一种机载干扰系统发射机的设计*

王一农

(中国电子科技集团华东电子工程研究所 合肥 230031)

1 引言

有源欺骗干扰是雷达干扰领域中的重要组成部分。它通过在雷达回波中引入虚假目标来迷惑和扰乱雷达对真正目标的检测、成像和跟踪。在现代电子战中,要迷惑对方雷达,产生的信号波形必须与对方雷达发射波形的参数相似,以产生一个或多个假目标。假目标欺骗在现代电子战中扮演着非常重要的角色[1]。

本文论述的干扰系统可用于机载平台的自卫干扰、支援干扰等。

2 技术指标

为了满足干扰系统复杂的系统功能,发射机必须适应雷达信号形式多变的要求。同时机载平台设计又要求发射机体积小,重量轻。而高功率密度设计又带来散热和高压绝缘问题。

该发射机需要长时间工作在高空,因此设计时需要充分考虑系统的可靠性及电磁兼容性。

发射机技术指标如下:

工作频率:X波段

发射信号脉冲宽度:2μ s-连续波

输入激励功率:10dBm

输出功率(连续波):50W

最大静态噪声:≤-45dBm

输入电源:28V

3 方案选择

行波管放大器具有工作带宽宽、工作脉宽宽(可连续波工作)、使用灵活方便等优点。行波管在我国已有多年的研制历史,其产品覆盖了从厘米波至毫米波的很宽频段,并且宽带的连续波行波管已有定型产品。

图1 发射机组成框图

综上所述,根据技术指标的要求,在对行波管调研的基础上,本发射机采用行波管放大器方案。行波管选择一级降压收集极行波管。这种行波管是一种宽带、中功率、幅相一致小型化行波管,它可以工作在脉冲及连续波两个工作状态。

发射机组成框图如图1所示。其中集成电源包括行波管和其它电路所需的所有高低压电源。

4 集成电源设计

集成电源提供TWT与控制、保护电路的所有高低压电源,电源可划分为以下几个功能块[2,6]:

1)高压电源:提供TWT阴极与收集极的直流高压。

2)辅助电源:提供TWT灯丝、聚焦极偏置电源,及控保电路所需各种低压电源。

3)调制器:控制TWT电子注的通断,使其适应脉冲工作的需要。

集成电源的组成框图如图2所示。

图2 集成电源组成框图

4.1 高压电源设计

高压电源包括TWT管体及收集极电源。降压收集极行波管的管体高压和收集极高压的供电采用串联供电方案[4],原理框图如图3所示。

高压电源包括主逆变电路、高压变压器、整流滤波电路和后置调节器,如图4所示。

为减小电源体积,提高效率,逆变器采用全桥移相变换技术,其优点是电源工作频率恒定,可与发射机的调制脉冲同步(倍频或分频),可有效提高发射机的改善因子[3]。同时全桥移相软开关技术利用开关管的结电容和高压变压器的漏电感作为谐振元件,使开关管达到零电压开通,降低了电路的开关损耗和开关噪声。

电源主要指标:

输入:直流,28V±10%

输出两组电压:

行波管阴极电压(以管体电位为参考):

高压电源实验波形如图5所示。

图5 高压电源实验波形图

4.2 辅助电源与调制器设计

辅助电源包括控制电路所需的低压电源,高压端灯丝与偏置电源控制及驱动所需的各种低压电源。提供TWT灯丝电源(6.5V/0.7A)、负偏电源(-950V)和调制开关MOSFET驱动电源(15V),都悬浮于阴级高电位上。

发射分系统监控保护电路实现以下功能:

图6 调制器原理图

1)开关机控制;

2)发射机保护:阴极电源过欠压保护、主逆变器过流保护、灯丝电源过欠流保护、螺旋线过流保护、收集极过温保护;

3)指示:包括灯丝加热指示、高压正常指示以及故障指示;

4)形成调制器的开启、关断与截尾信号;

为适应系统的需要,控保逻辑电路应可靠性高、体积小、接口尽量简单。为此我们采用以可编程逻辑器件CPLD为基础设计的控保专用集成电路(ASIC)。采用ASIC,不仅可大大减小电路的体积与重量,降低功耗,提高可靠性,还可降低综合成本[7]。

5 结构与封装

由于发射系统功率损耗主要体现在行波管收集极区域,为方便散热,集成电源封装在一个矩形铝盒内,行波管单独放置于机箱内,采用强迫风冷。行波管与电源通过高压连接器连接。

集成电源散发出的热量或经衬垫或直接通过铝底板散热,其中变压器、电感直接固定在底板上,各功率开关管经绝缘衬垫固定在底板上或焊接在陶瓷基板上。考虑导线通流能力和散热要求,主逆变模块采用DBC陶瓷基板作为焊接基板。DBC陶瓷基板通流能力强,0.3mm厚,1mm宽的覆铜层在连续通流100A时,温升不超过20℃。DBC陶瓷基板的导热率大于20W/m.k,导热效果良好[8]。

6 高压灌封

由于发射机对体积、重量有严格要求,并且低气压、冲击振动、高低温差等使用条件都极严苛。因此,要提高高压器件的抗电强度,保证高压电源的可靠性,固体灌封是最有效的办法之一。固体灌封材料一般选择硅凝胶或硅橡胶。通过实验发现硅凝胶的温度膨胀系数较大,在高低温的冲击下,灌封材料膨胀收缩,可能导致灌封材料和基板的结合部分开裂或脱层,影响低气压下绝缘耐压性能。硅橡胶灌封材料,温度系数小,抗温度冲击能力强。并且它的导热效果也要好于硅凝胶。更适合这种环境条件严苛,体积重量有严格要求的发射机[5]。

7 测试结果

发射机在脉冲重复频率为20kHz,脉冲宽度为5μ s时测得的射频输出检波包络如图7所示。射频输出检波包络的前后沿均小于20ns。

图7 发射机输出波形

8 结语

行波管放大器具有单管功率大、工作带宽宽、工作脉宽宽等优点。采用降压收集极后行波管效率可以得到较大提高。

这种应用于机、弹载平台的发射机,要求体积小、重量轻并且工作环境严苛。这就要求在设计中充分考虑高功率密度,同时处理好高功率密度要求与散热、高空下高压绝缘的关系。

[1]李源,陈惠连.逆合成孔径雷达多假目标欺骗干扰研究[J].信息与电子工程,2008,6(6):405～408

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[3]丁志刚,胡育文.ZVS DC/DC全桥变换器的研究[J].电力电子技术,2003,37(3):39～42

[4]强伯涵,魏智.现代雷达发射机的理论设计和实践[M].北京:国防工业出版社,1985

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[7]王强.雷达发射机监控系统的设计[J].雷达科学与技术,2001,8(4):52～55

[8]罗雁横,张瑞君.新型陶瓷/金属化合物基板—直接敷铜板[J].电子与封装,2005,6(2):85～88