一種小功率毫米波磁控管發(fā)射機(jī)

吳亞中，張 科

(南京電子技術(shù)研究所，南京 210039)

0 引言

近些年，毫米波測(cè)云雷達(dá)成為天氣雷達(dá)的研究熱點(diǎn)。隨著信號(hào)處理技術(shù)和接收技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)系統(tǒng)克服了磁控管頻率不穩(wěn)定問(wèn)題，使毫米波磁控管測(cè)云雷達(dá)得以實(shí)現(xiàn)[1]。目前，毫米波微波功率器件有行波管放大器、固態(tài)放大器以及磁控管，相比較而言，行波管放大器、固態(tài)放大器價(jià)格比較昂貴，磁控管則具有發(fā)射功率大、價(jià)格低等特點(diǎn)。

本文介紹了一種毫米波測(cè)云雷達(dá)用小功率8 mm磁控管發(fā)射機(jī)。該發(fā)射機(jī)采用回掃充電線性調(diào)制器，通過(guò)放電開(kāi)關(guān)的選擇以及人工線與脈沖變壓器匹配問(wèn)題的有效解決，優(yōu)化調(diào)整高壓調(diào)制脈沖波形，進(jìn)而生成較好的功率輸出檢波波形。同時(shí)，有效減小體積，提高可靠性，采用封閉式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，適應(yīng)發(fā)射機(jī)天線安裝全天候運(yùn)轉(zhuǎn)的要求。

1 主要技術(shù)指標(biāo)與系統(tǒng)組成

1.1 主要技術(shù)指標(biāo)

輸入:220 V/50 Hz±10%(交流)

輸出:峰值功率25 kW，脈沖寬度200 ns，重復(fù)頻率4 kHz，占空比小于1‰，調(diào)制脈沖15 kV/10A。

1.2 系統(tǒng)組成

發(fā)射機(jī)由幾個(gè)基本的功能模塊組成，分別是控保組件、低壓電源、燈絲電源、回掃充電線性調(diào)制器和磁控管等，如圖1所示。

圖1 發(fā)射機(jī)功能模塊簡(jiǎn)圖

控保組件完成發(fā)射機(jī)內(nèi)部的定時(shí)信號(hào)輸入、各個(gè)組件的狀態(tài)監(jiān)控以及與外界的通訊工作;低壓電源將交流220 V交流電經(jīng)直流-直流(DC-DC)模塊統(tǒng)一變換為各組件需要的低壓電源信號(hào);燈絲電源將24 V直流電源經(jīng)過(guò)半橋變換器逆變?yōu)榻涣餍盘?hào)后，再通過(guò)燈絲隔離變壓器耦合傳輸至磁控管燈絲;回掃充電線性調(diào)制器根據(jù)輸入的定時(shí)信號(hào)，對(duì)交流220 V交流電進(jìn)行變換，對(duì)調(diào)制器的人工線進(jìn)行充電，并產(chǎn)生放電開(kāi)關(guān)的觸發(fā)信號(hào)控制放電開(kāi)關(guān)，將人工線的儲(chǔ)存能量通過(guò)脈沖變壓器升壓后，產(chǎn)生符合要求的調(diào)制脈沖波形送至磁控管陰極，使磁控管正常工作，同時(shí)對(duì)充電電流、放電電流、調(diào)制電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣監(jiān)測(cè)保護(hù)，發(fā)現(xiàn)過(guò)流后切斷觸發(fā)并報(bào)警。

1.3 高壓線性調(diào)制器[2-3]

回掃充電線性調(diào)制器具有電路簡(jiǎn)單、可靠性高、抗打火能力強(qiáng)等特點(diǎn)。圖2為回掃充電線性調(diào)制器原理框圖，其電路簡(jiǎn)單分為充電部分和放電部分。

圖2 回掃充電線性調(diào)制器簡(jiǎn)圖

電路中，交流220 V通過(guò)整流濾波變換為直流電，作為充電電壓源。充電部分是一種類(lèi)似于單端反激式開(kāi)關(guān)電源的電路拓?fù)湫问??？刂齐娐犯鶕?jù)系統(tǒng)定時(shí)產(chǎn)生充電觸發(fā)信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器放大后控制充電開(kāi)關(guān)管V1和V2;充電開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間，整流濾波得到直流電的能量并送至反激式充電變壓器T1，由于充電二極管V7的反向阻斷作用，能量?jī)?chǔ)存在變壓器勵(lì)磁電感中，如圖2中電流I1所示;當(dāng)充電開(kāi)關(guān)管關(guān)斷后，充電變壓器儲(chǔ)能換向，能量由充電變壓器通過(guò)充電二極管V7向人工線PFN充電;當(dāng)充電變壓器中的能量全部轉(zhuǎn)換為人工線儲(chǔ)能后，進(jìn)入放電等待狀態(tài)，如圖2中電流I2所示。放電部分是包含人工線、放電開(kāi)關(guān)管、脈沖變壓器等的標(biāo)準(zhǔn)放電電路?？刂齐娐犯鶕?jù)系統(tǒng)定時(shí)產(chǎn)生放電觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)SCR放電開(kāi)關(guān)管V9;放電開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通后，人工線上儲(chǔ)存的能量在很短的脈沖時(shí)間內(nèi)通過(guò)脈沖變壓器T2，升壓變換后送至磁控管陰極，完成陰極調(diào)制過(guò)程，如圖2中電流I3所示。放電結(jié)束后，人工線反向電壓為零，SCR放電開(kāi)關(guān)管V9恢復(fù)關(guān)斷狀態(tài)，完成一次充放電過(guò)程。

2 發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)

磁控管的工作方式是自激工作模式，對(duì)調(diào)制脈沖的前后沿要求很高，尤其是調(diào)制脈沖的前沿，波形的前沿過(guò)快和過(guò)慢都會(huì)引起磁控管工作不穩(wěn)定，出現(xiàn)磁控管打火現(xiàn)象[4]。

2.1 放電開(kāi)關(guān)選擇

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，線性調(diào)制器的放電開(kāi)關(guān)基本都實(shí)現(xiàn)了固態(tài)化，使用SCR作為放電開(kāi)關(guān)[2]。中大功率線性固態(tài)調(diào)制器一般均采用多只SCR管串聯(lián)的方式，組成較高耐壓放電開(kāi)關(guān)組件[5]，器件使用耐壓1800 V的KG200A/1800 V或耐壓1200V的KG200A/1200V。本發(fā)射機(jī)屬于小功率范疇，調(diào)制器充電電壓可適當(dāng)降低，進(jìn)而減少器件的使用，充電電壓確定為2500V，采用SCR串聯(lián)技術(shù)需要2～3只常用SCR管實(shí)現(xiàn)串聯(lián)。為進(jìn)一步簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)采用了耐壓達(dá)3300V的DYNEX公司的ACR300SG33作為放電開(kāi)關(guān)。相對(duì)于2500V的充電電壓，單管就可實(shí)現(xiàn);相對(duì)于SCR串聯(lián)技術(shù)，避免了浮動(dòng)電位器件的散熱，使放電開(kāi)關(guān)的散熱更容易實(shí)現(xiàn)，可省略SCR管之間的均壓電路，觸發(fā)電路也減少到一個(gè)，能有效簡(jiǎn)化電路并減小體積。該器件為快速可控硅，開(kāi)通上升時(shí)間可達(dá)到50ns，遠(yuǎn)小于8mm磁控對(duì)脈沖前沿90ns～120ns的要求，為人工線與脈沖變壓器調(diào)整匹配、調(diào)制脈沖波形調(diào)整保留了余量。

2.2 調(diào)制脈沖波形調(diào)整

線性調(diào)制器的人工線的參數(shù)直接決定了調(diào)制脈沖。大功率線性調(diào)制器的人工線的參數(shù)量級(jí)較大，脈沖變壓器的漏感和放電回路長(zhǎng)度對(duì)調(diào)制波形影響較小。而本發(fā)射機(jī)屬于小功率范疇，調(diào)制脈沖功率等級(jí)僅為15 kV/10 A，同時(shí)功率輸出波形較窄，僅有200 ns。這就決定了其人工線的參數(shù)量級(jí)很小，人工線的儲(chǔ)能電容值僅需幾十nF，人工線的電感量?jī)H需幾百nH，要想通過(guò)對(duì)人工線參數(shù)的調(diào)整有效控制調(diào)制波形，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)制波形優(yōu)化，就必須嚴(yán)格控制脈沖變壓器的漏感和放電回路長(zhǎng)度，盡可能減小其對(duì)調(diào)制波形的影響。本設(shè)計(jì)優(yōu)化了脈沖變壓器的參數(shù)設(shè)計(jì)，盡可能減小脈沖變壓器初級(jí)漏感，把初級(jí)漏感控制在100 nH以?xún)?nèi)，同時(shí)通過(guò)放電開(kāi)關(guān)使用單管、人工線采用干式、合理布局有效減小放電回路長(zhǎng)度等優(yōu)化措施，再經(jīng)過(guò)人工線參數(shù)的調(diào)整，使調(diào)制脈沖的前沿滿足要求，功率輸出檢波也得到較好的波形。

圖3給出了該發(fā)射機(jī)的調(diào)制脈沖電壓波形(1路)和電流波形(2路)，實(shí)際8 mm磁控管工作于13 kV/9 A。圖4給出了功率輸出檢波波形，從檢波波形中可以看出頂部沒(méi)有振蕩，非常平坦。

圖3 調(diào)制脈沖波形圖

圖4 功率輸出檢波包絡(luò)

3 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了毫米波測(cè)云天氣雷達(dá)使用的一種小功率毫米波磁控管發(fā)射機(jī)，通過(guò)嚴(yán)格器件選型、優(yōu)化脈沖變壓器參數(shù)和放電回路、調(diào)整人工線參數(shù)等方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)制脈沖波形和功率輸出檢波波形的優(yōu)化調(diào)整。該發(fā)射機(jī)體積小巧、工作可靠、成本低、性能可靠、故障率低，滿足天氣雷達(dá)全天候24小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)要求。該發(fā)射機(jī)在功率密度方面還有提高的空間，可運(yùn)用一體化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步減小發(fā)射機(jī)的體積，實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)的整體模塊化。

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