4],原理框圖如圖3所示。

高壓電源包括主逆變電路、高壓變壓器、整流濾波電路和后置調(diào)節(jié)器,如圖4所示。

為減小電源體積,提高效率,逆變器采用全橋移相變換技術(shù),其優(yōu)點(diǎn)是電源工作頻率恒定,可與發(fā)射機(jī)的調(diào)制脈沖同步(倍頻或分頻),可有效提高發(fā)射機(jī)的改善因子[3]。同時全橋移相軟開關(guān)技術(shù)利用開關(guān)管的結(jié)電容和高壓變壓器的漏電感作為諧振元件,使開關(guān)管達(dá)到零電壓開通,降低了電路的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。

電源主要指標(biāo):

輸入:直流,28V±10%

輸出兩組電壓:

行波管陰極電壓(以管體電位為參考):

高壓電源實(shí)驗(yàn)波形如圖5所示。

圖5 高壓電源實(shí)驗(yàn)波形圖

4.2 輔助電源與調(diào)制器設(shè)計

輔助電源包括控制電路所需的低壓電源,高壓端燈絲與偏置電源控制及驅(qū)動所需的各種低壓電源。提供TWT燈絲電源(6.5V/0.7A)、負(fù)偏電源(-950V)和調(diào)制開關(guān)MOSFET驅(qū)動電源(15V),都懸浮于陰級高電位上。

發(fā)射分系統(tǒng)監(jiān)控保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)以下功能:

圖6 調(diào)制器原理圖

1)開關(guān)機(jī)控制;

2)發(fā)射機(jī)保護(hù):陰極電源過欠壓保護(hù)、主逆變器過流保護(hù)、燈絲電源過欠流保護(hù)、螺旋線過流保護(hù)、收集極過溫保護(hù);

3)指示:包括燈絲加熱指示、高壓正常指示以及故障指示;

4)形成調(diào)制器的開啟、關(guān)斷與截尾信號;

為適應(yīng)系統(tǒng)的需要,控保邏輯電路應(yīng)可靠性高、體積小、接口盡量簡單。為此我們采用以可編程邏輯器件CPLD為基礎(chǔ)設(shè)計的控保專用集成電路(ASIC)。采用ASIC,不僅可大大減小電路的體積與重量,降低功耗,提高可靠性,還可降低綜合成本[7]。

5 結(jié)構(gòu)與封裝

由于發(fā)射系統(tǒng)功率損耗主要體現(xiàn)在行波管收集極區(qū)域,為方便散熱,集成電源封裝在一個矩形鋁盒內(nèi),行波管單獨(dú)放置于機(jī)箱內(nèi),采用強(qiáng)迫風(fēng)冷。行波管與電源通過高壓連接器連接。

集成電源散發(fā)出的熱量或經(jīng)襯墊或直接通過鋁底板散熱,其中變壓器、電感直接固定在底板上,各功率開關(guān)管經(jīng)絕緣襯墊固定在底板上或焊接在陶瓷基板上?？紤]導(dǎo)線通流能力和散熱要求,主逆變模塊采用DBC陶瓷基板作為焊接基板。DBC陶瓷基板通流能力強(qiáng),0.3mm厚,1mm寬的覆銅層在連續(xù)通流100A時,溫升不超過20℃。DBC陶瓷基板的導(dǎo)熱率大于20W/m.k,導(dǎo)熱效果良好[8]。

6 高壓灌封

由于發(fā)射機(jī)對體積、重量有嚴(yán)格要求,并且低氣壓、沖擊振動、高低溫差等使用條件都極嚴(yán)苛。因此,要提高高壓器件的抗電強(qiáng)度,保證高壓電源的可靠性,固體灌封是最有效的辦法之一。固體灌封材料一般選擇硅凝膠或硅橡膠。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)硅凝膠的溫度膨脹系數(shù)較大,在高低溫的沖擊下,灌封材料膨脹收縮,可能導(dǎo)致灌封材料和基板的結(jié)合部分開裂或脫層,影響低氣壓下絕緣耐壓性能。硅橡膠灌封材料,溫度系數(shù)小,抗溫度沖擊能力強(qiáng)。并且它的導(dǎo)熱效果也要好于硅凝膠。更適合這種環(huán)境條件嚴(yán)苛,體積重量有嚴(yán)格要求的發(fā)射機(jī)[5]。

7 測試結(jié)果

發(fā)射機(jī)在脈沖重復(fù)頻率為20kHz,脈沖寬度為5μ s時測得的射頻輸出檢波包絡(luò)如圖7所示。射頻輸出檢波包絡(luò)的前后沿均小于20ns。

圖7 發(fā)射機(jī)輸出波形

8 結(jié)語

行波管放大器具有單管功率大、工作帶寬寬、工作脈寬寬等優(yōu)點(diǎn)。采用降壓收集極后行波管效率可以得到較大提高。

這種應(yīng)用于機(jī)、彈載平臺的發(fā)射機(jī),要求體積小、重量輕并且工作環(huán)境嚴(yán)苛。這就要求在設(shè)計中充分考慮高功率密度,同時處理好高功率密度要求與散熱、高空下高壓絕緣的關(guān)系。

[1]李源,陳惠連.逆合成孔徑雷達(dá)多假目標(biāo)欺騙干擾研究[J].信息與電子工程,2008,6(6):405～408

[2]徐曉榮.X波段無人機(jī)載SAR發(fā)射機(jī)的設(shè)計[J].雷達(dá)與對抗,2005,1(4):36～39

[3]丁志剛,胡育文.ZVS DC/DC全橋變換器的研究[J].電力電子技術(shù),2003,37(3):39～42

[4]強(qiáng)伯涵,魏智.現(xiàn)代雷達(dá)發(fā)射機(jī)的理論設(shè)計和實(shí)踐[M].北京:國防工業(yè)出版社,1985

[5]佟文清,謝政.雷達(dá)發(fā)射機(jī)高壓絕緣灌封工藝技術(shù)[J].電子機(jī)械工程,2009,25(1):56～64

[6]孫方禮.行波管發(fā)射機(jī)的模塊化設(shè)計[J].雷達(dá)與對抗,2007,12(1):77～80

[7]王強(qiáng).雷達(dá)發(fā)射機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2001,8(4):52～55

[8]羅雁橫,張瑞君.新型陶瓷/金屬化合物基板—直接敷銅板[J].電子與封裝,2005,6(2):85～88