大功率高原型發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)

王登峰

(南京電子技術(shù)研究所，　南京 210039)

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大功率高原型發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)

王登峰

(南京電子技術(shù)研究所，南京 210039)

摘要：結(jié)合某高原型雷達(dá)發(fā)射機(jī)的研制和實(shí)踐，介紹了一種具備5 000 m高原工作能力的大功率速調(diào)管發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)。給出了系統(tǒng)方案，重點(diǎn)介紹了固態(tài)調(diào)制器、高壓絕緣、快速電弧保護(hù)電路、速調(diào)管打火保護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)。所設(shè)計(jì)的發(fā)射機(jī)具有體積小、效率高、維修性好等特點(diǎn)。實(shí)踐表明：該發(fā)射機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞：高原型發(fā)射機(jī)；固態(tài)調(diào)制器；高壓絕緣；高可靠性

0引言

大功率速調(diào)管發(fā)射機(jī)具有輸出功率大、增益高、效率高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于測(cè)控、機(jī)載預(yù)警、電子對(duì)抗等產(chǎn)品中[1]。但由于電壓高、電流大，發(fā)射機(jī)一般體積龐大、質(zhì)量較重，主要以地面固定式為主。

隨著雷達(dá)在軍事、民用事業(yè)和科學(xué)研究等眾多領(lǐng)域日益廣泛的應(yīng)用，尤其是高海拔地區(qū)作戰(zhàn)的軍事需求，雷達(dá)發(fā)射機(jī)需要具備很高的機(jī)動(dòng)性和全區(qū)域環(huán)境工作能力。目前，國(guó)內(nèi)研制的大功率速調(diào)管發(fā)射機(jī)大都只能工作在海拔3 000 m高度以下，研制一種具備海拔5 000 m環(huán)境工作能力的車(chē)載大功率高原型發(fā)射機(jī)對(duì)提高雷達(dá)的性能和作戰(zhàn)能力具有重要意義。

1發(fā)射機(jī)的組成

發(fā)射機(jī)采用主振放大式體制，以多注速調(diào)管為放大鏈核心，組成框圖如圖1所示。

固態(tài)調(diào)制器將高壓電源產(chǎn)生的穩(wěn)定直流高壓變換為脈沖高壓，對(duì)多注速調(diào)管進(jìn)行陰極調(diào)制。來(lái)自信號(hào)源的10 mW左右的射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)前級(jí)固態(tài)放大器和末級(jí)多注速調(diào)管兩級(jí)放大后，輸出功率滿足指標(biāo)要求。

圖1　發(fā)射機(jī)組成框圖

2關(guān)鍵及難點(diǎn)技術(shù)

2.1全固態(tài)調(diào)制器

速調(diào)管發(fā)射機(jī)現(xiàn)階段普遍采用陰極調(diào)制方式取代原先的控制極調(diào)制方式[2]。由于陰極調(diào)制時(shí)速調(diào)管的陰極為脈沖高壓，而控制極調(diào)制時(shí)為直流高壓，因此，陰極調(diào)制發(fā)射機(jī)打火概率低、可靠性高。陰極調(diào)制方式的關(guān)鍵是全固態(tài)調(diào)制器，它直接關(guān)系到發(fā)射機(jī)的性能和可靠性[3]。

全固態(tài)調(diào)制器一般采用高速絕緣柵雙極晶體管(IGBT)作為開(kāi)關(guān)管，在本發(fā)射機(jī)中，考慮到最高工作電壓為20 kV，峰值電流為30 A，選用了一種1 200 V/72 A的IGBT管。這種IGBT管開(kāi)關(guān)速度可達(dá)100 ns以上，開(kāi)關(guān)損耗小于10 mJ。采用32組串聯(lián)、每組3個(gè)IGBT管并聯(lián)的方式組成調(diào)制器開(kāi)關(guān)，每個(gè)IGBT管工作電壓為625 V，調(diào)制器原理框圖如圖2所示。

圖2　調(diào)制器電路框圖

全固態(tài)調(diào)制器的開(kāi)關(guān)管由多個(gè)IGBT串并聯(lián)構(gòu)成，并且工作時(shí)浮在高電位上。開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮高低電位的隔離，又要保證各個(gè)開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的一致性，避免因?yàn)殚_(kāi)通的不一致?lián)p壞開(kāi)關(guān)管[4]。經(jīng)過(guò)比較和實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)采用變壓器耦合驅(qū)動(dòng)方式，變壓器鐵心選用超微晶環(huán)形鐵心，放置在高電位上，采用50 kV高壓線穿線的方式構(gòu)成初級(jí)，通過(guò)高壓線來(lái)實(shí)現(xiàn)高低電位隔離。全橋驅(qū)動(dòng)電路保證了所有的觸發(fā)信號(hào)同步。為防止器件差異導(dǎo)致的開(kāi)通不一致，在開(kāi)關(guān)管的柵極和集電極之間串接真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)，當(dāng)開(kāi)關(guān)管集電極和發(fā)射極電壓超過(guò)警戒電壓時(shí)，強(qiáng)制開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，從而保護(hù)開(kāi)關(guān)管。圖3為驅(qū)動(dòng)電路框圖。

圖3　驅(qū)動(dòng)電路框圖

實(shí)踐證明：變壓器耦合驅(qū)動(dòng)方式具有很高的可靠性。

2.2高壓絕緣技術(shù)

速調(diào)管發(fā)射機(jī)屬于大功率設(shè)備，電壓高、電流大，高壓絕緣設(shè)計(jì)是發(fā)射機(jī)能否在高原環(huán)境下穩(wěn)定工作的關(guān)鍵。高原環(huán)境下，對(duì)發(fā)射機(jī)正常工作影響較大的主要有低氣壓和日夜溫差大。溫差大能造成明顯的熱脹冷縮，引起結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化，造成結(jié)露；再結(jié)合低氣壓影響，耐壓絕緣距離下降，容易引起設(shè)備高壓打火，使發(fā)射機(jī)無(wú)法正常工作。海拔高度與大氣壓關(guān)系如圖4所示。

本發(fā)射機(jī)為車(chē)載設(shè)備，要求體積小、質(zhì)量輕。如果采用傳統(tǒng)的空氣絕緣方法，發(fā)射機(jī)由于內(nèi)部器件較多，器件形狀和布局也不規(guī)則，大多為尖端放電類型。在一般情況下，海拔5 000 m時(shí)干燥空氣的理論臨界場(chǎng)強(qiáng)約為300 V/mm左右，通過(guò)空氣絕緣需要較大的距離，使得發(fā)射機(jī)體積、質(zhì)量大大增加，無(wú)法滿足車(chē)載要求。因此，本發(fā)射機(jī)絕緣設(shè)計(jì)采用浸油法，將高壓器件集中浸入油中，以提高高壓器件間隙中介質(zhì)的介電常數(shù)[5]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較，最終選用45#變壓器油作為絕緣介質(zhì)。45#變壓器油凝點(diǎn)≤-45℃,閃點(diǎn)≥135℃，滿足發(fā)射機(jī)溫度使用條件。其理論臨界場(chǎng)強(qiáng)[E]≥18 kV/mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣的臨界場(chǎng)強(qiáng)，因此，能很好地解決間隙小引起的絕緣問(wèn)題，而且方便散熱[6]。

圖4　海拔與氣壓關(guān)系圖

發(fā)射機(jī)的最高工作電壓為20 kV，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式

L=5×U/E

(1)

式中：L為絕緣距離，單位mm；U為電壓，單位kV；E為電場(chǎng)強(qiáng)度，單位kV。

油箱內(nèi)高壓部分的絕緣距離大于5 mm，能夠保證發(fā)射機(jī)安全穩(wěn)定工作。為減小體積和質(zhì)量，油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)還結(jié)合仿真分析，合理布局，采用高、低壓器件分離的原則。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，采用PDCA管理后，我院中提前抽血標(biāo)本、試管錯(cuò)誤、漏抽血標(biāo)本、登記錯(cuò)誤、樣本遺失的情況較質(zhì)量管理前更優(yōu)，組間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。見(jiàn)表1。

此外，考慮到絕緣油的熱脹冷縮，油箱設(shè)計(jì)了膨脹補(bǔ)償器。本發(fā)射機(jī)為車(chē)載設(shè)備，為方便野外維修，油箱采用油枕補(bǔ)償方式，油枕正面設(shè)計(jì)有觀察窗，用于指示油液面高度；頂部安裝有吸濕劑，用于油箱與外界大氣連接，并防止大氣中的水分進(jìn)入油箱。

通過(guò)對(duì)發(fā)射機(jī)的高低溫、低氣壓實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，高壓絕緣設(shè)計(jì)是可靠的。

2.3快速電弧保護(hù)電路

可靠有效地保護(hù)速調(diào)管是發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。為防止饋線系統(tǒng)出現(xiàn)異常損壞速調(diào)管，大功率速調(diào)管發(fā)射機(jī)均設(shè)計(jì)了電弧保護(hù)電路。

通常，電弧保護(hù)電路工作原理是：當(dāng)速調(diào)管輸出窗附近饋線系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)高頻電弧時(shí)，檢測(cè)電路將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并由保護(hù)電路比較后送高電平給控保電路，由控保程序判斷后關(guān)斷高頻激勵(lì)，從而保護(hù)速調(diào)管。

這種軟件保護(hù)形式由于控保程序的運(yùn)行時(shí)間，總的故障動(dòng)作時(shí)間為毫秒級(jí)。而隨著大功率多注速調(diào)管發(fā)射機(jī)采用陰極調(diào)制方式以及高重頻全固態(tài)調(diào)制技術(shù)的發(fā)展，發(fā)射機(jī)工作頻率最高超過(guò)了10 kHz。為更快速有效地保護(hù)速調(diào)管及發(fā)射機(jī)，保證一個(gè)脈沖內(nèi)關(guān)斷高頻，設(shè)計(jì)了快速電弧保護(hù)電路。

快速電弧保護(hù)電路采用直接硬件保護(hù)形式。電弧檢測(cè)電路采樣比較后輸出的高電平信號(hào)直接關(guān)斷高頻使能，同時(shí)再送給控保電路顯示故障，關(guān)斷高壓。快速電弧保護(hù)電路的工作原理框圖如圖5所示。

圖5　快速電弧保護(hù)電路原理框圖

圖6　快速電弧保護(hù)電路時(shí)間測(cè)試圖

2.4速調(diào)管打火保護(hù)設(shè)計(jì)

速調(diào)管是大功率發(fā)射機(jī)的核心，屬于電真空器件，其內(nèi)部為真空環(huán)境，通過(guò)鈦泵來(lái)保持內(nèi)部真空度。在工作時(shí)，無(wú)論在低壓狀態(tài)還是在高壓狀態(tài)，陰極處于千度以上的高溫，陰極中的鋇等材料會(huì)發(fā)生蒸散，使電子槍中聚焦極和陽(yáng)極受到污染，該污染積累到一定程度，會(huì)使電極的耐壓降低，引起高壓下電極間放電，即打火[7]。陰極材料的蒸散是速調(diào)管的固有現(xiàn)象。與國(guó)外產(chǎn)品相比，國(guó)產(chǎn)速調(diào)管由于陰極材料及加工精度等原因，一般連續(xù)工作2、3個(gè)月后會(huì)出現(xiàn)偶爾的打火現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)打火后，電極上的污染物會(huì)被除去，電極間的耐壓恢復(fù)，速調(diào)管又可正常工作。

由于打火時(shí)，速調(diào)管的脈沖電流迅速增加，峰值電流會(huì)上升到幾百安培以上，為防止損壞高壓電路和速調(diào)管，發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)了過(guò)流保護(hù)電路。在高壓回路串入限流電阻以限制打火電流峰值。同時(shí)，采用了快速電流檢測(cè)技術(shù)，快速驅(qū)動(dòng)脈沖封鎖技術(shù)，在打火瞬間能關(guān)斷全固態(tài)調(diào)制器，可靠地保護(hù)調(diào)制器和速調(diào)管[8]。

圖7為速調(diào)管打火的電壓和電流波形，由圖中可以看出，打火后2 μs內(nèi)峰值電流已降為零，迅速有效地保護(hù)了速調(diào)管。

圖7　打火時(shí)速調(diào)管電壓電流波形

速調(diào)管打火嚴(yán)重影響了發(fā)射機(jī)的正常工作和雷達(dá)任務(wù)的執(zhí)行，需要采取措施減少速調(diào)管打火的概率和盡量消除打火對(duì)發(fā)射機(jī)的影響。對(duì)速調(diào)管進(jìn)行充分的老練可以有效地減少打火的概率。老練可以去除速調(diào)管絕緣陶瓷和電極表面的污染物，消除電極表面的毛刺和微突起，提高電極的擊穿電壓。發(fā)射機(jī)執(zhí)行任務(wù)前可以采用降低電壓老練的辦法，清除電極表面的污染物，恢復(fù)高壓電極的耐壓水平。

為消除偶爾打火對(duì)發(fā)射機(jī)的影響，避免打火跳高壓后手動(dòng)復(fù)位加電時(shí)間長(zhǎng)，影響雷達(dá)跟蹤目標(biāo)，本發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)了故障自復(fù)位電路。一旦速調(diào)管發(fā)生打火，過(guò)流保護(hù)電路動(dòng)作，關(guān)斷調(diào)制器，控保收到故障信息后立即自動(dòng)復(fù)位故障并重新加電，如連續(xù)出現(xiàn)三次打火故障后則不再?gòu)?fù)位，需對(duì)發(fā)射機(jī)進(jìn)行人工檢查排故。該自復(fù)位電路能有效減少速調(diào)管偶爾打火和非破壞性故障對(duì)發(fā)射機(jī)工作的影響，提高執(zhí)行任務(wù)的成功率。

3結(jié)束語(yǔ)

大功率速調(diào)管發(fā)射機(jī)由于體積、質(zhì)量等方面的原因，一般一套雷達(dá)中只裝備一套發(fā)射機(jī),這使得發(fā)射機(jī)的可靠性顯得尤為重要[9]。因此，減少發(fā)射機(jī)的故障率和保證發(fā)射機(jī)持續(xù)穩(wěn)定工作是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和挑戰(zhàn)。

大功率高原型發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到車(chē)載設(shè)備和高原環(huán)境工作的要求，并針對(duì)多注速調(diào)管使用特點(diǎn)，采用了多項(xiàng)新技術(shù)和保護(hù)措施，有效提高了大功率速調(diào)管發(fā)射機(jī)的可靠性。經(jīng)高原試驗(yàn)驗(yàn)證：發(fā)射機(jī)性能穩(wěn)定，可靠，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。

參 考 文 獻(xiàn)

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王登峰男，1978年生，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)發(fā)射技術(shù)。

王云香女，1962年生，碩士，研究員。研究方向?yàn)槔走_(dá)罩電性能設(shè)計(jì)。

Design of High-power Plateau Type Transmitter

WANG Dengfeng

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039, China)

Abstract：Combined with the research on the plateau type radar transmitter, the design of a high-power klystron transmitter which worked on 5 000 m plateau is introduced. The block scheme of the transmitter is presented. The emphasis is placed on the solid state modulator, high-voltage insulation technology, fast arc protection circuit and the protection on klystron arcing. The transmitter has the characteristics of small volume, high efficiency and good maintainability. The practice shows that the enviromental flexibility and reliability of the transmitter can meet design index.

Key words：plateau type transmitter；solid-state modulator；high-voltage insulation；high reliability

DOI：·收/發(fā)技術(shù)· 10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.12.016

收稿日期：2015-07-20

修訂日期：2015-09-19

通信作者：王登峰Email：nox3092003@163.com

中圖分類號(hào)：TN957.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004-7859(2015)12-0070-04