大功率固態發射機控保監測系統的設計

遲青松

（青海省廣播電視局566臺，青海 西寧 810001）

0 引言

發射機技術在不斷發展，其中固態發射機以其獨特的優勢被越來越廣泛的使用。與傳統的電子管發射機相比，固態發射機采用全固態晶體管或場效應管作為放大器，此類器件由于所需的工作電壓低，在系統設計時對器件的耐壓要求不高，所以可靠性大大提高。通常單個固態放大器的功率很小，所以在大功率輸出時采用多個功率模塊合成的方式，這種方式的優勢在于用于功率合成的功率模塊發生個別故障時不影響整體發射機的工作，同時由于功率模塊具有可互換性，提高了系統的可維修性。

固態發射機由眾多的功率模塊組件和開關電源模塊組件構成，當所需的合成功率很大時，組件數量也相當可觀，作為發射機的控制保護監測系統，當功率模塊或電源模塊發生故障時，要能精確定位至故障模塊，進行相應的故障判定，執行相應的故障操作。目前，控保系統采用的控制方式大致有3類：PLC、CPLD/FPGA、單片機[1]。其中，PLC由于其抗干擾性強的獨特優勢，幾乎是所有高功率電子管發射機控保系統的首選；CPLD/FPGA多用于監測量大、輸出控制量大的固態發射機控保系統，使用比較靈活；單片機多用于監測量不高的場合，有接口齊全，設置靈活的優勢[2-3]。

1 固態發射機系統組成

本固態發射機系統組成框圖如圖1所示，它由前級放大功分組件、末級功放組件、八路功率合成器、控制保護監測電路、電源分配組件、冷卻系統等組成。

圖1 發射機系統組成框圖

1.1 前級放大功分組件

前級放大功分組件實現了輸入微波信號的初步放大功能，同時經過八路功率分配器輸出8路微波信號用于推動末級功放組件。該組件集成了微波電路部分、電源部分、調制器電路等多種功能。

其中微波電路部分采用了單路放大鏈式設計，并設計有輸入、輸出耦合電路，用于檢測輸入、輸出功率是否正常。

1.2 末級功放組件

末級功放組件是發射機系統最基本組成部分，同時也是發射機系統最關鍵的核心部分。末級功放組件的性能直接影響到整個發射機的輸出性能。在整個發射機系統中，采用了8個相同的末級功放組件，實現了固態發射機的模塊化、通用化設計。末級功放組件內部包含了微波電路部分、電源電路、監測保護電路。其中微波電路由兩級共5只相同的微波功率管級聯放大、合成而成。電源部分的輸入為380 V交流電源，在組件內部完成AC-DC、DC-DC、二次穩壓的變換，提供微波晶體管的工作電壓。輸入適當的激勵功率，末級功放組件即可輸出不小于1 kW的微波峰值功率。末級功放組件電路原理圖如圖2所示。

圖2 末級功放組件電路原理圖

在末級功放組件中，需要將40 W左右的輸入信號放大到1 kW以上。具體實現方式是，首先對輸入的微波信號進行初步放大，然后將放大后的信號進行1∶4功分，分別推動4只微波功率管，最后進行4路合成。

1.3 功率分配器/合成器

本發射機的脈沖輸出功率達5 kW以上，即使末級功放組件的輸出功率也在1 kW以上，在L波段，靠單個功率源和單路功率放大很難獲得如此高的功率，這就需要采用微波功率合成技術。在理想情況下，總輸出功率等于各末級放大器輸出功率之和。但實際上，由于功率合成器存在損耗，各路的幅度和相位不可能完全一致，輸出總功率比理想情況要小。為了獲得較高的合成效率，功率分配器和合成器的各路幅度和相位一致性必須很好，且要求損耗小，各端口應當具有足夠的隔離作用，使得各路放大器互不影響。在前級放大功分組件和末級功放組件中均采用了功率分配器和功率合成器。由于該波段中微波信號的1/4波長較長，為了節省空間，分配器以及合成器均采用威爾金森電路，并根據不同情況進行了變形處理，同時在microwave office軟件仿真的基礎上進行優化設計。在前級放大功分組件和末級功放組件中采用微帶形式的功分器和合成器，在八路功率合成器中采用帶狀線式功率合成器。

該波段發射機中單個末級功放組件的輸出功率在1 kW以上，為了實現總輸出功率不低于5 kW，采用了帶狀線式八路功率合成器。通過Ansoft HFSS軟件仿真，電氣性能滿足要求。

1.4 控保監測系統

發射機系統控保電路實現與發射機主控計算機通信，接收來自系統的指令和將發射機的工作狀態報告給系統，另一方面實現發射機可更換單元的監測保護，同時實時傳送發射機系統輸出功率電平值。整個控保組合基本上可分為控制加電部分和監測通訊部分。控制組合實物如圖3所示。

圖3 控制組合實物圖

1.4.1 控保監測電路的作用

（1）控制加電部分：按一定的時序完成發射機的加/斷電控制，分為本地/遙控狀態。雷達系統加電后，控保電路開始工作，首先風機加電，在收到發射機加電27 V指令后，功放模塊加電，在工作電壓加電正常后，才允許加調制脈沖；

（2）保護取樣部分：完成各信號的取樣（控保自身、風機工作電流正常、功放模塊工作電壓、電流正常、功率模塊溫度正常、功放模塊輸出功率正常，功放模塊駐波正常），在故障發生時對發射系統進行保護，并且根據設定門限（可調）判斷，低于功率門限或在故障發生時對發射系統部分進行保護。體現在一體化末級功放組件中電源部分的過流、過壓以及過占空比保護；

（3）監測部分：完成發射機各部分工作狀態的監測，并執行與雷達系統的通信任務，接收控制字，回送發射系統的工作狀態。監測每個末級功放組件的工作狀態，并且送到顯控臺。同時通過輸出功率定向耦合器耦合功率檢波，再輔以檢波處理電路，實時回報發射機系統輸出功率值。

控保電路以可編程控制器為核心，與相應的接口電路配合，實現發射機控制保護和檢測顯示及通信高度智能化和自動化。

1.4.2 控保監測系統的功能組成

控保監測系統要完成的功能有：開關機的時序加電控制、功率模塊的故障監測、電源模塊的故障監測、冷卻系統的故障監測等。在該發射機系統中由于末級單個功率模塊的輸出功率很大，其電源模塊的脈沖電流也非常大。為了有效抑制大脈沖電流對控保系統的干擾，采用了PLC加PC104的控保體制，在具體的工作中以PLC加電控制為主，PC104監測顯示為輔，考慮到監測量數量太多，傳統的發光二極管顯示和數碼管顯示方式連線多，硬件設計復雜，可更改性差，本系統采用了液晶屏進行發射機系統狀態和故障的顯示，因為是用軟件編程實現的界面，可更改性大大加強。系統構成如圖4～圖5所示。

圖4 控保系統構成圖

圖5 PLC控制系統實物圖

1.5 技術特點

由于單個功率模塊和電源模塊的功率很大，模塊能否有效散熱和對模塊的溫度監測十分必要，為此在發射機系統設計中共配備了幾十個風機和幾十個溫度繼電器用于散熱和溫度報警，加大了控保系統的控制和監測量；對功率模塊的故障監測和判別，要根據同步脈沖、電源狀態及功率檢波輸出進行綜合判定；PLC系統與PC104之間采用的通訊接口和協議形式；PC104的數據處理與液晶屏上界面的編程。

2 控保系統設計思路

隨著電子技術的發展，當前數字系統的設計正朝著速度快、容量大、體積小、重量輕的方向發展。推動該潮流迅猛發展的就是日趨進步和完善的ASIC設計技術。該發射機控保系統采用的就是PLC可編程器件作為控制核心，其所有的設計過程都可以用計算機來自動完成，這樣可縮短系統的設計周期。

輸入輸出電路采用光耦隔離以抑制發射機系統產生的干擾，電流較大的輸出信號采用繼電器輸出，繼電器采用數量盡量少，以保證系統的可靠性。

控制芯片、輸入輸出電路、時鐘電路做在一塊印制板電路上，提高了抗干擾能力；狀態、故障信號均在面板顯示，方便系統調試；電源模塊采用朝陽電源模塊，體積小，安裝簡便；繼電器安裝在同一塊金屬板上，與控制芯片隔開，不但減小了干擾，而且提高可維性。經過精心策劃、反復修改，完成了結構設計。該結構具有下列特點：

（1）布局合理，結構緊湊；

（2）具有良好的散熱通路，保證組合有良好的工作環境；

（3）電磁兼容性好。

3 控保系統的具體設計

以某大功率固態發射機為例，說明整個控保監測系統的設計。

（1）硬件構成

該控保監測系統主要檢測固態功率模塊N個，檢測開關電源模塊N個，風機M個，溫度2N個。系統由PLC組件（含輸入輸出模塊、通訊模塊、接口模塊等）、接口板、通訊板、PC104主板、液晶屏等組成。

（2）軟件設計

軟件主要由兩個部分組成：PLC控制軟件和PC104顯控軟件。PLC控制軟件的編程可以采用梯形圖編制，對PC104的控制和界面的編程采用C語言實現。軟件界面如圖6、圖7所示。

圖6 監控系統主界面操作圖

圖7 監控系統模擬量界面圖

4 關鍵技術

4.1 控制程序

控保系統的主要功能就是控制和保護，都是靠燒制在芯片中的控制程序來實現的。發射機開、關機的各種時序關系復雜，發生故障時連鎖保護要迅速，因此在程序設計時兼用了圖形描述和VHDL語言描述。圖形描述的好處是一目了然，各種邏輯關系非常清晰，因此程序的頂層采用圖形描述，VHDL語言描述方便形成子模塊，而且實現功能強大，將各個功能集成在子模塊中后，用圖形描述將其聯結，就形成了一個完整的控制程序。

4.2 供電電源

控制芯片對電源的穩定性要求非常高，本系統供電采用兩級DC/DC模塊，第一級DC/DC模塊供給芯片外圍接口電路，第二級DC/DC模塊單獨給控制芯片供電，且并安裝了大容量電容器以提高系統的抗電網波動能力。

5 該控保監測系統的優勢

采用PC104作為故障監測的形式屬于新的方式，它一方面減輕了PLC的壓力，分擔了部分監測顯示的任務，同時由于界面的可編程，大大方便了設計者和用戶，可以根據需要變換不同的顯示內容。

6 結語

本發射機控保系統的監測和控制量較大，采用了新型的高速PLC，其擁有的可擴展功能為增加更多的監測量和控制量提供了硬件可能，采用的液晶顯示方式也提供了更為方便簡潔的可視性。