某S波段引進(jìn)雷達(dá)微波負(fù)載應(yīng)用研究

摘要：對(duì)某S波段引進(jìn)雷達(dá)微波負(fù)載的應(yīng)用進(jìn)行研究。該雷達(dá)采用的微波負(fù)載包括干負(fù)載和水負(fù)載，耗散的微波平均功率從瓦到千瓦級(jí)。微波負(fù)載應(yīng)用技術(shù)成熟，具有代表性，分析其工作原理、工作特性，可為國產(chǎn)雷達(dá)微波負(fù)載的研制和應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：負(fù)載；微波；平均功率

Keywords： load；microwave；mean power

0 引言

雷達(dá)微波負(fù)載廣泛應(yīng)用于雷達(dá)天饋系統(tǒng)，一般作為雷達(dá)天饋系統(tǒng)微波信號(hào)傳輸通道的匹配負(fù)載，是雷達(dá)的重要組成部分。近年來隨著雷達(dá)微波技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)微波負(fù)載的種類逐漸增多，其耗散的平均功率可從瓦到千瓦級(jí)。在雷達(dá)系統(tǒng)中，微波負(fù)載性能的好壞直接影響雷達(dá)的性能，是雷達(dá)工作、檢測(cè)、維修過程中需關(guān)注的重點(diǎn)器件。

某S波段引進(jìn)雷達(dá)是目前國際上先進(jìn)的雷達(dá)之一，對(duì)該型雷達(dá)微波負(fù)載設(shè)計(jì)原理和應(yīng)用進(jìn)行分析將對(duì)國產(chǎn)微波負(fù)載的開發(fā)和應(yīng)用起到借鑒作用。

1 波導(dǎo)小功率匹配負(fù)載

這是一種矩形波導(dǎo)小功率匹配負(fù)載，它是內(nèi)置有吸收片的終端短路的一段波導(dǎo)，用于主波束防護(hù)信號(hào)通道終端。這種匹配負(fù)載幾乎能無反射地吸收入射波的全部功率。吸收片與矩形波導(dǎo)中TE10模的電場(chǎng)力線平行，TE10波的電場(chǎng)沿波導(dǎo)寬邊的分布呈中間強(qiáng)、兩邊弱。吸收片位于波導(dǎo)中央位置，吸收片與矩形波導(dǎo)中TE10模的電場(chǎng)力線平行，當(dāng)電磁波穿過時(shí)，片上將有電流流過，將電磁能量在電阻膜上轉(zhuǎn)化為熱能。吸收片為波導(dǎo)系統(tǒng)引入了一種不連續(xù)性，為了盡量減小反射，吸收片為尖劈形（見圖1），且其長度應(yīng)為λp/2的整數(shù)倍，可使吸收片在斜面上每一點(diǎn)引起的電磁波反射都能被與其相距λp/4的另一點(diǎn)引起的反射所抵消，從而使波導(dǎo)系統(tǒng)得到良好的匹配。

波導(dǎo)小功率匹配負(fù)載為干負(fù)載，常用作小功率微波通道匹配負(fù)載或波導(dǎo)測(cè)試校準(zhǔn)負(fù)載，其允許耗散的平均功率通常在微瓦和毫瓦級(jí)，最大能達(dá)到瓦級(jí)，一般可在10%～15%頻帶內(nèi)達(dá)到駐波比ρ<1.05的近于理想的匹配程度，如圖2所示。

2 波導(dǎo)高功率空氣冷卻負(fù)載

波導(dǎo)高功率空氣冷卻負(fù)載采用的是內(nèi)斜式腔體結(jié)構(gòu)，用于該雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)天線輻射器終端和雷達(dá)天饋系統(tǒng)鐵氧體環(huán)行器第Ⅳ端。該負(fù)載內(nèi)壁上噴涂了一層吸收材料，吸收體形狀不再是小薄片，而是填充滿整個(gè)波導(dǎo)，散熱介質(zhì)為空氣。為了提高散熱效率，外部采用冷卻柵片環(huán)形結(jié)構(gòu)的鋁殼體，如圖3所示。

波導(dǎo)高功率空氣冷卻負(fù)載為干負(fù)載，常用于輻射天線終端的匹配負(fù)載或通過鐵氧體環(huán)形器吸收來自接收通道的反射信號(hào)。該型雷達(dá)上使用的波導(dǎo)高功率空氣冷卻負(fù)載的耗散功率可達(dá)500W，在使用的頻帶內(nèi)駐波比ρ<1.2，如圖4所示。

波導(dǎo)高功率空氣冷卻負(fù)載具有體積小、重量輕、使用方便等特點(diǎn)，其功率容量相對(duì)較低，通常只耗散數(shù)十瓦至數(shù)百瓦的微波功率。

3 波導(dǎo)高功率吸收式水負(fù)載

波導(dǎo)高功率吸收式水負(fù)載采用內(nèi)斜式腔體結(jié)構(gòu)，用作該雷達(dá)的等效天線。當(dāng)雷達(dá)不向空間輻射探測(cè)脈沖信號(hào)時(shí)，對(duì)雷達(dá)進(jìn)行檢查和調(diào)整，需將超高頻探測(cè)信號(hào)能量轉(zhuǎn)換為熱能形式消耗掉。吸收式水負(fù)載耗散的功率通過波導(dǎo)內(nèi)壁傳熱，在負(fù)載內(nèi)部增加了水腔體部分，水在波導(dǎo)內(nèi)部水室腔體內(nèi)流動(dòng)并吸收微波能量，水管采用斜插方式。為了達(dá)到良好的匹配，水管與波導(dǎo)壁之間的夾角為10o，這時(shí)的駐波比可以達(dá)到1.05～1.22，具有功率容量大、水溫響應(yīng)敏感等優(yōu)點(diǎn)，只要水流量足夠大，其能夠吸收的功率是無限制的。該類負(fù)載結(jié)構(gòu)上增加了水腔體部分，導(dǎo)致體積較大，重量也相應(yīng)增加。

吸收式水負(fù)載用于吸收雷達(dá)探測(cè)脈沖信號(hào)，重量為25kg，在該型雷達(dá)上耗散的峰值功率為350kW，平均功率為3kW，在使用的頻帶內(nèi)駐波比ρ<1.22，如圖5所示。

4 波導(dǎo)高功率輻射式水負(fù)載

輻射式水負(fù)載中微波通過波導(dǎo)的斜切面端口經(jīng)絕緣陶瓷板輻射出去并被水室中流動(dòng)的水吸收。陶瓷板起到隔離微波傳輸通道和水室的作用。陶瓷板與波導(dǎo)法蘭盤口形成夾角，該夾角決定了水負(fù)載的駐波比。水負(fù)載的水室由負(fù)載蓋和絕緣陶瓷板形成，蓋上裝有冷卻液輸入和輸出接頭，輸入接頭安裝在負(fù)載蓋的側(cè)面，輸出接頭安裝在負(fù)載蓋底部平面上，如圖6所示。這樣的結(jié)構(gòu)可使在向水室加注液體時(shí)能夠迅速清除水室內(nèi)的空氣。在使用時(shí)需注意安裝角度，保證冷卻液完全覆蓋陶瓷片，否則陶瓷片極易因高溫?zé)龎摹?/p>

該負(fù)載耗散的能量由冷卻液體的循環(huán)流量和散熱量決定，通過加裝散熱箱，該負(fù)載耗散功率非常大，峰值功率350kW，平均功率3kW。波導(dǎo)高功率輻射式水負(fù)載是吸收式水負(fù)載的改進(jìn)型，具有功率容量大、工作頻帶寬、使用壽命長、可靠性高、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，輻射式水負(fù)載的駐波比ρ<1.25，如圖7所示。

5 結(jié)束語

該引進(jìn)雷達(dá)微波負(fù)載根據(jù)耗散功率的大小使用了四種微波負(fù)載，采用了干負(fù)載和水負(fù)載設(shè)計(jì)，器件性能穩(wěn)定，在十多年的使用中沒有發(fā)生微波泄漏、溫度過高、打火等異常現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)

[1] E Eves，V Yakovlev. Analysis of Operational Regimes of a High Power Water Load[J]. Journal of Microwave Power& Electromagnetic energy，2002，37（3）：127-144.

[2] LiuLiang，Liu Fukua，Shan Jiafang，et al. Design of a New Water Load for S-band 750kW Continuous Wave High Power Klystron Used in EAST Tokamak[J]. Plasma Science and Technology，2007，9（2）：223-226.

[3]楊立霞. S波段大功率水負(fù)載的研制[J].真空電子技術(shù)，2015（03）：62-64.

[4]賀祥，趙鳳利，王湘鑒，等. S波段系列干負(fù)載的研制[J]. 強(qiáng)激光與粒子束，2015（6）： 294-296.

作者簡介

張代宏，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)檠b備和維修保障技術(shù)研究。