電真空發(fā)射機(jī)固態(tài)化改造設(shè)計(jì)

王志恩，薛 霞

(1.海軍裝備部，北京 100841；2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

電真空發(fā)射機(jī)固態(tài)化改造設(shè)計(jì)

王志恩1，薛 霞2

(1.海軍裝備部，北京 100841；2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

通過對電真空發(fā)射機(jī)典型特點(diǎn)和現(xiàn)狀的分析，對目前微波固態(tài)放大器的各類型工作模式和工作效率進(jìn)行了比較，通過優(yōu)選開關(guān)類功放和半橋開關(guān)電源，提出了對其進(jìn)行固態(tài)化的改造思路，并給出了基本設(shè)計(jì)方法和試驗(yàn)結(jié)果。

發(fā)射機(jī)；固態(tài)放大器；電源；改造；脈寬調(diào)制

0 引 言

發(fā)射機(jī)是相關(guān)設(shè)備的關(guān)鍵部分，擔(dān)負(fù)著對來自信息上行通道微波微弱信號放大并通過饋線系統(tǒng)向天線輻射的任務(wù)，其工作狀態(tài)直接影響著設(shè)備的整體工作性能。

受技術(shù)發(fā)展水平的限制，早期的大功率微波放大器基本上都采用電真空器件。根據(jù)不同的技術(shù)要求，采用的電真空器件有磁控管、行波管、增幅管、速調(diào)管等，基本構(gòu)成無外乎以電真空器件為核心，配之以必要的高壓電源、燈絲電源、鈦泵電源和不同形式的調(diào)制電路。采用電真空器件的發(fā)射機(jī)，其行波管放大器壽命有限，且其選用的行波管放大器等因使用周期長而逐步趨于停產(chǎn)。為保持其技術(shù)狀態(tài)和使用性能，需要對采用行波管放大器等電真空器件的雷達(dá)發(fā)射機(jī)進(jìn)行改造。

發(fā)射機(jī)通道主要是對帶有編碼信息的高頻微波信號進(jìn)行功率放大后送天線，向空中輻射。發(fā)射機(jī)的組成包括行波管放大電路和高壓電源兩部分，其主要指標(biāo)輸出平均功率、增益、激勵信號等是發(fā)射機(jī)改造的技術(shù)要求和設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

1.1 基本構(gòu)成

原有真空管發(fā)射機(jī)的構(gòu)成主要包括行波管放大器、高壓電源組合，外部供電為中頻機(jī)組提供220 V 400 Hz交流電。根據(jù)原有設(shè)備接口關(guān)系和結(jié)構(gòu)尺寸的要求，改造后的固態(tài)化發(fā)射機(jī)組成部分包括微波功率放大器、直流供電電源和輔助控制電路。

1.2 功率放大電路

1.2.1 基本技術(shù)要求

功率放大電路采用兩級放大的方式。當(dāng)設(shè)計(jì)要求發(fā)射機(jī)增益大于30 dB、激勵信號功率電平約為9 dBm時(shí)，經(jīng)輸入接口接入前級功放模塊。前級功放組件的輸出功率接到前級均衡網(wǎng)絡(luò)對輸出功率進(jìn)行幅頻校正。經(jīng)過校正的信號輸入到末級功率組件，為末級組件提供激勵信號。末級功率組件的輸出再接到末級均衡網(wǎng)絡(luò)對輸出功率進(jìn)行幅頻校正。經(jīng)過幅頻校正的信號最后輸出。

功放模塊由多級放大單元和均衡網(wǎng)絡(luò)組成，具有完善的保護(hù)功能。由于前級功放模塊的輸入端的功率在工作頻帶內(nèi)會有起伏，這樣在推動末級功放組件時(shí)會造成激勵過大或過小，嚴(yán)重影響末級組件的工作狀態(tài)和可靠性。采用均衡網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行幅頻校正，其衰減特性與前級功放模塊的末級放大的輸出以及末級功放組件的幅頻特性互補(bǔ)，從而使前級功放單元和末級功放組件在工作頻帶內(nèi)保持較好的功率匹配，保證發(fā)射功率在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定。

前級功放模塊將輸入信號放大到30 dBm左右，帶內(nèi)起伏通過均衡網(wǎng)絡(luò)均衡后滿足末級功放組件的激勵要求。功放組件的組成框圖如圖1所示。

圖1 功放組件組成框圖

1.2.2 方案選擇

對于放大器的電路形式，通常有以下幾種可選擇方案：

(1) A類功率放大器

A類功率放大器是線性功率放大器，能夠?qū)π盘栠M(jìn)行線性放大，不會使信號的幅值和相位產(chǎn)生明顯的失真。在A類方式工作的晶體管在整個(gè)信號周期都是導(dǎo)通的，最終得到A類功率放大器的最大效率為50%。

(2) B類功率放大器

無論有無信號，A類功率放大器都保持導(dǎo)通，因此效率不高。B類功率放大器的偏置電流為零，沒有信號時(shí)晶體管截止，有信號時(shí)晶體管只有在信號正半周期時(shí)導(dǎo)通。B類功率放大器的電路形式和A類功率放大器相同，所不同的是其直流工作點(diǎn)的設(shè)定。理想的B類功放直流工作點(diǎn)設(shè)置為零，只有在有輸入信號的情況下才有電流通過。經(jīng)過計(jì)算，可以得到B類功率放大器的最大效率為78.5%。B類功率放大器與A類功放相比有著比較高的效率，但由于其靜態(tài)工作點(diǎn)為零，容易產(chǎn)生失真。

(3) C類功放

A類和B類功放相比，其導(dǎo)通角由360°減小到180°，其工作效率得到了明顯提高，如果進(jìn)一步減小晶體管的導(dǎo)通角，則可以獲得更高的效率，這就是C類功率放大器的原理。C類功放是非線性的，它不像前兩類放大器直接放大和復(fù)制輸入信號。A類放大器需要一個(gè)晶體管，B類放大器需要兩個(gè)晶體管組成推挽電路，而C類放大器也適用一個(gè)晶體管。從結(jié)構(gòu)上看，C類除了直流偏置外，其他都和A類放大器基本相似，但在輸出端需要使用調(diào)諧電路，使其能恢復(fù)輸入的正弦信號。由于C類放大器比前兩類具有更高的效率，尤其在某些場合，是一種非常具有吸引力的功率放大器。

三類放大器導(dǎo)通角和最大效率如表1所示。

表1 各類功放效率

(4) 開關(guān)類功率放大器

從前三類放大器的分析可以看出，導(dǎo)通角的改變可以影響放大器的工作效率，但理論上100%的效率發(fā)生在輸出功率為零時(shí)。因此，前三類放大器理論效率不可能達(dá)到100%，實(shí)際工作效率將會更低，其根本原因在于晶體管在工作過程中均處于線性狀態(tài)。開關(guān)類的功率放大器晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，理想情況下，晶體管飽和導(dǎo)通時(shí)集電極電流達(dá)到最大而電壓為0，晶體管關(guān)斷時(shí)集電極電壓達(dá)到最大，為電源電壓，而電流為零。因此，晶體管的瞬時(shí)功耗為零，效率達(dá)到100%。

實(shí)際上，晶體管并非理想開關(guān)，在導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)都會有一段時(shí)間電流和電壓都不是零，此時(shí)晶體管將消耗功率。在關(guān)斷時(shí)，集電極電流不會立即降為零，在導(dǎo)通時(shí)集電極電壓的上升也需要一定的時(shí)間。所以，實(shí)際工作中的開關(guān)類功率放大器效率也不可能達(dá)到100%，但和前三類相比，其效率得到了提高。

但同時(shí)，開關(guān)類功放對輸入正弦波形的失真比較大，需要通過后端的諧振網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)正弦輸出，滿足有關(guān)指標(biāo)的要求。

作為連續(xù)波功率放大器，對波形失真的要求不是很高，在實(shí)裝體積有限的情況下采用開關(guān)類放大器是比較可行的。

1.3 供電電源

1.3.1 基本技術(shù)要求

根據(jù)功放電路的設(shè)計(jì)要求，結(jié)合原有設(shè)備實(shí)際供電情況，對電源的基本指標(biāo)要求如下：

?輸出三組

第一組電壓：9 V±1 V可調(diào)

第二組電壓：+5 V

第三組電壓：-5 V

?供電電壓：220 V±10%/400 Hz

?所有電源輸出紋波峰峰值：<100 mV

由以上指標(biāo)要求可以看出，電源的設(shè)計(jì)主要考慮9 V主電源的要求，作為輔助電源的±5 V電源可以在主電源的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.3.2 方案選擇

電源電路框圖如圖 2所示。

圖中，+9 V輸出電源是供電電路的主要組成部分，也是電源設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。它采用半橋結(jié)構(gòu)的高頻逆變電源結(jié)構(gòu)，其基本工作過程是：輸入的400 Hz 220 V交流電由AC/DC電路直接轉(zhuǎn)換成300 V左右的直流電壓。該直流電壓加在半橋逆變回路上，在脈寬控制電路的作用下將其轉(zhuǎn)換為近似方波的高頻交流電壓，通過變壓器得到和輸出電壓相對應(yīng)的高頻輸出，通過AC-DC電路，得到需要的直流輸出。

根據(jù)放大器供電的要求，除提供9 V電源外還需要提供±5 V電源。按照擬定的電源電路方案，輔助電源由9 V主電源提供輸入，兩路小功率DC-DC變換分別輸出滿足要求的5 V和-5 V電源。

圖2 電源框圖

2 工程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 功率放大器

放大器的電路結(jié)構(gòu)確定以后，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于選擇合適的放大器件和設(shè)計(jì)合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。

在設(shè)計(jì)前級、末級功放組件時(shí)，功率管的選擇是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。功率管的性能指標(biāo)和可靠性、穩(wěn)定性等對固態(tài)發(fā)射模塊來說至關(guān)重要。通過調(diào)研，綜合各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求，選擇富士通公司的功率管FLM0910-3F為前級功放組件，功率管FLM0910-25F為末級功放組件，并對其工作點(diǎn)作適當(dāng)降壓，以提高可靠性。功率管FLM0910-3F主要性能指標(biāo)如下：

?工作頻率：滿足要求

?輸出功率≥3 W

?輸出雜散≤-46 dB

功率管FLM0910-25F主要性能指標(biāo)如下：

?工作頻率：滿足要求

?輸出功率≥25 W

?輸出雜散≤-46 dB

由這樣兩級發(fā)大電路組成的固態(tài)放大器，完全可以滿足系統(tǒng)要求。

2.2 電源電路

2.2.1 半橋逆變電路設(shè)計(jì)

簡化的半橋逆變電路如圖 3所示。該電路由兩個(gè)等值的電容組成一個(gè)橋臂，開關(guān)管V1和V2級反并聯(lián)半橋二極管D1和D2組成另一個(gè)橋臂，兩個(gè)臂的中點(diǎn)A和B為輸出端，通過高頻變壓器輸出。因?yàn)闉V波電容C2、C3容量較大，其電壓Uc2、Uc3=U/2i是比較穩(wěn)定的。中點(diǎn)B的點(diǎn)位基本不會變，而A點(diǎn)的點(diǎn)位取決于開關(guān)管V1、V2的工作狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)管V1導(dǎo)通時(shí)，則UAB=Ui/2；當(dāng)開關(guān)管V2 導(dǎo)通時(shí)，UAB=-Ui/2。所以，變壓器初級的電壓是一個(gè)脈寬小于180°電角的交流方波電壓，其幅度等于Ui/2，頻率就是開關(guān)管的工作頻率，寬度為開關(guān)管開通時(shí)間Ton。

開關(guān)管V1關(guān)斷后，電流iL維持原來的方向流動，故變壓器的初級電流經(jīng)過二極管D2續(xù)流，于是電壓UAB變負(fù)，UAB=-Ui/2。在此電壓的作用下，電流iL下降，下降的速度與增加的速度相同。由此可知，在感性負(fù)載時(shí)，開關(guān)管V1和V2、二極管D1和D2是輪流導(dǎo)通的。在來自脈沖控制的驅(qū)動信號的作用下，開關(guān)管V1、V2輪流導(dǎo)通，在變壓器初級形成了高頻的方波，經(jīng)過整流濾波后得到所需要的直流電壓。

2.2.2 變壓器設(shè)計(jì)

變壓器工作頻率50 kHz，其磁芯選用R2KB，型號選用EC40,其有效磁通截面積為50 mm2，飽和磁通密度BS0.48 T。根據(jù)方波下變壓器方程：

U1=4fN1ABm

(1)

圖3 半橋式逆變器的主電路

按照式(1)計(jì)算得變壓器初級匝數(shù)為64，輸出端直流電壓9 V,按照最大工作比0.8計(jì)算?？紤]整流濾波電路的損失，變壓器次級脈沖電壓為12.5 V。據(jù)此計(jì)算變壓器變比為n1=11.2，所以次級匝數(shù)設(shè)計(jì)值為n2=6。

2.2.3 輔助電源設(shè)計(jì)

根據(jù)分機(jī)供電的要求，除了提供9 V電源外還需要提供±5 V/100 mA電源。按照擬定的電源電路方案，輔助電源由9 V主電源提供輸入，兩路小功率DC-DC變換分別輸出滿足要求的5 V和-5 V電源。

正極性的電源比較方便，可以直接使用市場上成熟的7805系列穩(wěn)壓集成電路就可以實(shí)現(xiàn)。負(fù)極性電源由于涉及到極性轉(zhuǎn)換，在利用原有正極性電源條件下需要使用專用的極性轉(zhuǎn)換電路。以反極性開關(guān)集成穩(wěn)壓器MAX774為功率轉(zhuǎn)換芯片，構(gòu)成-5 V電源電路。

MAX774采用了完全的限流型PFM控制模式電路結(jié)構(gòu)，不管負(fù)載輕重，均具有很高的轉(zhuǎn)換效率，工作頻率可以達(dá)到300 kHz。高工作頻率大大減小了外部元件的容量、體積。該芯片輸入電壓范圍3～16.5 V，輸出電壓既可以是固定的-5 V也可以使用兩個(gè)電阻組成的分壓器構(gòu)成電壓可調(diào)式電路。該芯片使用一個(gè)外部的功率MOSFET，輸出功率可以到5 W，其主要性能如下：

?輸出電流：1 A

?輸出功率：5 W

?轉(zhuǎn)換效率：85%

?靜態(tài)工作電流：0.1 mA

?輸入電壓范圍：3～16.5 V

?開關(guān)頻率：可達(dá)300 kHz

2.3 輔助電路

2.3.1 輻射控制電路

輻射控制電路利用原有高壓電源中的陽極電源作為輻射控制采樣信號。在控制臺上按下高壓按鈕后，輸出電壓為1600 V左右的陽極電源工作，流過光耦的電流使得光耦輸出端射極輸出升高，超過由比較器決定的基準(zhǔn)電壓時(shí)，比較器輸出高電平，使驅(qū)動三極管開通，繼電器吸合，輸入交流電源通過到功率放大器電源。

2.3.2 功率采樣

經(jīng)電容耦合采樣的射頻輸出信號，送到微波功率檢測電路AD8317的輸入端，經(jīng)對數(shù)放大后進(jìn)入比較器。微波輸出功率大于設(shè)置功率時(shí)，檢測電路輸出高電平,否則輸出為零電平。

AD8317是一款解調(diào)對數(shù)放大器，能夠?qū)F輸入信號精確地轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的dB標(biāo)度輸出。它在級聯(lián)放大器鏈上采用漸進(jìn)壓縮技術(shù)，每一級均配有檢波器單元。該器件可用測量和控制器兩種模式工作，能在最高10 GHz左右下工作。典型輸入動態(tài)范圍為50 dB (re: 50 Ω)，誤差小于±1 dB。AD8317的響應(yīng)時(shí)間為8 ns/10 ns(下降時(shí)間/上升時(shí)間)，能夠檢測脈沖頻率超過50 MHz的RF突發(fā)脈沖。在環(huán)境溫度條件下，該器件具有極佳的對數(shù)截距穩(wěn)定性。

3 試驗(yàn)結(jié)果

完成固態(tài)化改造后完全滿足原發(fā)射機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)要求。研制件與原件相比，有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：

?一致性好。研制備件可與原件功能一致，可以替換；

?器件性能好，工作穩(wěn)定，可靠性高，功耗小，使得故障率大為降低；

?模塊化集成。研制備件采用模塊化方式，不僅便于研制調(diào)試，也利于今后的維修檢測工作；

?器件來源保障良好，維修方便快捷；

?供電簡單，需要的配套設(shè)備少。

4 結(jié)束語

電真空管發(fā)射機(jī)的固態(tài)化改造，除了保持原有設(shè)備各項(xiàng)性能、確保其功能的正常發(fā)揮外，同時(shí)模塊化的設(shè)計(jì)也有利于設(shè)備的使用和維修，完全解決了相關(guān)元器件的供貨，為相關(guān)設(shè)備的保障創(chuàng)造了有利條件。

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Design of solid-state refit on electronic vacuum transmitters

WANG Zhi-en1, XUE Xia2

(1. Naval Armament Department, Beijing 100841; 2. No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

Through the analysis of typical characteristics and status quo of the electronic vacuum transmitter, the working modes and efficiency of various microwave solid-state amplifiers are compared. Through the optimal selection of switch power amplifiers and half-bridge switch power supplies, the idea of solid-state refit of the transmitter is presented, and the basic design method and test results are also given.

transmitter; solid-state amplifier; power supply; refit; pulse width modulation

2014-01-13；

2014-03-12

王志恩(1977-)，男，碩士，工程師，研究方向：裝備保障；薛霞(1979-)，男，工程師，研究方向：雷達(dá)總體技術(shù)。

TN957.3

A

1009-0401(2014)03-0035-04