新一代天氣雷達(dá)發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)特性

韓　博，戴廣明，姚　敏，吳亞中

(南京電子技術(shù)研究所,　南京 210039)

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新一代天氣雷達(dá)發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)特性

韓博，戴廣明，姚敏，吳亞中

(南京電子技術(shù)研究所,南京 210039)

根據(jù)第一代天氣雷達(dá)發(fā)射機(jī)在全國各地布網(wǎng)的百余套長期運(yùn)行過程中暴露出來的技術(shù)和維修方面的問題，結(jié)合近年來先進(jìn)電路設(shè)計(jì)思想和器件應(yīng)用方法，研制了新一代天氣雷達(dá)發(fā)射機(jī)。文中從調(diào)制器高壓充放電電路模塊化設(shè)計(jì)，新型功率器件在電路中的具體應(yīng)用，幾種特殊形式數(shù)據(jù)采集電路的分析比較，多種工程實(shí)用化的技術(shù)優(yōu)化改進(jìn)等方面進(jìn)行了詳細(xì)的論述，給出具體的應(yīng)用電路和實(shí)物照片，并總結(jié)了批量生產(chǎn)發(fā)射機(jī)設(shè)備的設(shè)計(jì)原則。

天氣雷達(dá)；發(fā)射機(jī)；回掃充電；調(diào)制器；模塊化；數(shù)據(jù)采集

0　引　言

天氣雷達(dá)項(xiàng)目是國家氣象局全國布網(wǎng)的綜合雷達(dá)天氣預(yù)測系統(tǒng)。從1998年合肥站第一臺雷達(dá)正式運(yùn)行開始，現(xiàn)在已經(jīng)完成全國范圍內(nèi)的多臺套聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，為我國的實(shí)時氣象觀測、災(zāi)害天氣預(yù)警提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障。

從研制生產(chǎn)第一套發(fā)射機(jī)至今已經(jīng)歷十余年時間，共生產(chǎn)百余套。隨著批產(chǎn)數(shù)量的增加，在生產(chǎn)裝配和維護(hù)調(diào)試工作中逐步暴露出一些問題，用戶方面也提出了許多維修方面的寶貴意見。隨著近年來國外大功率發(fā)射電路(驅(qū)動電路、功率電路等)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和先進(jìn)器件的發(fā)展進(jìn)步，發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)在很多方面都發(fā)生了長足的進(jìn)步[1]。因此，我們運(yùn)用新的設(shè)計(jì)思想和先進(jìn)器件，對老產(chǎn)品的不足之處進(jìn)行優(yōu)化完善，設(shè)計(jì)了新一代天氣雷達(dá)發(fā)射機(jī)。

1　新一代發(fā)射機(jī)簡述

新一代發(fā)射機(jī)的技術(shù)指標(biāo)如下：

工作頻段：S波段

輸出功率：≥650kW

脈沖寬度：1.57μs(窄)

4.5μs(寬)

脈沖重頻：322Hz～1 282Hz(窄)

317Hz～442Hz(寬)

改善因子：≥57dB

工作時間： 24h連續(xù)工作(全年)

發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)思想是技術(shù)可靠，保證長期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行；具有良好的人機(jī)界面，保證無人值守狀態(tài)下自動運(yùn)行和監(jiān)測。

發(fā)射機(jī)為脈沖多普勒主振放大式速調(diào)管模式發(fā)射機(jī)[2]，地面固定式結(jié)構(gòu)，采用CPI公司大功率S波段速調(diào)管，前級為固態(tài)組件，調(diào)制器為回掃充電式線性調(diào)制器(具體電路見文獻(xiàn)[3-4])，冷卻為大功率風(fēng)機(jī)強(qiáng)制風(fēng)冷,如圖1所示。

發(fā)射機(jī)對外接口(包括冷卻接口、波導(dǎo)接口、電路連接器接口)與老雷達(dá)保持一致。內(nèi)部完全重新設(shè)計(jì)，包括電路、結(jié)構(gòu)、冷卻等方面，下面將發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)逐一詳細(xì)闡述。

2　發(fā)射機(jī)調(diào)制器模塊化設(shè)計(jì)

發(fā)射機(jī)采用回掃充電線性調(diào)制器工作模式，分為高壓充電和高壓放電兩個部分。

高壓充電采用400A/1 200V新型第4代IGBT模塊作為主開關(guān)管，速度快、飽和壓降低，雙管封裝于一個模塊內(nèi)，控制接口和功率接口處于一個水平面上，便于系統(tǒng)集成安裝。兩個IGBT模塊并排放置于散熱器上，驅(qū)動板安裝于模塊內(nèi)部，以最近距離連接，保證其良好的開啟關(guān)斷特性。脈沖電容、RCD吸收網(wǎng)絡(luò)等集成于一個大型的功率印制板上，再通過大面積敷銅與IGBT模塊相連接，構(gòu)成一個整體的充電開關(guān)模塊，如圖2所示。優(yōu)點(diǎn)是降低了引線分布電感，大幅度降低了開關(guān)應(yīng)力，減少電磁干擾，保證了模塊的可靠性。

圖2　高壓充電模塊示意圖

高壓放電采用200A/1 200V高頻SCR作為主開關(guān)管，速度快、抗浪涌能力強(qiáng)，窄脈沖瞬時電流可達(dá)10倍余量，扁平封裝，便于串聯(lián)使用。電路中，10只SCR串聯(lián)安裝，每一路驅(qū)動電路和均壓電路封裝于一個獨(dú)立的驅(qū)動模塊內(nèi)，就近安裝于SCR的陽極散熱板上。檢測保護(hù)電路作為一個獨(dú)立的保護(hù)模塊和每一路SCR相連，實(shí)時檢測SCR開關(guān)管的工作狀態(tài)，并上報(bào)控制板。定時信號和控制信號由外部電路送至控制板，經(jīng)處理后送到驅(qū)動模塊，再控制SCR工作，監(jiān)視放電電流和反峰電流工作狀態(tài)，遇異常狀態(tài)則立即關(guān)斷定時信號并向外報(bào)警。反峰電路高壓二極管與反峰電阻和SCR串聯(lián)開關(guān)組成反向并聯(lián)電路。所有上述組件組成一個完整的放電開關(guān)模塊。

如圖3、圖4所示,模塊分三層，底層是帶散熱器的SCR開關(guān)模塊，中層是驅(qū)動模塊和保護(hù)模塊，上層是反峰模塊，最前方豎直放置的是控制模塊。模塊尺寸為500mm×210mm×380mm(長×寬×高)，峰值功率為800A/5 000V，工作比為5%，耗散功率約為500W，冷卻風(fēng)量為200M3/h，散熱器為鋁制材料，工作溫升小于20℃。

圖3　高壓放電模塊示意圖

圖4　高壓放電模塊展開示意圖

放電開關(guān)模塊合理安排各個組件之間的絕緣距離和通風(fēng)路徑，大幅度提高了電路的功率密度，減少了放電回路的環(huán)面電磁干擾，提高了維修的方便性，更換組件從60min縮減為5min，達(dá)到最佳工作狀態(tài)。

3　發(fā)射機(jī)新器件的應(yīng)用

發(fā)射機(jī)在許多原有的設(shè)計(jì)理念上實(shí)現(xiàn)了技術(shù)升級，包括用風(fēng)壓傳感器代替老式的水銀開關(guān)，提高了風(fēng)量報(bào)警的準(zhǔn)確性，而且有利于環(huán)保；用可控硅調(diào)壓整流模塊代替原有的整流橋和笨重的調(diào)壓器，實(shí)現(xiàn)了調(diào)試和維修的方便性；用功率模塊的組合來代替原有的磁場電源，減輕分機(jī)體積、質(zhì)量2/3；用新一代驅(qū)動電路代替老式的EXB841，有效提高了系統(tǒng)的頻譜精度。下面來具體說明其中兩項(xiàng)。

3.1可控調(diào)壓整流模塊的應(yīng)用

可控調(diào)壓整流模塊是用大功率可控硅代替二極管，并且將可控硅導(dǎo)通角觸發(fā)電路集成封裝于一體的大功率半導(dǎo)體模塊。外部提供一個直流12V穩(wěn)壓電源，輸入一個0V～10V的可調(diào)電壓信號，即可控制導(dǎo)通角從0°～180°全導(dǎo)通的控制。調(diào)試過程中只要調(diào)節(jié)一下面板上的調(diào)壓電位器即可，省掉了笨重的大功率調(diào)壓器，非常方便。另一方面，在工作狀態(tài)下，控制電壓同步自動緩慢的從零升壓至額定值，則可實(shí)現(xiàn)電路的軟啟動功能，防沖效果比繼電器加軟啟動電阻要好許多，沒有任何沖擊，而且繼電器和軟啟動電阻也可以省掉，可以算是一舉兩得，如圖5所示。

圖5　高壓整流模塊電路接口圖

3.2新型驅(qū)動電路的應(yīng)用

驅(qū)動電路采用Agilent公司的高速IGBT驅(qū)動光耦HCPL3180，輸入電流10mA～20mA，輸出電流2A，響應(yīng)速度200ns，單電源15V供電，DIP8的封裝形式，使用非常方便且抗震性能良好。在電路中，開啟支路和關(guān)斷支路參數(shù)分別設(shè)置，開啟驅(qū)動電阻阻值較小，使管子在較短時間內(nèi)迅速導(dǎo)通，減少開關(guān)損耗；關(guān)斷時，泄放電阻阻值較大，使開關(guān)管緩慢截止，雖然導(dǎo)致關(guān)斷損耗增大，但是放電回路的緩慢關(guān)斷降低了開關(guān)應(yīng)力，大幅度減少了關(guān)斷時的電壓過沖，帶來的直接好處是發(fā)射機(jī)的充電電源穩(wěn)流精度提高，最終結(jié)果是使發(fā)射機(jī)的相噪雜散指標(biāo)提高3dB以上[5]。如圖6所示，上部為通用驅(qū)動電路簡圖，下部為本文所用開啟、關(guān)斷分別驅(qū)動電路簡圖。

圖6　驅(qū)動電路示意圖

4　發(fā)射機(jī)優(yōu)秀的數(shù)據(jù)采集能力

發(fā)射機(jī)控制部分包括控制保護(hù)板、數(shù)據(jù)接口板、顯示屏等，顯示各種工作狀態(tài)和參數(shù)信息。工作狀態(tài)由控制板直接給出，而工作參數(shù)則由數(shù)據(jù)接口板逐個采集，經(jīng)過運(yùn)算放大和模數(shù)變換再經(jīng)濾波算法完成。

發(fā)射機(jī)內(nèi)的工作環(huán)境極其惡劣，既有簡單的低壓直流參數(shù)，也有復(fù)雜的高壓脈沖參數(shù)，而且還伴有強(qiáng)烈的電磁干擾，采集工作非常困難。下面將三種特殊參數(shù)的采集介紹一下。

4.1懸浮電壓的采集

電路中經(jīng)常會碰到懸浮電壓狀態(tài)，例如：交流電整流濾波后的直流、燈絲電源逆變后產(chǎn)生的電壓等。此時，如果直接用運(yùn)放進(jìn)行采集，會發(fā)生電路短路現(xiàn)象，并將采集電路燒毀。因此，需要用電阻或電容串聯(lián)于電路中進(jìn)行限流，然后再取中間段電壓參數(shù)進(jìn)行采集，如圖7所示。

圖7　懸浮電壓采樣示意圖

4.2長脈沖電壓的采集

調(diào)制器的高壓充電電壓，從10μs～500μs不等，頂部平坦連續(xù)，低壓端共地連接高壓脈沖。如圖8所示，此類脈沖的采集，首先選取多路高壓無感電阻串聯(lián)，從最低端取樣電阻引出采樣，做成電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，這樣取樣波形會發(fā)生畸變，但頂部可以測量。為了改善波形，可以在取樣電阻兩端并聯(lián)脈沖電容，做成阻容分壓網(wǎng)絡(luò)，這樣可以獲得比較真實(shí)的波形。為了消除波形末期存在的高頻振蕩，又將脈沖電容更換為RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，利用RC阻尼電路優(yōu)化波形，基本達(dá)到儀器測試水平。在這種狀態(tài)下，再通過同步定時信號引導(dǎo)采樣時間，即可獲得性能良好的峰值采集參數(shù)，如圖9所示。上部兩圖為波形末期存在高頻振蕩的采樣波形，下部兩圖為阻容優(yōu)化處理后的采樣波形。

圖8　長脈沖電壓采樣示意圖

圖9　長脈沖電壓采樣波形圖

4.3窄脈沖電壓的采集

速調(diào)管陰極脈沖高壓與脈沖電流，寬度在幾μs以內(nèi)，波形極窄，而且存在大量的高頻寄生振蕩疊加于波形之上。在這種條件下絕對不能使用電容濾波，只能采用共模電感濾波方式將波形采樣出來，再通過差分運(yùn)放將波形進(jìn)行處理后，通過同步定時和高速AD采樣進(jìn)行采集工作。

5　發(fā)射機(jī)工程化應(yīng)用

針對批量生產(chǎn)的發(fā)射機(jī)設(shè)備，在設(shè)計(jì)方面做了一系列的優(yōu)化設(shè)計(jì)[6]，包括：使用大屏幕顯示器進(jìn)行發(fā)射機(jī)操作，具有良好的人機(jī)交互界面；使用可控調(diào)壓模塊進(jìn)行整流設(shè)計(jì)，提高了調(diào)試的方便性；大功率電路使用通用性軍用電連接器代替原自制連接器，減少裝配誤差；控制電路使用多路扁平電纜和壓接型D型連接器，大幅減少機(jī)器電裝和調(diào)試查線時間；采用新型印制板安裝保險絲座，保證接觸可靠性；油箱采用整體焊接箱體結(jié)構(gòu)，防止油箱滲漏[7]；使用大功率高風(fēng)壓進(jìn)口風(fēng)機(jī)，降低了噪聲，提高了效率[8]。這些設(shè)計(jì)思路，使發(fā)射機(jī)在技術(shù)指標(biāo)、裝配調(diào)試方便性、長時間可靠運(yùn)行、維修方便性、成本節(jié)約等方面獲得了調(diào)試人員和用戶的一致好評。

發(fā)射機(jī)交付用戶使用的兩年內(nèi)一直保持穩(wěn)定工作狀態(tài)，各項(xiàng)電性能指標(biāo)良好，見圖10。

圖10　發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵波形照片

6　結(jié)束語

批量生產(chǎn)的雷達(dá)設(shè)備，在保證技術(shù)先進(jìn)性、可靠性的前提下，優(yōu)先考慮設(shè)備生產(chǎn)的方便性、調(diào)試維修工作的高效性，以及用戶對設(shè)備使用的簡單性。這樣，可以極大地提高產(chǎn)品設(shè)備的生產(chǎn)效率，正確引導(dǎo)調(diào)試人員和用戶在短時間內(nèi)掌握設(shè)備的使用與維護(hù)。

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韓博男，1972年生，高級工程師。研究方向?yàn)榇蠊β世走_(dá)發(fā)射機(jī)。

DesignCharacteristicofNewGenerationWeatherRadarTrasnmitter

HANBo，DAIGuangming，YAOMin，WUYazhong

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Accordingtothetechnologyandmaintenanceproblemsexposedonthefirstgenerationweatherradartransmitter,whichareoperatedinlongperiodacrossourcountry,combinedwiththeadvancedcircuitdesignprincipleaswellasthedeviceapplication,thenewgenerationweatherradartransmitterisdesigned.Themodulardesignofhighvoltagecharginganddischargingcircuitofthemodulator,theapplicationofthenovelpowerdevicesintheparticularcircuits,thecomparisonandanalysisofseveralspecificdataacquisitioncircuits,theoptimizationandimprovementofseveralengineeringtechnologyareproposedparticularlyinthispaper.Thedescriptionarealsogivenfollowedwiththespecificcircuitsandphotos.Thedesignprincipleofthetransmitterequipmentinbatchissummarizedlastly.

weatherradar;transmitter;flybackcharging;modulation;modularization;dataacquisition

韓博Email：hanbo_nanjing@163.com

2016-01-17

2016-03-19

TN957.51

A

1004-7859(2016)06-0071-04

·收/發(fā)技術(shù)·DOI：10.16592/j.cnki.1004-7859.2016.06.017