電真空發射機固態化改造設計

王志恩，薛 霞

(1.海軍裝備部，北京 100841；2.中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

電真空發射機固態化改造設計

王志恩1，薛 霞2

(1.海軍裝備部，北京 100841；2.中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

通過對電真空發射機典型特點和現狀的分析，對目前微波固態放大器的各類型工作模式和工作效率進行了比較，通過優選開關類功放和半橋開關電源，提出了對其進行固態化的改造思路，并給出了基本設計方法和試驗結果。

發射機；固態放大器；電源；改造；脈寬調制

0 引 言

發射機是相關設備的關鍵部分，擔負著對來自信息上行通道微波微弱信號放大并通過饋線系統向天線輻射的任務，其工作狀態直接影響著設備的整體工作性能。

受技術發展水平的限制，早期的大功率微波放大器基本上都采用電真空器件。根據不同的技術要求，采用的電真空器件有磁控管、行波管、增幅管、速調管等，基本構成無外乎以電真空器件為核心，配之以必要的高壓電源、燈絲電源、鈦泵電源和不同形式的調制電路。采用電真空器件的發射機，其行波管放大器壽命有限，且其選用的行波管放大器等因使用周期長而逐步趨于停產。為保持其技術狀態和使用性能，需要對采用行波管放大器等電真空器件的雷達發射機進行改造。

發射機通道主要是對帶有編碼信息的高頻微波信號進行功率放大后送天線，向空中輻射。發射機的組成包括行波管放大電路和高壓電源兩部分，其主要指標輸出平均功率、增益、激勵信號等是發射機改造的技術要求和設計依據。

1 系統設計思路

1.1 基本構成

原有真空管發射機的構成主要包括行波管放大器、高壓電源組合，外部供電為中頻機組提供220 V 400 Hz交流電。根據原有設備接口關系和結構尺寸的要求，改造后的固態化發射機組成部分包括微波功率放大器、直流供電電源和輔助控制電路。

1.2 功率放大電路

1.2.1 基本技術要求

功率放大電路采用兩級放大的方式。當設計要求發射機增益大于30 dB、激勵信號功率電平約為9 dBm時，經輸入接口接入前級功放模塊。前級功放組件的輸出功率接到前級均衡網絡對輸出功率進行幅頻校正。經過校正的信號輸入到末級功率組件，為末級組件提供激勵信號。末級功率組件的輸出再接到末級均衡網絡對輸出功率進行幅頻校正。經過幅頻校正的信號最后輸出。

功放模塊由多級放大單元和均衡網絡組成，具有完善的保護功能。由于前級功放模塊的輸入端的功率在工作頻帶內會有起伏，這樣在推動末級功放組件時會造成激勵過大或過小，嚴重影響末級組件的工作狀態和可靠性。采用均衡網絡來進行幅頻校正，其衰減特性與前級功放模塊的末級放大的輸出以及末級功放組件的幅頻特性互補，從而使前級功放單元和末級功放組件在工作頻帶內保持較好的功率匹配，保證發射功率在一定范圍內穩定。

前級功放模塊將輸入信號放大到30 dBm左右，帶內起伏通過均衡網絡均衡后滿足末級功放組件的激勵要求。功放組件的組成框圖如圖1所示。

圖1 功放組件組成框圖

1.2.2 方案選擇

對于放大器的電路形式，通常有以下幾種可選擇方案：

(1) A類功率放大器

A類功率放大器是線性功率放大器，能夠對信號進行線性放大，不會使信號的幅值和相位產生明顯的失真。在A類方式工作的晶體管在整個信號周期都是導通的，最終得到A類功率放大器的最大效率為50%。

(2) B類功率放大器

無論有無信號，A類功率放大器都保持導通，因此效率不高。B類功率放大器的偏置電流為零，沒有信號時晶體管截止，有信號時晶體管只有在信號正半周期時導通。B類功率放大器的電路形式和A類功率放大器相同，所不同的是其直流工作點的設定。理想的B類功放直流工作點設置為零，只有在有輸入信號的情況下才有電流通過。經過計算，可以得到B類功率放大器的最大效率為78.5%。B類功率放大器與A類功放相比有著比較高的效率，但由于其靜態工作點為零，容易產生失真。

(3) C類功放

A類和B類功放相比，其導通角由360°減小到180°，其工作效率得到了明顯提高，如果進一步減小晶體管的導通角，則可以獲得更高的效率，這就是C類功率放大器的原理。C類功放是非線性的，它不像前兩類放大器直接放大和復制輸入信號。A類放大器需要一個晶體管，B類放大器需要兩個晶體管組成推挽電路，而C類放大器也適用一個晶體管。從結構上看，C類除了直流偏置外，其他都和A類放大器基本相似，但在輸出端需要使用調諧電路，使其能恢復輸入的正弦信號。由于C類放大器比前兩類具有更高的效率，尤其在某些場合，是一種非常具有吸引力的功率放大器。

三類放大器導通角和最大效率如表1所示。

表1 各類功放效率

(4) 開關類功率放大器

從前三類放大器的分析可以看出，導通角的改變可以影響放大器的工作效率，但理論上100%的效率發生在輸出功率為零時。因此，前三類放大器理論效率不可能達到100%，實際工作效率將會更低，其根本原因在于晶體管在工作過程中均處于線性狀態。開關類的功率放大器晶體管工作在開關狀態，理想情況下，晶體管飽和導通時集電極電流達到最大而電壓為0，晶體管關斷時集電極電壓達到最大，為電源電壓，而電流為零。因此，晶體管的瞬時功耗為零，效率達到100%。

實際上，晶體管并非理想開關，在導通和關斷時都會有一段時間電流和電壓都不是零，此時晶體管將消耗功率。在關斷時，集電極電流不會立即降為零，在導通時集電極電壓的上升也需要一定的時間。所以，實際工作中的開關類功率放大器效率也不可能達到100%，但和前三類相比，其效率得到了提高。

但同時，開關類功放對輸入正弦波形的失真比較大，需要通過后端的諧振網絡實現正弦輸出，滿足有關指標的要求。

作為連續波功率放大器，對波形失真的要求不是很高，在實裝體積有限的情況下采用開關類放大器是比較可行的。

1.3 供電電源

1.3.1 基本技術要求

根據功放電路的設計要求，結合原有設備實際供電情況，對電源的基本指標要求如下：

?輸出三組

第一組電壓：9 V±1 V可調

第二組電壓：+5 V

第三組電壓：-5 V

?供電電壓：220 V±10%/400 Hz

?所有電源輸出紋波峰峰值：<100 mV

由以上指標要求可以看出，電源的設計主要考慮9 V主電源的要求，作為輔助電源的±5 V電源可以在主電源的基礎上進行設計。

1.3.2 方案選擇

電源電路框圖如圖 2所示。

圖中，+9 V輸出電源是供電電路的主要組成部分，也是電源設計的重點。它采用半橋結構的高頻逆變電源結構，其基本工作過程是：輸入的400 Hz 220 V交流電由AC/DC電路直接轉換成300 V左右的直流電壓。該直流電壓加在半橋逆變回路上，在脈寬控制電路的作用下將其轉換為近似方波的高頻交流電壓，通過變壓器得到和輸出電壓相對應的高頻輸出，通過AC-DC電路，得到需要的直流輸出。

根據放大器供電的要求，除提供9 V電源外還需要提供±5 V電源。按照擬定的電源電路方案，輔助電源由9 V主電源提供輸入，兩路小功率DC-DC變換分別輸出滿足要求的5 V和-5 V電源。

圖2 電源框圖

2 工程設計實現

2.1 功率放大器

放大器的電路結構確定以后，設計的重點在于選擇合適的放大器件和設計合適的靜態工作點。

在設計前級、末級功放組件時，功率管的選擇是一個至關重要的環節。功率管的性能指標和可靠性、穩定性等對固態發射模塊來說至關重要。通過調研，綜合各項性能指標的要求，選擇富士通公司的功率管FLM0910-3F為前級功放組件，功率管FLM0910-25F為末級功放組件，并對其工作點作適當降壓，以提高可靠性。功率管FLM0910-3F主要性能指標如下：

?工作頻率：滿足要求

?輸出功率≥3 W

?輸出雜散≤-46 dB

功率管FLM0910-25F主要性能指標如下：

?工作頻率：滿足要求

?輸出功率≥25 W

?輸出雜散≤-46 dB

由這樣兩級發大電路組成的固態放大器，完全可以滿足系統要求。

2.2 電源電路

2.2.1 半橋逆變電路設計

簡化的半橋逆變電路如圖 3所示。該電路由兩個等值的電容組成一個橋臂，開關管V1和V2級反并聯半橋二極管D1和D2組成另一個橋臂，兩個臂的中點A和B為輸出端，通過高頻變壓器輸出。因為濾波電容C2、C3容量較大，其電壓Uc2、Uc3=U/2i是比較穩定的。中點B的點位基本不會變，而A點的點位取決于開關管V1、V2的工作狀態。當開關管V1導通時，則UAB=Ui/2；當開關管V2 導通時，UAB=-Ui/2。所以，變壓器初級的電壓是一個脈寬小于180°電角的交流方波電壓，其幅度等于Ui/2，頻率就是開關管的工作頻率，寬度為開關管開通時間Ton。

開關管V1關斷后，電流iL維持原來的方向流動，故變壓器的初級電流經過二極管D2續流，于是電壓UAB變負，UAB=-Ui/2。在此電壓的作用下，電流iL下降，下降的速度與增加的速度相同。由此可知，在感性負載時，開關管V1和V2、二極管D1和D2是輪流導通的。在來自脈沖控制的驅動信號的作用下，開關管V1、V2輪流導通，在變壓器初級形成了高頻的方波，經過整流濾波后得到所需要的直流電壓。

2.2.2 變壓器設計

變壓器工作頻率50 kHz，其磁芯選用R2KB，型號選用EC40,其有效磁通截面積為50 mm2，飽和磁通密度BS0.48 T。根據方波下變壓器方程：

U1=4fN1ABm

(1)

圖3 半橋式逆變器的主電路

按照式(1)計算得變壓器初級匝數為64，輸出端直流電壓9 V,按照最大工作比0.8計算。考慮整流濾波電路的損失，變壓器次級脈沖電壓為12.5 V。據此計算變壓器變比為n1=11.2，所以次級匝數設計值為n2=6。

2.2.3 輔助電源設計

根據分機供電的要求，除了提供9 V電源外還需要提供±5 V/100 mA電源。按照擬定的電源電路方案，輔助電源由9 V主電源提供輸入，兩路小功率DC-DC變換分別輸出滿足要求的5 V和-5 V電源。

正極性的電源比較方便，可以直接使用市場上成熟的7805系列穩壓集成電路就可以實現。負極性電源由于涉及到極性轉換，在利用原有正極性電源條件下需要使用專用的極性轉換電路。以反極性開關集成穩壓器MAX774為功率轉換芯片，構成-5 V電源電路。

MAX774采用了完全的限流型PFM控制模式電路結構，不管負載輕重，均具有很高的轉換效率，工作頻率可以達到300 kHz。高工作頻率大大減小了外部元件的容量、體積。該芯片輸入電壓范圍3～16.5 V，輸出電壓既可以是固定的-5 V也可以使用兩個電阻組成的分壓器構成電壓可調式電路。該芯片使用一個外部的功率MOSFET，輸出功率可以到5 W，其主要性能如下：

?輸出電流：1 A

?輸出功率：5 W

?轉換效率：85%

?靜態工作電流：0.1 mA

?輸入電壓范圍：3～16.5 V

?開關頻率：可達300 kHz

2.3 輔助電路

2.3.1 輻射控制電路

輻射控制電路利用原有高壓電源中的陽極電源作為輻射控制采樣信號。在控制臺上按下高壓按鈕后，輸出電壓為1600 V左右的陽極電源工作，流過光耦的電流使得光耦輸出端射極輸出升高，超過由比較器決定的基準電壓時，比較器輸出高電平，使驅動三極管開通，繼電器吸合，輸入交流電源通過到功率放大器電源。

2.3.2 功率采樣

經電容耦合采樣的射頻輸出信號，送到微波功率檢測電路AD8317的輸入端，經對數放大后進入比較器。微波輸出功率大于設置功率時，檢測電路輸出高電平,否則輸出為零電平。

AD8317是一款解調對數放大器，能夠將RF輸入信號精確地轉換為相應的dB標度輸出。它在級聯放大器鏈上采用漸進壓縮技術，每一級均配有檢波器單元。該器件可用測量和控制器兩種模式工作，能在最高10 GHz左右下工作。典型輸入動態范圍為50 dB (re: 50 Ω)，誤差小于±1 dB。AD8317的響應時間為8 ns/10 ns(下降時間/上升時間)，能夠檢測脈沖頻率超過50 MHz的RF突發脈沖。在環境溫度條件下，該器件具有極佳的對數截距穩定性。

3 試驗結果

完成固態化改造后完全滿足原發射機各項指標要求。研制件與原件相比，有以下幾個方面的特點：

?一致性好。研制備件可與原件功能一致，可以替換；

?器件性能好，工作穩定，可靠性高，功耗小，使得故障率大為降低；

?模塊化集成。研制備件采用模塊化方式，不僅便于研制調試，也利于今后的維修檢測工作；

?器件來源保障良好，維修方便快捷；

?供電簡單，需要的配套設備少。

4 結束語

電真空管發射機的固態化改造，除了保持原有設備各項性能、確保其功能的正常發揮外，同時模塊化的設計也有利于設備的使用和維修，完全解決了相關元器件的供貨，為相關設備的保障創造了有利條件。

[1] 張伯涵，魏智.現代設備發射機的理論設計和實踐[M].北京：國防工業出版社，1985.

[2] 丁鷺飛，耿富錄.雷達原理[M].3版.西安：西安電子科技大學出版社，2004.

[3] 王水平，王源，宣忠強，等.DC/DC變換器集成電路及應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，2006.

[4] 黃志偉.射頻功率放大器電路設計[M].西安：西安電子科技大學出版社，2009.

[5] 張玉興.射頻模擬電路[M].北京：電子工業出版社，2002.

[6] 倪海東,蔣玉萍.開關電源專用電路設計與應用[M].北京：中國電力出版社，2008.

Design of solid-state refit on electronic vacuum transmitters

WANG Zhi-en1, XUE Xia2

(1. Naval Armament Department, Beijing 100841; 2. No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

Through the analysis of typical characteristics and status quo of the electronic vacuum transmitter, the working modes and efficiency of various microwave solid-state amplifiers are compared. Through the optimal selection of switch power amplifiers and half-bridge switch power supplies, the idea of solid-state refit of the transmitter is presented, and the basic design method and test results are also given.

transmitter; solid-state amplifier; power supply; refit; pulse width modulation

2014-01-13；

2014-03-12

王志恩(1977-)，男，碩士，工程師，研究方向：裝備保障；薛霞(1979-)，男，工程師，研究方向：雷達總體技術。

TN957.3

A

1009-0401(2014)03-0035-04