某型脈沖雷達發(fā)射機雙機熱備份系統(tǒng)設(shè)計

何曉毛，常壯壯，郝文東，肖振業(yè)，王晶

（中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，甘肅酒泉 732750）

在單脈沖雷達系統(tǒng)中，發(fā)射機的主要作用是將小功率的微波信號進行功率放大和脈沖調(diào)制，為雷達系統(tǒng)提供一定脈寬、重復(fù)頻率的大功率脈沖發(fā)射信號，其輸出功率的大小決定了雷達作用的距離[1]，發(fā)射機的工作穩(wěn)定性決定了雷達遂行各種任務(wù)的能力。脈沖雷達發(fā)射機末級放大多采用單只大功率速調(diào)管，速調(diào)管的電子槍區(qū)金屬電極和電子槍絕緣陶瓷表面的電場強度很高，在長時間使用之后，電極和陶瓷表面由于老化或者污染，會很容易造成打火或擊穿，導(dǎo)致速調(diào)管無法工作[2]，嚴重時會損壞速調(diào)管。另外速調(diào)管在裝配過程中大多采用手工完成，由于加工工藝、裝配技藝等原因，在真空腔體、高壓電極及陶瓷表面會出現(xiàn)毛刺、突起或污染物，從而降低電極間的擊穿強度[3]，最終會引發(fā)速調(diào)管打火或損壞。另外，速調(diào)管打火還受燈絲老化、管內(nèi)真空度不夠、管內(nèi)雜質(zhì)污染、輸出窗雜質(zhì)污染、波導(dǎo)打火反饋、過激勵等因素的影響。

某型脈沖雷達由于服役時間較長，其發(fā)射機系統(tǒng)在使用過程中逐漸暴露出輸出功率不滿足指標要求，故障率較高等問題，嚴重影響了雷達在航天測控中的跟蹤測量能力。

發(fā)射機雙機熱備份是目前國內(nèi)外大多數(shù)雷達發(fā)射機提高設(shè)備可靠性的普遍使用手段[4-5]。工作時，兩套發(fā)射機都加高壓，其連接方式分為兩種，一種為雙機互為熱備份工作方式[6]，通過功率轉(zhuǎn)換開關(guān)連接，一套發(fā)射機的輸出功率送到天線，另一套則送到大功率負載，當送天線的發(fā)射機發(fā)生故障時，可通過轉(zhuǎn)換開關(guān)進行切換，將送負載的發(fā)射機的輸出功率轉(zhuǎn)換到天線[7]。另一種為功率合成方式[8]，通過功率合成網(wǎng)絡(luò)連接，當某一套發(fā)射機出現(xiàn)故障時，通過調(diào)節(jié)合成系數(shù)，使合成功率輸出不產(chǎn)生變化，其合成方法可在速調(diào)管輸出端進行，通過微波功率合成來實現(xiàn)[5,9-11]；或者將多部發(fā)射機輸出的微波功率經(jīng)天線輻射進行空間合成[12-13]。

通過對發(fā)射機設(shè)備系統(tǒng)進行研究，并結(jié)合當前技術(shù)發(fā)展潮流，利用現(xiàn)有平臺提出了對該雷達發(fā)射機進行雙機熱備份改造的設(shè)計方案，用于解決目前發(fā)射機功率輸出不足和因速調(diào)管打火影響雷達遂行任務(wù)跟蹤的問題。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 脈沖雷達發(fā)射機系統(tǒng)簡介

某型脈沖雷達發(fā)射機系統(tǒng)主要由高壓電源、調(diào)制器、前級放大、速調(diào)管、電源以及為保障系統(tǒng)正常工作所必須的水冷、風(fēng)冷和恒溫環(huán)境保持裝置等部分組成。其各組成部件的連接如圖1 所示。

圖1 發(fā)射機結(jié)構(gòu)布局

高壓電源為速調(diào)管提供所需高壓，主要由高壓電源控制分機、3 個逆變器分機和高壓脈沖裝置組件等組成；調(diào)制器將高壓調(diào)制成脈沖形式，主要由調(diào)制器組件板、低壓組件（包含定時驅(qū)動板、逆變電源板、壓敏電阻板等）和儲能電容等組成；前級放大和末級放大形成放大鏈，主要由前級分機、控保單元分機、磁場電源分機、燈絲及反線包電源分機、去磁電源分機、速調(diào)管和水負載等組成；電源為系統(tǒng)提供能量，各分機采用抽屜式的單元結(jié)構(gòu)。

發(fā)射機的主要作用是將激勵源送來的脈沖射頻小信號，送至前級放大器進行放大，之后通過可變衰減器進行增益調(diào)節(jié)，將大小合適的前級放大器輸出信號送到末級速調(diào)管放大器輸入端，最后經(jīng)速調(diào)管放大后，輸出功率經(jīng)電弧檢測波導(dǎo)、定向耦合器、大功率環(huán)流器、饋線送至天線，將射頻脈沖發(fā)射出去。

1.2 雙機熱備份硬件設(shè)計

在雷達現(xiàn)有發(fā)射機系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，綜合考慮發(fā)射系統(tǒng)各單元的協(xié)調(diào)配合工作，采取相同的定時和同步命令控制，采用合理的控制與保護策略，將射頻信號輸入等功率分配，經(jīng)過對發(fā)射機設(shè)備承載的研究和分析，雙機熱備份的總體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 中的發(fā)射機A 為原有發(fā)射系統(tǒng)，發(fā)射機B（包括高壓電源、調(diào)制器、末級放大及其他輔助供電設(shè)備單元）與合成器為新增設(shè)備。為防止兩套發(fā)射機相互牽連，設(shè)計了分散供電模式。與原有發(fā)射機不同的是，發(fā)射機B 的高壓電源模塊采用可調(diào)式高壓供電。將調(diào)制器組件與配套的燈絲變壓器和脈沖變壓器放置在高壓油箱內(nèi)，做到高壓隔離并節(jié)省空間。

圖2 發(fā)射機熱備份設(shè)計方案

1）高壓電源

目前高壓電源設(shè)計冗余，無法提供2 只速調(diào)管同時工作，因此，采用相互牽連小、可靠性高的分散供電。即新增一套高壓電源設(shè)備，具體包括高壓電源控制分機、開關(guān)電源分機和軟啟動電路等，為發(fā)射機B的末級放大、磁場反線包聚焦提供電壓和能量。新高壓電源采用可調(diào)式高壓供電，通過高壓控制按鍵人工改變高壓供電的大小，來實現(xiàn)對功率輸出的控制。

2）末級放大

末級放大包括新速調(diào)管、調(diào)制器組件、聚焦線圈、燈絲變壓器、環(huán)形器及功率合成器。高壓電源模塊采用可調(diào)的脈沖高壓為速調(diào)管供電，無需脈沖變壓裝置及去磁電源。新調(diào)制器組件、燈絲變壓器及速調(diào)管可統(tǒng)一放置于變壓油箱內(nèi)，以便達到更好的散熱，防電暈及節(jié)省空間的效果。

3）前級與電源

前級與電源包括控制保護電路、磁場電源、燈絲電源及反線包分機等，主要對市電進行變換，提供各分機單元需要的電源供電。

4）激勵信號輸入

在前級固態(tài)放大器的輸出端加裝等功率分配器，將2 路等功率信號經(jīng)可變衰減器后輸入速調(diào)管A和速調(diào)管B 進行功率放大。

5）定時輸入

采用同一定時信號源進行2 路同步定時，經(jīng)定時器處理后，調(diào)制成所需的觸發(fā)脈沖，控制發(fā)射機A和發(fā)射機B 同步工作。

6）功率輸出

通過調(diào)節(jié)前級輸出后的可變衰減器，控制發(fā)射機A 和發(fā)射機B 功率輸出，另外，可調(diào)節(jié)高壓供電的大小來控制發(fā)射機B 的功率輸出，最后，利用功率合成器將兩臺發(fā)射機的輸出功率進行合成之后送往天線。

7）系統(tǒng)冷卻

發(fā)射機B速調(diào)管的收集級、磁場線圈、鈦泵及環(huán)形器等設(shè)備新設(shè)4 條冷卻管路，利用現(xiàn)有冷卻系統(tǒng)冗余的4 路接口，并經(jīng)過理論計算，調(diào)整冷卻裝置的旁通閥，增大管理中的流量和壓力，滿足系統(tǒng)散熱需求。

8）控制保護電路

對高壓控制、磁場反線包、管體電流、鈦泵電流、調(diào)制脈沖、功率反射、冷卻系統(tǒng)溫度、流量及壓力等數(shù)據(jù)進行監(jiān)測收集，經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換后送至PLC 進行控制。

9）工作模式設(shè)置

在雷達主控臺上，增加了發(fā)射機工作模式選擇切換，即發(fā)射機A 獨立工作模式、發(fā)射機B 獨立工作模式及發(fā)射機A+B 同時工作模式，3 種工作模式可相互切換，但當發(fā)射機A+B 功率合成工作時互鎖，防止2 套發(fā)射機同時滿功率輸出而損壞設(shè)備。

2 功率合成設(shè)計

2.1 功率合成工作原理

功率合成技術(shù)是實現(xiàn)雷達發(fā)射機大功率時普遍采用的方法，功率合成器是將來自發(fā)射機的大功率信號進行合成的器件[11]，其一般由正交器、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、90°移相器等部件組成，目的是解決單個速調(diào)管功率容量有限的問題，其工作原理如圖3 所示。

發(fā)射機A、發(fā)射機B 從正交器1 的兩個端口輸入待合成的微波信號，兩個90°移相器經(jīng)過旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的驅(qū)動分別設(shè)置一定角度，使兩個信號經(jīng)過移相器后與輸出端器件正交器2 的極化方式相匹配（正交器2一般設(shè)置為45°極化），使得微波信號在正交器2 的輸出端同相疊加，而在另一端則反向相消輸出為零，完成兩路信號大功率合成[5]。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機采用AC220V 供電，3 種工作模式取決于兩個旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)位置，角度分別為?1、?2，給定不同的?1和?2組合，可得出不同的工作模式。

圖3 功率合成器原理

2.2 功率合成效率分析

功率合成器為一四端口微波器件，其輸入端分別與發(fā)射機A 和發(fā)射機B 相接，輸出端分別連接負載和天線，其組成示意圖如圖4 所示。

圖4 功率合成器連接方法

圖4 中，a1、a2為發(fā)射機的入射微波信號，b1、b2為合成器的反射信號，b4、b3為輸出合成信號，a4、a3為天線和負載反射信號。來自發(fā)射機的入射微波經(jīng)合成器后，將在合成器輸出端形成相互垂直的橫波信號和縱波信號，橫波為雷達所需要的微波信號，送往天線，而縱波通過大功率負載進行吸收。根據(jù)散射參數(shù)理論[14]，合成器的散射矩陣S為：

式中，Sij表示端口i到端口j的反射或傳輸系數(shù)，則有：

假設(shè)功率合成器各端口與連接器件均匹配，則端口3 和4 均無功率反射到合成器中，即a3=0，a4=0。定義功率合成效率為合成器輸出功率與輸入功率的比值[11]，即：

2.3 功率合成效率影響因素

由于發(fā)射機輸出的功率信號具有一定的幅度和相位，其形成的散射矩陣為復(fù)數(shù)形式[15]，因此用幅度、相位表示合成器的輸出信號為：

由以上結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

1）合成效率的大小取決于輸入信號的幅相一致性程度以及發(fā)射機與合成器的匹配程度；

2）由于合成器的制造工藝等原因，其內(nèi)在性質(zhì)無法更改，為使合成效率最大，在實際應(yīng)用中，應(yīng)盡量使輸入信號幅度和相位與合成器的傳輸系數(shù)具有一定的關(guān)系。

2.4 合成效率最大值條件

分析式（5）可知，通過改變輸入信號的幅度相位和設(shè)置功率合成器的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)角度，可使合成效率達到最大，即：

即合成效率最大值為散射矩陣元素S14、S24實部系數(shù)平方和。經(jīng)過推導(dǎo)，式（6）取等號時的條件為：

其中p，?為常數(shù)，其值由功率合成器的類型、制造工藝等因數(shù)決定。從推導(dǎo)可知，要使合成效率最大，對應(yīng)不同的輸入端口，要求發(fā)射機的輸入信號幅度與合成器端口的幅度傳輸系數(shù)成比例，而相位與合成器相位傳輸系數(shù)差相等，使兩套發(fā)射機合成器，相位達到完全一致，即完成波的疊加，達到最大合成效率。在實際工作中，發(fā)射機的輸出信號的幅度可通過衰減器調(diào)節(jié)，而相位可通過功率合成器旋轉(zhuǎn)機構(gòu)分別設(shè)置。

3 可靠性分析

可靠性模型是定量分析系統(tǒng)可靠性的依據(jù)，不同的可靠性模型可獲得不同的可靠性指標。對于單套發(fā)射機而言，一般采用串聯(lián)系統(tǒng)可靠性模型進行計算[16]。某型脈沖雷達發(fā)射機其關(guān)鍵部件平均無故障工作時間(MTBF)如表1 所示。

表1 發(fā)射機各部件可靠性預(yù)計表

對于單套發(fā)射機系統(tǒng)，采用串聯(lián)系統(tǒng)可靠性計算公式：

λi為第i單元模塊的失效率n為單元模塊總數(shù)，經(jīng)計算得出單套發(fā)射機MTBF1為1 190 h。

發(fā)射機雙機熱備份是一個冗余系統(tǒng)，其采用兩套發(fā)射機并聯(lián)進行工作，只要有一套發(fā)射機正常工作就能保持系統(tǒng)正常工作。因此，其可靠性采用并聯(lián)系統(tǒng)可靠性模型進行計算。

式中，N為系統(tǒng)數(shù)量。某型脈沖雷達發(fā)射系統(tǒng)雙機熱備份工作時，其MTBF2為1 785 h，比單發(fā)射機工作時提高了595 h。

4 結(jié)束語

針對某型脈沖雷達系統(tǒng)設(shè)備現(xiàn)狀，對發(fā)射機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行分析研究，提出了發(fā)射機系統(tǒng)雙機熱備份方案，利用雙發(fā)射機功率合成方式，彌補了舊發(fā)射機輸出功率不足的缺陷，同時分析了影響功率合成的因素，推導(dǎo)了功率合成輸出效率最大化的參數(shù)設(shè)置方法；可靠性分析表明，雙發(fā)射機熱備份工作時，可有效提高系統(tǒng)的可靠性，增強了雷達遂行任務(wù)的能力。