小型化直升機載雷達發射機研究

沈德剛，王 超

(1.海軍駐南京地區航空軍事代表室， 南京210002;2.南京電子技術研究所， 南京210039)

0 引言

作為直升機載雷達的一個外場可更換單元，發射機根據雷達系統的控制指令，為其提供滿足要求的大功率、高品質射頻信號。受直升機自身體積和載重量的限制，其對發射機技術發展有不同于其他機載雷達發射機的獨特要求，目前發展方向是:大功率、小體積、輕重量、工作更穩定可靠、維護性更好［1］。

發射機輸出功率是指發射機輸送至饋線系統的射頻功率，它決定了雷達的威力和抗干擾能力，是雷達可探測距離的重要因素。目前，直升機載雷達發射機，多采用電真空器件——行波管作為未級放大器，因此，發射機輸出功率的增加，受到行波管性能制約，即在一定轉換效率下，必須相應增加輸入功率，即提高行波管工作電壓和電流，或者延長行波管長度以提高轉換效率，才能實現增加輸出功率的目的。這就與體積小、重量輕的要求相違背，同時，為保證發射機長期、穩定工作，對高壓絕緣和散熱等問題的處理也就更加復雜。輸出功率越大，常常導致發射機體積越大，大功率、小型化機載雷達發射機設計具有一定難度。

1 設計方案

根據經驗，發射機設計方案由任務要求、技術水平和當前器件性能等多種要素綜合決定，通過確定發射機類型和組成加以實現。

1.1 發射機工作方式說明

雷達發射機一般分為自激振蕩式和主振放大式兩類。自激振蕩式發射機系統組成相對簡單，但性能較差，尤其是頻率穩定度低，不具備相干特性，也無法測速;主振放大式發射機組成相對復雜，但性能指標好，頻率穩定度高，可實現脈沖多普勒測速［2］。為滿足各種復雜需求，目前的直升機載雷達大多采用主振放大式體制，本文介紹的發射機應用于脈沖多普勒雷達，工作方式為主振放大式。

1.2 發射機組成說明

直升機載雷達工作模式多，要求發射機具備脈沖寬度和重復頻率變化范圍大、瞬時頻帶寬、工作效率高等特點，首選具有降壓收集極的柵極調制或聚焦極調制行波管，本文介紹的發射機選用兩級收集極降壓柵控螺旋線行波管。

由于柵極離陰極近，柵控行波管所需柵極調制電壓很低，一般在正、負幾百伏內，利用加到控制柵極的脈沖信號實現開關，適當改變該控制信號則可改變高功率發射信號的寬度和重頻，滿足任何實際操作需要，因此柵控行波管在中、小功率雷達中應用廣泛［2］。

直升機載發射機主要技術參數如下:

輸入供電:三相交流115 V/400 Hz、直流28 V;

工作頻段:X波段;

輸出平均功率:200 W;

重量:≤23 kg;

調制脈沖寬度范圍:0.5 μs～ 60 μs;

最大重復頻率:80 kHz。

組成框圖如圖1所示。

圖1 發射機組成框圖

2 電子器件

發射機是為輸出滿足要求的大功率射頻信號而設計，行波管性能決定了發射機的性能指標，發射機內其余組件均是為實現行波管正常工作而專門設計。

2.1 行波管

發射機選用柵控雙收集極行波管，陰極電壓-12 kV，收1對陰極電壓為0.67，收2對陰極電壓為0.33，效率≥25%，頻帶內輸入激勵功率1 W。

2.2 調制高壓組件

調制高壓組件為行波管工作提供高壓、調制脈沖、燈絲電壓等，具體功能介紹如下。

2.2.1 高壓電源

圖2 高壓電源原理框圖

變頻器電路設計采用全橋零電壓開關多諧振變換方式。輸入三相交流電首先要整流濾波成直流電壓，同時滿足國軍標對產品電磁兼容性的要求;然后通過反饋電壓控制的橋式變換器，將直流再次轉換成高頻交流，交流頻率的變化可實現對輸出高壓值的微調。變換橋的控制采用全橋零電壓開關，該控制方式可減小器件的開關損耗。提高交流頻率則可有效減小電源變壓器的體積和重量，更好地滿足對電源的寬動態響應和小型化的要求。

高頻交流電通過倍壓整流電路輸出行波管工作所需陰極電壓，收集極電壓從倍壓電路中按比例抽取，高壓電源的輸出濾波和儲能采用組合電容方式，集成度高且體積小，組合電容容量及品質對陰極電壓紋波等指標有影響。

出于檢測目標要求，雷達整機對發射單元輸出射頻信號提出相位噪聲要求，根據行波管各極電壓相位調制靈敏度對相位變化影響的大小，將總的相位偏移分配給各極電源電壓，計算出各極電源電壓的紋波要求，見表1。

表1 高壓電源紋波要求

高壓電源組件的另一設計難點是滿足機載條件下對絕緣和散熱的要求，同時對體積、重量加以控制。傳統高壓電路常常采用灌油密封方式，這有利于提高高壓電源抗打火以及散熱能力，但在體積和重量上就很難減小。本高壓電路則為干式設計，通過高低壓電路合理布局，空間間距以及絕緣材料應用等手段，在有效絕緣和散熱與盡可能減小體積和重量間實現最佳組合［3］。

2.2.2 調制器

柵控行波管用調制器也稱為浮動板脈沖調制器，由懸浮在高壓上的正負偏電源、MOS場效應開關管、限流保護電阻等組成，調制器受控形成控制行波管工作的柵極調制脈沖。調制器工作原理:控保電路對接收的定時差分信號進行處理，生成推動變壓器的脈沖信號，脈沖隔離變壓器實現定時脈沖的傳遞和高低電位隔離，原理框圖見圖3。

圖3 調制器工作原理框圖

調制器設計中高重頻脈沖的實現是設計難點，因為重頻越高開關管產生的功率損耗越多，因此，在設計調制器時，一方面要盡量減少分布電容對脈沖形成的影響，另一方面要采取有效的冷卻措施，保證開關管穩定可靠工作。

2.2.3 燈絲調制電源

考慮到上述主觀與客觀賦權下的指標權值偏差越小越好，采用最小二乘法對權重進行綜合優化，構成組合賦權模型。

燈絲電源為行波管燈絲供電，調制電源為調制器工作提供正、負偏電壓。陰極電壓作為燈絲調制電源的“地電位”，設計關鍵是要滿足高低電位的安全隔離，且電壓值在一定范圍內可調，以便與行波管達到最佳工作匹配。

本發射機利用高壓隔離變壓器實現高低電位隔離和功率傳遞，在高壓側利用整流濾波技術和串聯穩壓技術生成所需電壓。高壓隔離變壓器性能指標是設計難點，一方面要提高集成以減小體積，另一方面要滿足機載環境要求。耐溫鐵芯材料的運用有利于提高變壓器的可靠性。

2.3 控保低壓組件

發射機具有功率大、電壓高、電流大和熱耗大等特點，又以脈沖形式工作，控保電路對提高發射機工作時的可靠性具有重要作用，一旦檢測到行波管過流、過壓等異常情況，能迅速關斷高壓組件，將對系統的損壞程度降至最小。控保電路主要功能有:與雷達整機的實時通信;控制發射機的開關機;對發射機工作狀態實時監測;故障隔離與判定。

控保電路設計難點在于高集成度和在強電、強磁環境保持穩定工作，需在硬件和軟件上采取各種抗干擾措施。

2.4 前級放大器組件

行波管正常工作需注入一定功率輸入激勵信號，過激勵會導致行波管輸出增益下降，并伴有電子注散焦增大、幅相轉換加大、管體電流加大、熱噪聲增大等現象，長期嚴重過激勵將造成螺旋線因過熱而損壞。工程應用中，若保證行波管螺旋線不過熱，性能指標在允許范圍內，適當過激勵可保證在整個頻帶內行波管獲得最大輸出功率［2］。

本發射機是由固態放大器和電調衰減器兩個射頻器件串聯組成的前級放大器組件，可以為行波管提供最佳激勵功率值。固態放大器先將輸入小功率射頻信號進行功率放大，電調衰減器則對放大后的功率進行微調，保證在整個帶內有一個較合適的功率輸出，這樣可有效降低行波管放大增益值，縮短行波管長度，從而減小發射機體積。

3 結構設計

機載雷達發射機對體積和重量有著嚴格限制，且只有處理好散熱、絕緣和抗干擾等難點，才能保證發射機長期穩定、可靠的工作，因此發射機的結構設計至關重要［4］。

實驗證明，本發射機熱源集中在行波管和高壓電源上，特別是行波管收集極，在工作狀態會有顯著溫升。過高溫度將導致發射機工作在不穩定狀態，并最終損壞器件性能。通過緊貼冷板、強迫風冷等措施，可確保在超過器件失效臨界點前達到熱平衡。強迫風冷卻措施要解決好兩個問題:一是設計合適的強迫風冷卻散熱器;二是選擇合適的風機和合理設計風道，因為風機提供動態的風量和風壓，它們取決于散熱器的結構和幾何形狀，進而決定了帶走熱量的大小。

考慮到直升機載雷達體積小、重量輕，能在較為惡劣的機載環境條件下工作的需求，再結合散熱及高壓隔離的設計要求，將發射單元內部分為高壓部分和低壓部分的上下兩層，相互間通過箱體隔絕，所有關聯信號通過穿墻插座傳輸。高壓部分為純干式設計，密封在箱體內與外界隔絕，產生的熱量通過內部風機攪拌達到熱平衡，保證器件正常工作;低壓部分包含控保低壓組件、前級放大器組件、行波管等，通過金屬外罩加以保護。

4 結束語

小型化設計是直升機載雷達發射機發展的必然趨勢，而干式設計為小型化提供了新的可能。本文介紹了一種干式小型化直升機載雷達發射機的設計，對其內部各組件的設計思路及難點進行了論述，可以為相關類型發射機的設計工作提供有益的借鑒。該型號發射機平均功率大、體積小，性能優良，有良好的維修性和可靠性，適于批量生產，并已成功通過認證，應用于國產某型直升機載雷達。

［1］ 沙文祥.機載行波管發射機設計的基本原則［J］.現代雷達，2006，28(7):88-91.Sha Wenxiang.Basic rules and steps for air-borne TWT transmitter design［J］.Modern Radar，2006，28(7):88-91.

［2］ 鄭 新，李文輝，潘厚忠，等.雷達發射機技術［M］.北京:電子工業出版社，2006.Zheng Xin，Li Wenhui，Pan Houzhong，et al.Radar transmitter technology［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2006.

［3］ 韓 博，朱永亮，陳漢興.毫米波小型化行波管發射機［J］. 現代雷達，2008，30(11):80-82.Han Bo，Zhu Yongliang，Chen Hanxing.Millimeter-wave miniaturized traveling-wave tube transmitter［J］.Modern Radar，2008，30(11):80-82.

［4］ 強伯涵，魏 智.現代雷達發射機理論設計和實踐［M］.北京:國防工業出版社，1985.Qiang Bohan，Wei Zhi.Design and practice of transmitter theory of modern radar［M］.Beijing:National Defense Industry Press，1985.