W波段大功率發(fā)射機的設(shè)計與研究

張建華,王旭明,高仲輝,黃興玉,蘇 濤,汪 軍,徐玉存

(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥230088;2.安徽四創(chuàng)電子股份有限公司,安徽合肥230088)

0 引言

常規(guī)天氣雷達一般工作在微波頻段,其波長在3～10 cm之間,適于探測直徑大于幾百微米的質(zhì)點,這些質(zhì)點通常是形成降水和風暴的主要成分。但在對云、霧探測和研究降水形成與發(fā)展的整個微物理過程上,常規(guī)微波雷達顯得無能為力,而毫米波(MMW)雷達則具有這方面的明顯優(yōu)勢。相對于微波而言,MMW對細微粒子具有更強的散射特性,進入21世紀以來,在氣象探測領(lǐng)域各國紛紛發(fā)展MMW雷達,以提高雷達對云霧的探測能力、對氣象目標形成的微物理過程的認識。W波段測云雷達無疑是一個典型代表,近10年來,多個國家在W波段研發(fā)了MMW雷達,應(yīng)用于各種平臺下的天氣探測。

本文介紹的W波段大功率MMW發(fā)射機應(yīng)用于機載W波段雙極化測云雷達,該雷達是國家863計劃“機載氣象雷達云雨探測系統(tǒng)”項目的重要組成部分。

1 W波段發(fā)射機設(shè)計要求

1.1 發(fā)射機的要求

該發(fā)射機采用主振放大式體制,末級放大管為W波段分布作用速調(diào)管[1-2](EIK),將頻率源產(chǎn)生的W波段MMW脈沖信號放大到需要的功率電平,經(jīng)饋線、天線定向輻射到空間。對發(fā)射機的指標要求如下：

工作頻率 W波段

發(fā)射功率 ≥1.2 kW(峰值)

脈沖寬度 0.2μs,0.5μs

重復(fù)頻率 2～12 k Hz

1.2 EIK的工作特點及要求

在W波段,對于輸出功率達到1.5 kW的發(fā)射機,根據(jù)目前的技術(shù)水平,如果采用全固態(tài)方案,不僅成本極高,而且也不太現(xiàn)實。性價比較高,且可行的方案是采用真空管作為末級放大器,可供選擇的大功率真空管有回旋管和EIK兩種類型,通常回旋管的功率很大,在本系統(tǒng)中采用有大材小用之嫌,也不經(jīng)濟,最終選用EIK作為末級放大管。

按照傳統(tǒng)的微波電子管設(shè)計理論,進入MMW頻段,電子管設(shè)計者將會面臨來自微小精細部件的制造、工作在更高電壓、控制大電流密度電子束的挑戰(zhàn),這些問題是MMW磁控管、TWT和速調(diào)管所面臨的共性問題。

而在MMW速調(diào)管方面,CPI加拿大分部利用高阻抗的“階梯”(Leader)電路作為諧振慢波結(jié)構(gòu)的一部分,結(jié)合永磁鐵,在較低的工作電壓下,獲得更高的互作用效率,在25～220 GHz頻段產(chǎn)生2 kW～40 W的高功率,已有近40年的EIK研制歷史,在W波段可輸出1.8 kW。

在EIK中,由諧振慢波電路代替了傳統(tǒng)速調(diào)管每個諧振腔的單間隙,其射頻(RF)電路由一些裝入可調(diào)腔中的長、短狹槽組成。圖1給出了2個腔的示意,而在典型的EIK中有5～6腔。

圖1 EIK結(jié)構(gòu)及其配電示意圖

狹槽的寬度決定EIK的工作頻率,而其高度由希望或必需的工作電壓決定。電子束沿著狹槽和階梯中隧道聚焦。

電子束的速度由所加的電子束電壓調(diào)整,當特定的電子通過電路中的每個縫隙時,以相同的相位經(jīng)歷RF場,這樣由電子束所體現(xiàn)的總的阻抗是縫隙阻抗和縫隙數(shù)量的乘積。根據(jù)傳統(tǒng)的電子光學(xué),所產(chǎn)生的高的互作用阻抗提供高功率和增益。EIK的腔體可以在類似于速調(diào)管腔體的單個縫隙上交錯調(diào)諧,以獲得最大增益、帶寬性能。

以上所描述的RF電路通常稱為階梯電路,如圖2和圖3所示。

圖2 EIK單腔中的RF電路(階梯)

圖3 EIK的RF電路(階梯)

與其他線性束真空電子器件一樣,EIK也依靠將電子束由速度調(diào)制變成密度調(diào)制,隨后在分布作用輸出腔轉(zhuǎn)換為RF功率。由輸出腔耦合到波導(dǎo)來獲取功率,圖4給出了EIK中電子束的群聚過程的示意。

圖4 階梯中的群聚過程

在EIK的設(shè)計中,聚焦和電子束的控制具有挑戰(zhàn)性,需通過高度精確的計算機建模、精確的組裝工藝及高性能的陰極和磁場來完成。其目的是形成具有最小起伏、大約0.25 mm的電子束直徑,并促成電子束盡可能通過電子束隧道而不被截獲,在一定的、主要由RF損耗加熱的銅質(zhì)電路的熱容量下,獲取最大RF功率。

EIK的工作和加電過程與柵控TWT和聚焦極控制多注速調(diào)管相似。首先需要加熱燈絲,在加熱燈絲的同時,聚焦極調(diào)制器提供截止偏壓給EIK的聚焦極,保證加熱過程中,電子束處于受控截止狀態(tài);在燈絲預(yù)熱好之后,根據(jù)需要可以加陰極高壓;陰極高壓加上之后,根據(jù)需要開啟調(diào)制脈沖指令,此時聚焦極脈沖調(diào)制器在調(diào)制脈沖同步信號的控制下,送出一定重頻及脈寬的調(diào)制脈沖信號到EIK的聚焦極,控制EIK電子束的通斷。

在EIK的應(yīng)用中,有兩個問題值得注意：一是多數(shù)EIK可能采用一級降壓收集極,即VK=VC+Vb,VK是陰極電壓,VC是收集極電壓,Vb是管體電壓,如圖1所示;而我們所選擇的EIK的Vb=0 V,即VK=VC,收集極與管體同電位。二是對于EIK的聚焦極來說,其開啟脈沖電平和截止偏壓均為負電平(相對于陰極),這一點與傳統(tǒng)的柵極浮動板調(diào)制器有所不同,通常柵極浮動板調(diào)制器的開啟脈沖電平為正電平,因此,該聚焦極脈沖調(diào)制器的電路拓撲與傳統(tǒng)的柵極浮動板調(diào)制器的有所不同。

2 W波段發(fā)射機的研制

2.1 W波段發(fā)射機的工作參數(shù)

為保證EIK能夠正常工作,并提供1.2 kW的RF功率,根據(jù)所采購的EIK的典型工作參數(shù)要求,發(fā)射機應(yīng)為EIK提供符合表1要求的陰極電源和聚焦極調(diào)制脈沖。

表1 EIK通用工作參數(shù)及W波段發(fā)射機______EIK典型工作參數(shù)

各個電源和調(diào)制脈沖按照前文所述嚴格的加電順序加電或關(guān)電。

2.2 發(fā)射機的實現(xiàn)

根據(jù)EIK的特性和發(fā)射機的設(shè)計要求,研制的主要內(nèi)容為聚焦極脈沖調(diào)制器、陰極高壓電源、監(jiān)控電路及燈絲電源等部分的工程設(shè)計分析與實現(xiàn)。設(shè)計的原則是兼顧EIK的通用工作范圍,工作于典型參數(shù)。

EIK與各部分電路的連接如圖5所示。EIK的管體接地;收集極通過管體電流檢測電路接地(即管體),處于虛地電位;陰極電源的正端接到收集極,負端接到EIK的陰極;聚焦極調(diào)制器[3]浮在陰極電位上,RF發(fā)射期間提供-40 V的開啟脈沖給EIK的聚焦極,其余時間給聚焦極提供-3 k V的截止偏壓;燈絲電源為直流電源,通過高電位隔離電路浮在陰極電位上,正極接到EIK的陰極,負極接到燈絲。

圖5 W波段EIK發(fā)射機原理簡圖

2.2.1 聚焦極脈沖調(diào)制器

EIK的聚焦極脈沖調(diào)制器是一個浮動板調(diào)制器,在同步脈沖的控制下,開啟開關(guān)S1和截止開關(guān)S2有序開關(guān),最終提供-3 000 V(相對于EIK的陰極)的截止偏壓和-40 V(相對于EIK的陰極)的開啟脈沖到EIK的聚焦極,控制EIK電子束的通斷。

與傳統(tǒng)的浮動板脈沖調(diào)制器不同,其開啟脈沖電平為-40 V,而不是正電平,因此其電路拓撲有所不同,如圖5所示,S1是開啟開關(guān),R1是限流電阻,E1是開啟電源,D1是隔離二極管,S2是截止開關(guān),E2是負偏電源,R2是箝位電阻,RFo是聚焦極限流電阻。

除了EIK工作期間的脈沖狀態(tài),調(diào)制器一直輸出-3 000 V的負偏到EIK的聚焦極,這個狀態(tài)從給EIK預(yù)熱開始。當EIK預(yù)熱好之后,在發(fā)射系統(tǒng)連接正確,且沒有故障的情況下,可以加上陰極電源高壓,之后S1在開啟脈沖信號的同步下導(dǎo)通,開啟電源E1通過D1、R1、S1形成回路,同時,截至期間EIK陰極K和聚焦極Fo之間的分布電容CKFo所充的3 000 V電壓也通過R1、S1、RFo放電,將EIK的陰極K箝定在E1的正電位,而EIK的聚焦極Fo被箝定在E1的負電位,若E0為40 V,即為EIK的Fo提供了-40 V的開啟脈沖,調(diào)整E1的電平,可以實現(xiàn)開啟脈沖電平的調(diào)整;開啟脈沖過后,S1關(guān)斷,同時截止開關(guān)S2導(dǎo)通,D1反偏,截止電源E2通過S2、RFo向CKFo充電到3 000 V電壓,使EIK的陰極K箝定在E2的正電位,而聚焦極Fo被箝定在E2的負電位,即為EIK的Fo提供了-3 000 V的截止偏壓,EIK截止,截止脈沖過后,S2關(guān)斷,E2通過R2維持-3 000 V的偏壓,直至下一個開啟脈沖的到來,又重復(fù)上述過程,實現(xiàn)EIK的脈沖工作。

S1和S2承受的最大截止電壓為3 000 V,分別采用6個MOSFET串聯(lián)組成,浮于陰極電位,S1和S2的驅(qū)動分別通過一個脈沖變壓器饋送,每個變壓器的初級處于低電位,次級有6個繞組,均處于陰極電位,相互隔離,每個繞組對應(yīng)一個MOSFET。對于由6個MOSFET串聯(lián)構(gòu)成的開啟開關(guān)和截止開關(guān),要解決好均壓和觸發(fā)的一致性問題。

2.2.2 輔助電源

輔助電源主要包括開啟電源E1、截止電源E2和燈絲電源EF,其中E1和E2是聚焦極脈沖調(diào)制器的組成部分,由于這三個電源同處于陰極電位,可以統(tǒng)一進行設(shè)計。

如圖6所示,3個電源的低壓部分共用,采用高頻穩(wěn)壓電源,經(jīng)高電位隔離變壓器的3個隔離繞組分3路隔離輸出,經(jīng)整流濾波、穩(wěn)壓或逆變等,分別形成E1、E2、EF。其中高頻穩(wěn)壓電源工作于30 k Hz,輸出24 V的方波,穩(wěn)壓精度在1%以內(nèi),既減小了高電位隔離變壓器的體積、重量 ,又為輔助電源提供了穩(wěn)定的輸入;高電位隔離變壓器既提供了地電位與EIK陰極電位的隔離,又將輔助電源分成隔離的3路。

圖6 輔助電源的實現(xiàn)

(1)開啟電源E1

E1最高輸出為60 V,電流數(shù)十毫安,正端接陰極。由高電位隔離變壓器的一個繞組(相對于初級為升壓,變比為3),經(jīng)整流濾波后,再經(jīng)線性穩(wěn)壓處理,輸出在10～60 V范圍可調(diào)的穩(wěn)定電壓。

取E1的平均電流為100 m A,變壓器輸出為72 V,則E1的最大功耗為7.2 W。

(2)截止電源E2

E2最高輸出為3 500 V,電流數(shù)毫安,正端接陰極。由高電位隔離變壓器的一個繞組(相對于初級為升壓,變比為3),經(jīng)整流濾波后,采用諧振逆變變換器進行升壓、閉環(huán)穩(wěn)壓處理,并實現(xiàn)2 800～3 500 V的調(diào)壓范圍。EIK的聚焦極與陰極間的分布電容約為150 p F,外電路的分布電容約為200 p F,則總的分布電容CKFo約為350 p F,截止電壓U按3 000 V,最大脈沖重復(fù)頻率PRF按12 k Hz計算,則E2的功率P2為

考慮效率等各種因素,取E2的功率為30 W/10 m A。

對于EIK來說,不能過寬和過工作比工作,必須在開啟同步信號的控制下受控工作,之后要快速有效地截止,因此E2的輸出電壓必須達到額定值,如果損壞或輸出電壓下降,EIK的聚焦極將會因為過流而燒毀,因此要對E2的輸出電壓進行檢測、設(shè)置欠壓保護。而E1無輸出或輸出電壓下降雖然不至于損壞EIK,但也會影響其射頻輸出信號的質(zhì)量和輸出功率,所以對E1的輸出也設(shè)置了欠壓故障保護。

(3)燈絲電源EF

燈絲電源以高頻穩(wěn)壓電源的輸出作為輸入,經(jīng)過線性穩(wěn)壓后,浮在陰極電位上,給EIK燈絲供電,電源的正極接到陰極,負極接到燈絲,燈絲電壓為6.5 V±0.5 V,電流約為1 A,燈絲功率約為7 W,考慮到低壓穩(wěn)壓直流電源的效率及控保電路的功耗等,燈絲電源模塊的功率按15 W設(shè)計。為了防止燈絲電源對EIK燈絲的沖擊,對燈絲電源進行限流控制,最大電流限定值為1.2 A。燈絲電源設(shè)置輸出欠壓和過流故障保護。

2.2.3 陰極高壓電源

為使高壓電源具有快速調(diào)整能力,采用基于諧振電容電壓箝位的移相控制串聯(lián)諧振變換器[4],其電路拓撲如圖7所示。

變換器工作在100 k Hz左右的固定工作頻率,通過調(diào)整開關(guān)(VS1～VS4)的導(dǎo)通角,形成移相控制來實現(xiàn)電源的穩(wěn)壓,尤其是槽路結(jié)構(gòu)的設(shè)計,使得在負載極輕載、超出導(dǎo)通角調(diào)整范圍時,將槽路電容電壓箝位到變換器初級的電源電壓,從實現(xiàn)對輸出電壓的穩(wěn)定,解決了通常的變換器此時導(dǎo)通角極窄不易控制的困難,非常適用于脈沖雷達高壓電源脈間輕載狀態(tài)的穩(wěn)壓控制;在重載時變換器又與通常的串聯(lián)諧振變換器無異,具有抗短路的能力;固定工作頻率的采用使得濾波電路的設(shè)計相對簡單,只需針對單一的頻率進行設(shè)計。

圖7 變換器電路圖

這種變換器以固定的開關(guān)頻率工作,通過控制逆變開關(guān)的相移來控制每次諧振的輸出能量,其特點是：高壓電源的紋波頻率固定,易于獲得良好的高壓濾波效果;單次傳輸能量可控,使得高壓紋波跳動更為平穩(wěn),輸出電壓更穩(wěn)定;再加上對諧振電容的電壓有箝位限制,限制了最大輸出功率和電流,特別是在打火的情況下,輸出的最大能量受限。因此,這種電源不僅兼具SRC電路的特點,易于升壓,而且輸出電壓具有更大的調(diào)整范圍、更高的調(diào)整精度,適合脈沖負載,在負載寬范圍變化(從空載到滿載)情況下,可實現(xiàn)輸出電壓的全程控制。

高頻變壓器的初級由兩個相同的繞組串聯(lián)構(gòu)成,次級有四個相同的繞組,輸出的高頻交流經(jīng)整流后串聯(lián)疊加[5],逆變器典型的電流波形(初級)如圖8所示。

圖8 初級工作電流波形

3 研制結(jié)果

利用EIK所研制的W波段發(fā)射機已用于民用測云雷達,經(jīng)測試其脈沖輸出功率達到1.5 kW,可在要求的重頻和脈寬條件下工作,頻譜對稱、光滑、零點清晰,經(jīng)測試0.3μs脈寬的射頻包絡(luò)如圖9所示,1.5μs脈寬射頻的頻譜如圖10所示。

圖9 0.3μs射頻包絡(luò)

圖10 射頻頻譜

4 結(jié)束語

隨著技術(shù)的發(fā)展,W波段毫米波技術(shù)正從研究階段邁向?qū)嵱秒A段,各國紛紛在通信、主動拒止武器、大氣探測和近距離物體分析等領(lǐng)域采用W波段毫米波技術(shù),該W波段發(fā)射機的研制成功,為我國云目標探測和大氣科學(xué)研究等工作提供了更加有效的新手段。

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