大功率羅蘭發射機分析與設計

唐鈺，付泳

（1 中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068；2 火箭軍駐燕山電子設備廠軍代室，北京 100192）

0 引言

羅蘭C大功率發射機作為長波陸基導航授時系統的核心設備，在整個系統中起到舉足輕重的作用，由于羅蘭C發射機的頻率與帶寬的特殊性，其功率合成技術已經成為關鍵性的技術難點。本文通過數學公式模型的推導與仿真，詳細描述了羅蘭C高功率發射機的半波產生、功率合成與波形調制原理，并對影響波形的相關電路的關鍵參數進行了分析。

1 羅蘭C高功率發射機原理簡介

如圖1所示，羅蘭C功率發射機包含控制單元，半波產生單元、功率合成單元、耦合輸出單元以及塔式天線等[1]。

2 各部分功能模塊分析

2.1 負載分析與等效電路模型

400英尺塔式天線作為羅蘭C高功率發射機的負載，根據頻率與阻抗的關系，在100 kHz中心頻率下的等效電路模型如圖2所示，其為一個串聯諧振模型，電流與頻率的關系如式（1）、式（2）所示。由于天線阻抗的動態變化，增加可調電感作為反饋調制以保證阻抗匹配[4]。

2.2 半波功率產生模塊原理

半波功率產生模塊如圖3所示，實際上的功能是產生一個正弦半周波形。理論上的公式如式（1）、式（2）所示：

圖1 羅蘭發射機原理圖

圖2 羅蘭發射機天線等效電路模型

圖3 半波產生器原理圖

其中：E0表示由于前級的電容器C形成的虛擬電壓源電壓；L表示電感；R表示理想情況下的電阻（不包含Rsw）。

理論上，當XC/R為無窮大時，即Ef/E0等于1時（其中Ef表示電感充電電動勢），半波形為一個理想的正弦波。但實際工程應用中，我們一般按0.3效率值進行計算推導，如式（3）所示。這樣我們就推導出實際半波峰電流與電壓的關系。

2.3 功率合成網絡

多個半周合成如圖4所示，這里產生若干個前面所述的半波產生器，其相位相差180°，通過一定時序開關控制不同數量的半波產生器，在功率合成結點形成正負相位的波形，其幅度由各組參與的半波發生器的個數決定[3]。

圖4 半波位置關系與合成

2.4 耦合輸出網絡

為了能夠單獨調節功率合成點的阻抗與帶寬，如圖5（b）所示，這里增加一級變壓器以保證整個節點的并聯電容與電感值的動態可調從而實現阻抗與帶寬的調節。

圖5 耦合輸出網絡

Vg與ig的公式如下所示：

其中：i2p表示天線的瞬時峰值電流；X2表示天線在100kHz頻點的容抗；X1為功率合成結點在100kHz頻點的容抗；f0為100kHz；tp為峰值電流時間；K12為雙調諧電路耦合系數；Q1為功率合成諧振器Q值；Q2為諧振天線的Q值。

3 設計實現與仿真

前面我們分析羅蘭發射機的各部分功能與實現電路，這里我們假設需要的電流為

如圖5(b)所示，簡單的基爾霍夫定理已經無法完成功率合成結節的電路計算，這里我們通過對電流式（5）進行分析，不難發現三個變量決定了整個電流的波形，它們分別是d1、d2、k12。

·由于羅蘭發射機的天線的帶寬是非常窄的，所以諧振天線的Q2值是非常高的，工程上我們一般按數十倍計算，所以

·同樣的道理，Q1表示功率合成點衰減系數，實際應用中我們也是希望功率合成的能量損失的越小越好，工程上這個值一般在50～60左右，所以

·最后，由于k12=K12f0tp，可以發現最終影響天線電流波形的是雙調諧電路耦合系數（K12），也就是耦合網絡中的磁線圈系數。如圖6所示，通過仿真我們也證明這點。當k12=7.0時，電流波形失真度最小。

圖5 k12=7.0電流波形

圖6 k12＝1.1電流波形

圖7 k12＝0.7 電流波形

4 結論

本文通過羅蘭C大功率發射機各個功能模塊的數學模型的分析與推導，以及相關的仿真結果，可以得到以下結論：在功率與頻點一定的情況下，真正影響整個羅蘭波形質量的是d1,d2,k12三個參數，而實際工程中，在d1,d2采用經驗值取值情況下，真正影響羅蘭波形的關鍵參數為k12（雙調諧電路耦合系數）。所以在變壓器的參數一致性以及材料的選擇和工藝上需要嚴格的把控。