柵控行波管雷達發射機監控系統＊

王劉軍 劉昌錦

（1.陸軍軍官學院研究生管理大隊一隊 合肥 230031）（2.陸軍軍官學院三系防空兵教研室 合肥 230031）

1 引言

雷達發射機是整個雷達系統的重要組成部分，其性能和品質直接影響決定著雷達整機的性能和品質。而柵控行波管雷達發射機處于高電壓、高增益、高頻率、大功率的工作環境中，極易出現自激、串擾、擊穿、打火等故障，成為雷達整機中可靠性最低的系統［1］。因此，為了提高發射機的可靠性，除了通過改進發射機尤其是其中行波管的制造工藝的方式外，設計出一個能夠擔負對發射機技術參數和工作狀態進行監視、控制、調節和保護的系統也是一種重要的方式。同時，監控系統要能夠保證自身工作的絕對準確和可靠。

2 發射機監控系統發展現狀

發射機監控系統的作用是實現對雷達發射機的開關控制、工作狀態監測和指示、故障的監測、定位和處理、關鍵參數測試等，并且要能夠實現與雷達主控臺之間的通信。因此，要使雷達發射機能夠長期穩定工作，必須要有一個可靠的發射機監控系統。目前，應用于發射機的常用監控系統分為四類。

1）基于繼電器連鎖電路的監控系統

發射機監控系統早期主要采用繼電器連鎖電路作為監控系統的主電路，其優點是結構簡單、電路可靠。其缺點是系統體積大、控制方式不靈活、硬件接線較多、遠程控制不方便、故障保護響應速度慢等［2］。該類監控系統設計的主要思路是：通過控制發射機各部分的供電來控制發射機各部分的工作狀態，以交流接觸點為執行元件，以繼電器為驅動元件。其故障判定方法是：將發射機各部分引出一對斷開觸點，將其接通監控系統中的一個繼電器，通過繼電器觸點進行電路連鎖和故障指示，當出現故障時觸點閉合。

2）基于單片機的監控系統

伴隨著微處理的發展，發射機監控系統也逐漸向集成化、智能化方向發展，在發射機的監控系統中開始大量使用單片機。其優點是：適應范圍廣、響應速度快、能夠處理各種模擬和數字信息、有通信接口，能夠把采集到的發射機的狀態、故障、參數等信息通過標準通信結構傳送到雷達主控臺等［3］。缺點是抗干擾性差、顯示能力差、對較大的系統不能較好地適應等。因此該類監控系統在強電磁干擾環境中，需要在硬件和軟件上采用多種抗干擾措施。

3）基于嵌入式工控機的監控系統

基于嵌入式工業控制機（簡稱工控機）來設計監控系統能夠克服基于單片機的監控系統的不足，同時其優點還有：（1）兼容性好，易于升級；（2）軟件資源豐富，所有在PC上能運行的軟件都可在工控機上運行；（3）人機界面較為友好；（4）通信組網功能強大，工控機提供的各種網絡適配器支持各種通信方式，因而可以構成較大的分布式控制系統；（5）模塊化結構，維修方便；（6）可靠性高，電磁兼容性好等［4］。

4）基于可編程邏輯控制器的監控系統

雖然可編程邏輯控制器（PLC）也屬于單片機系統的范疇，但是PLC經過了規范化的設計和工業控制中的大量使用，以及嚴格的電磁兼容實驗，目前已經發展成為最可靠的控制器之一［5］。事實上，PLC是由繼電器控制系統發展而來的，只不過是使用集成電路和內部邏輯代替了分立繼電器、定時器、計數器和其他設備，具有較大的容量、精度和更大的靈活性。為了能夠在強電磁干擾環境中適用，PLC采用了有效的電位隔離、瞬態控制和濾波等抗干擾技術，使其內部電路能夠可靠穩定地運行。同時，PLC還具有開放的通信協議，能夠比較容易地實現遠程精確控制。

3 柵控行波管發射機監控系統

隨著新型控制器件的不斷問世，發射機監控技術近年來取得了突飛猛進的發展。柵控行波管發射機監控技術從最初的繼電器控制電路發展到現在廣泛采用的工控機及PLC系統。工控機由于抗干擾性能好，功能強大，可以用于發射機控制臺；PLC由于采用了模塊化設計，各種接口形式的模塊比較齊全，可以根據需要對模塊的種類和數量進行選擇。柵控行波管雷達發射機監控系統框圖如圖1所示。

圖1 柵控行波管雷達發射機監控系統

柵控行波管雷達發射機主要由前級放大器、調制器、高頻部分、柵控行波管、各種電源和冷卻系統等組成［6］。監控系統的控制核心是PC／104，采用模塊化結構，PC／104主板由PC／104工控機和復雜可編程邏輯器件（CPLD）組成，由其引出通信接口，并將背板引接到ISA（Industry Standard Architecture）總線上。輸入板由CPLD、A／D變換和光電耦合器件組成，完成對發射機狀態和故障信號的采集工作，并將信號通過接口電路傳送至ISA總線，由PC／104工控機讀取和處理。輸入板由CPLD、光電耦合器件和驅動器件組成，將來自ISA總線的控制信號經隔離驅動傳送到發射機的各個部分。

同時，為了處理一些需要很快響應速度的故障保護信息，在輸入板上還有快速保護通道，一旦出現該類故障，輸入板直接通過快速保護通道將信號直接送到輸出板。顯示器用于顯示發射機的各項參數以及故障原因等，它與觸摸屏共同構成了監控系統的人－機交互界面。另外，監控系統不僅要能夠實現對本地控制、信號采集、故障處理和狀態顯示，還必須能夠接收雷達總控臺的控制指令、同步信號、故障處理以及狀態控制等，并通過以太網向雷達總控臺發送本地故障和狀態信息［7］。

雷達發射機加電后，監控系統首先對自身的內部器件進行初始化檢測，要確保自身能夠正常工作后，才能對雷達發射機進行監控。根據系統框圖可以看出，檢測系統的工作方式包括本地監控和遙控監控兩種。事實上，遙控監控只是在本地監控的基礎上，能夠接收雷達控制臺的控制指令，同時發送發射機的各種參數。

在本地監控狀態下，柵控行波管雷達發射機開機程序是：1）開冷卻系統電源及鈦泵電源；2）開低壓電源及柵極正、負偏壓電源和燈絲電源；3）當預熱時間已到和無故障信號時，可送出高壓準加信號；4）高壓準加信號到了以后，即可接通高壓電源。當高壓逐漸加到額定電壓后可加柵極觸發脈沖；5）行波管工作正常后，接通高頻激勵信號。在關機時由于燈絲溫度下降較慢，因此在斷開燈絲電壓后，負偏電壓仍要保持幾分鐘，以免對柵極造成破壞。發射機的關機程序與開機程序相反：1）切斷射頻激勵信號；2）切斷直流高壓及柵控驅動脈沖信號；3）關低壓、燈絲電源；4）延遲幾分鐘后，自動關冷卻系統電源，以保證行波管及發射機的充分冷卻［8］。

在雷達發射機正常工作的情況下，監控系統綜合發射機各個傳感器采集的數據信息，進行實時的檢測、判斷和顯示。當發射機產生故障的情況下，監控系統首先應當切斷發射機的觸發脈沖和高壓，然后將故障信息傳送出來并進行顯示，同時保留相關故障數據，以便事后對故障進行分析和處理［9］。

4 柵控行波管關鍵參數檢測

在雷達發射機工作中，需要實時對關鍵參數進行采集和監控，以便人員能夠及時了解發射機的工作狀態。一旦故障發生，能夠通過發射機監控系統進行自動或人工的保護。在對各項參數進行采集的過程中，需要進行多路信號同時采集，然后再通過一定的算法，可以判定行波管的工作狀態。

同時，要保證參數檢測的結果是可靠的，應當從以下兩個方面入手。第一，檢測的方法要正確，選擇滿足精度要求的經過計量部門鑒定的合適檢測儀表；第二，由于發射機內部的強電磁干擾環境，多路信號的參考電位會產生差異，導致參數檢測不準確，因此在參數信號采集的過程中，需要采用電流互感和光電耦合等技術進行電磁干擾防護。

柵控行波管是雷達發射機的核心部件，因此對其主要技術參數進行檢測是整個監控系統最首要的任務和關鍵所在。由于雷達發射機在出廠時已經經過了密封處理，因此在線監測系統是不能通過直接的方式對關鍵參數進行采集的。同時，由于監測系統的目的是監視和控制發射機的工作狀態，發現判定故障和故障保護，不同于行波管的設計和出廠檢測，所以也沒必要對其進行直接參數采集。因此可以采用電源監控的方法對關鍵參數進行間接采集和控制，其結構框圖如圖2所示。

其中的采集系統主要由各級電壓／電流采集、電壓頻率轉換（VFC）、隔離傳輸光纖、頻率電壓轉換（FVC）和多路ADC等部分組成，其主要結構框圖如圖3所示。

圖2 行波管電源監控方式

圖3 采集系統

5 結語

柵控行波管雷達發射機監控系統正在向著高度智能化、自動化、人－機界面友好的方向發展。與固態雷達發射機相比，真空管雷達發射機需要保護和監測點較多，系統結構復雜，且工作環境電磁干擾嚴重，一個可靠穩定有效的監控系統是雷達發射機性能水平的一個重要標志。隨著監控新技術的不斷發展，必將使雷達發射機具有更好的穩定性和可靠性。

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