1kW速调管放大器控保电路的设计

祝 亮,陈建伟,李 楠

（中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081）

0 引言

速调管放大器是一种常用的高功率微波放大器,在需要大功率发射的场合发挥着不可替代的作用。速调管是速调管放大器的核心部件,负责射频信号的末级功率放大。为了保证速调管可靠工作,延长其使用寿命,系统必须对其工作状态及供电系统的各种参数进行实时监视并实施有效控制以避免速调管受到损坏。

随着近年来电子技术的飞速发展,速调管放大器的控保电路已经由分立器件、运算放大器及逻辑电路等构成的纯硬件系统升级为以可编程逻辑器件和微控制器为核心,通过监控软件采集速调管放大器的各项工作参数并进行分析和处理,实现了更加完善的功能,同时提高了系统应用的灵活性。现今速调管放大器的控保电路具备工作状态的实时显示、快速保护、故障存储、软件校准、远端监控等智能化功能。

1 速调管的工作特性

1.1 基本电路构成

1kW速调管放大器中末级功率管采用恒磁聚焦式五腔速调管。速调管阴极产生的电子在电子枪的作用下形成均匀的电子束,通过速度调制、群聚,激励谐振腔,再调制、再群聚、再激励的过程后,电子束的部分能量就转换成了射频能量,剩余的能量在轰击收集极时转换成了热能。速调管的功能就是通过电子束与磁场之间的相互作用而将电源直流能量变换为射频能量。

速调管及外围单元的典型构成电路如图1所示,主要包括射束电源、灯丝电源、射束电压检测、射束电流检测、腔体电流检测、射频输入功率检测、射频输出功率检测和反射功率检测电路。

图1 速调管典型外国电路

1.2 控保的方法与措施

速调管放大器必须设计完善的自动控保电路以保证速调管可靠工作。所有设定的工作保护点需要参照速调管生产厂家给定的极限参数值,否则会大大缩短速调管的工作寿命甚至造成管体的永久损坏。

速调管放大器有严格的加/退电顺序,这样才能保证速调管工作在最佳状态。在加电初期,只有当冷却系统工作正常且灯丝预热时间超过5min后系统才允许加射束高压的操作。在退电时,由于速调管收集极工作在高温状态,如果立刻让冷却系统停止工作,速调管收集极温度会急剧升高,所以正确的退电顺序是断开射束电源高压后继续保持冷却系统再工作5min以充分排出速调管收集极和机箱内部剩余热量。

虽然速调管的控保项目很多,但就其工作实质,可分为以下2类项目的检测,现分别予以分析。

（1）模拟量检测

模拟量检测给出的是电压或电流的连续变化范围。控保电路需要检测的项目由表1列出。针对1kW速调管的工作参数,表1中给出了各参数的保护点和需要采取的保护措施,并给出了测量分辨率,这是控保电路最重要的设计依据。

表1 速调管的模拟检测项目

表1中速调管的反射功率是影响速调管使用安全的重要项目,必须进行及时检测,反射功率过大可导致速调管输出陶瓷窗口损坏。一般反射功率保护不必切断射束电源,在30ms内将输入功率降低30dB以上就能够有效的保护速调管。

（2）状态量检测

状态检测量给出高低电平的变化或开关通断信号。控保电路需要采集的速调管工作状态有收集极温度、冷却系统工况和门开关状态。速调管收集极内设计有常闭型温度节点开关,当收集极温度达到250℃～270℃时节点断开。1kW速调管的收集极采用强迫风冷设计,冷却风量必须实时检测,如果轴流风机损坏或风道堵塞导致风量不足,系统应立即切断射束电源并给出告警信号。需要特别注意的是,为了防止高压触电,速调管放大器在正常工作时所有面板是不允许打开的。除了粘贴高压警告标志外还必须设计门开关联锁装置切断射束电源来主动保护操作和维修人员的安全。

根据黄桂东和Xia K的[16,17]方法，将不同冷藏时间的面团烘烤，冷却至室温，切成2 cm厚薄片，用物性仪测定硬度和弹性，每个样品重复3次。程序参数设定条件如表1。

1.3 检测量的可靠获取

由于速调管工作电压高,微波输出功率大,控保电路容易受到来自机内各种电磁信号的干扰。状态量属于开关信号,转换成TTL电平由监控采集,在软件处理时可合理应用去抖动方法有效消除干扰,获取正确的工作状态。模拟量属于连续变化量,采集处理过程会产生累计误差,必须控制在一定范围才能保证检测精度。

取样电路、电压放大器和ADC构成了模拟量检测电路,它们对最终结果带来误差。以采样射束电流Ic为例,设取样电阻Rc误差为x1,电压放大器电压增益G误差为x2,ADC引入转换误差为x3。检测射束电流引入的累计误差如下:

由式（1）可知,各部分电路误差对最终结果均产生影响。由于电压放大器不会对取样误差进行G倍放大,所以为了减小串联取样电阻对速调管收集极回路的影响,阻值可以适当取小,提高电压放大器增益来满足ADC的输入特性。另外由于模拟量的取样电压非常小,取样电缆需采用屏蔽措施以减小外界干扰。

2 设计实现

早期的速调管放大器对模拟量采用指针式表头指示,显示精度较低,尤其是射频功率取样表头为非线性刻度,低功率时读取比较困难。控保电路从表头两端进行电压取样,在电路上多采用通用型运算放大器、RS触发器和逻辑数字电路进行设计,系统的复杂性和调试难度较大。

本设计采用大规模FPGA和高时钟频率的单片机构成1kW速调管放大器的控保系统。模拟量和状态量经过各自端口采集后转换为单片机能够识别的数据流进行处理。监控单元根据控保项目的设计要求进行软件编程,实现软件的控制流程。模拟检测量通过高精度ADC采集,在LCD上直接显示,减少了硬件设计的难度,增加了系统的可靠性。

2.1 系统组成

1kW速调管放大器的控保单元工作原理框图如图2所示。各路模拟量经过数据选择器后送ADC转换成数字信号由单片机进行采集处理。

FPGA可以扩展单片机接口,负责采集各路开关量并送单片机处理,同时FPGA给出控制信号通过接口控制板对射束电源进行控制。采用数据选择器的优点是只需使用一个ADC就可以采集多路模拟量数据。单片机和FPGA还负责速调管放大器内其它工作状态的监控、键盘、LCD显示和远端通信。

图2 控保单元组成框图

2.2 取样放大电路的设计要点

速调管放大器中射束电源输出电压高达7kV,射频连续波输出功率达1kW,所以设备内部的电磁环境非常恶劣。模拟取样电路对检测量进行取样放大,工作在小信号状态,很容易受到来自机内的各种干扰甚至损坏。以下措施可改善控保性能。

（1）加入箝位电路

箝位电路是防止取样电路输入端损坏的有效措施。TVS二极管响应速度快,箝位电压稳定,适用于电压敏感器件的保护。压敏电阻属于电压限幅型,抗浪涌能力强,通流量大,失效模式为短路,二者结合设计可以有效保证取样前端电路的安全工作。

（2）隔离放大

为了进一步加强隔离,采样的电压信号先经过1:1隔离放大器,再经过运算放大器进行电压放大。隔离放大器采用美国ADI公司的AD629,输入端共模、差模电压可耐受±500V。

（3）合理使用运放

取样放大电路的精确度与温漂指标对数据采集的精度有很大影响,因此选用具有低噪声、低温漂性能的仪表放大器AD620用于电压信号的采集放大。AD620的差分放大倍数G仅由一个外部的电阻决定,计算公式为:

为了保证采样精度须选择合适的RG,采用高精度电阻减小AD620电压增益误差。取样电压的值设计高些,可以降低放大电路的增益,对运放工作稳定性有利。实际中对于射束电压、灯丝电压等模拟量的取样,AD620的增益设置为3～5。对于射束电流、腔体电流等模拟量取样,为了减小串联的取样电阻影响,AD620的增益设置为10～20。

对于模拟量显示的校准采用软件参数校准。由于电位器阻值变化大,AD620的增益电阻不可采用电位器,否则数据采样的精度无法保证。

2.3 ADC的选取

各路模拟检测量经过取样电路放大到合适电平由ADC采样输出至监控单元。由图2可知,ADC在同一时间只能采样一路数据,完成所有数据的采样需要8倍以上的采样时间,所以选用的ADC转换时间应尽量短。

ADC的位数决定了采样的分辨率。表1中各模拟量的分辨率指标是选择ADC位数的依据。如果选择10位ADC,分辨率为VFS/210,其中VFS是ADC满刻度时的电压值,在功率检测时,由于检波电压与微波功率的非线性关系,在输出的高端很难满足分辨率指标。实际采用12位高速ADC,可使所有检测项目中动态最大的输出功率的采样分辨率达到5W,那么其他检测量分辨率指标均能得到满足。

2.4 二次过荷功能软件化

二次过荷保护功能是为了避免干扰信号影响整机的工作,在模拟量检测中较多采用。二次过荷保护功能部分的软件流程如图3所示。当系统出现第一次故障并且又很快消失（故障持续时间小于2s）时,控保电路会立刻切断高压然后又自动恢复,如果在10s内该故障第二次出现,控保电路将再次立刻切断高压,且为永久性切断高压并给出告警信号。

图3 二次过荷保护功能流程图

传统的硬件电路也可实现该功能,采用单结晶体管触发电路产生10s间隔脉冲触发计数器复位,计数器用于记录故障次数。该电路比较复杂,由于触发时间由RC时间常数决定,所以定时精度不高。

采用程序流程来实现该功能,不但简化了硬件电路的设计,而且提高了应用的灵活性,不易受到干扰,定时准确,而且易于实现多次过荷保护功能。

3 结束语

应用新型元器件,在提高电路的抗干扰性能的基础上,尽量缩短控制响应时间,提高检测精度与准确度;对于无人值守站,远程监控是速调管控保电路的一项重要功能。根据速调管给定的工作参数,在借鉴国内外成熟技术及电路的基础上,以微控制器和FPGA为核心器件实现设计,简化了硬件电路,可以对采集的模拟量合理运用大数判决、多次采样等提高可靠检测的技术措施,降低虚警概率,对速调管的控保更加全面。

[1]王福瑞.单片微机测控系统设计大全[M].北京:北京航空航天大学出版社,1999:9-36.

[2]雷霖,谢文楷.大功率微波发射机控保系统的研究[J].电子科技大学学报,1999,28（5）:536-539.

[3]何其文,张建华.S波段高功率速调管发射机的设计[J].现代雷达,2007,29（5）:93-96.

[4]董立桥.关于C51中断功能实现的讨论[J].无线电工程,2002,32（3）:56-59.