W波段大功率发射机的设计与研究

张建华,王旭明,高仲辉,黄兴玉,苏 涛,汪 军,徐玉存

(1.中国电子科技集团公司第三十八研究所,安徽合肥230088;2.安徽四创电子股份有限公司,安徽合肥230088)

0 引言

常规天气雷达一般工作在微波频段,其波长在3～10 cm之间,适于探测直径大于几百微米的质点,这些质点通常是形成降水和风暴的主要成分。但在对云、雾探测和研究降水形成与发展的整个微物理过程上,常规微波雷达显得无能为力,而毫米波(MMW)雷达则具有这方面的明显优势。相对于微波而言,MMW对细微粒子具有更强的散射特性,进入21世纪以来,在气象探测领域各国纷纷发展MMW雷达,以提高雷达对云雾的探测能力、对气象目标形成的微物理过程的认识。W波段测云雷达无疑是一个典型代表,近10年来,多个国家在W波段研发了MMW雷达,应用于各种平台下的天气探测。

本文介绍的W波段大功率MMW发射机应用于机载W波段双极化测云雷达,该雷达是国家863计划“机载气象雷达云雨探测系统”项目的重要组成部分。

1 W波段发射机设计要求

1.1 发射机的要求

该发射机采用主振放大式体制,末级放大管为W波段分布作用速调管[1-2](EIK),将频率源产生的W波段MMW脉冲信号放大到需要的功率电平,经馈线、天线定向辐射到空间。对发射机的指标要求如下：

工作频率 W波段

发射功率 ≥1.2 kW(峰值)

脉冲宽度 0.2μs,0.5μs

重复频率 2～12 k Hz

1.2 EIK的工作特点及要求

在W波段,对于输出功率达到1.5 kW的发射机,根据目前的技术水平,如果采用全固态方案,不仅成本极高,而且也不太现实。性价比较高,且可行的方案是采用真空管作为末级放大器,可供选择的大功率真空管有回旋管和EIK两种类型,通常回旋管的功率很大,在本系统中采用有大材小用之嫌,也不经济,最终选用EIK作为末级放大管。

按照传统的微波电子管设计理论,进入MMW频段,电子管设计者将会面临来自微小精细部件的制造、工作在更高电压、控制大电流密度电子束的挑战,这些问题是MMW磁控管、TWT和速调管所面临的共性问题。

而在MMW速调管方面,CPI加拿大分部利用高阻抗的“阶梯”(Leader)电路作为谐振慢波结构的一部分,结合永磁铁,在较低的工作电压下,获得更高的互作用效率,在25～220 GHz频段产生2 kW～40 W的高功率,已有近40年的EIK研制历史,在W波段可输出1.8 kW。

在EIK中,由谐振慢波电路代替了传统速调管每个谐振腔的单间隙,其射频(RF)电路由一些装入可调腔中的长、短狭槽组成。图1给出了2个腔的示意,而在典型的EIK中有5～6腔。

图1 EIK结构及其配电示意图

狭槽的宽度决定EIK的工作频率,而其高度由希望或必需的工作电压决定。电子束沿着狭槽和阶梯中隧道聚焦。

电子束的速度由所加的电子束电压调整,当特定的电子通过电路中的每个缝隙时,以相同的相位经历RF场,这样由电子束所体现的总的阻抗是缝隙阻抗和缝隙数量的乘积。根据传统的电子光学,所产生的高的互作用阻抗提供高功率和增益。EIK的腔体可以在类似于速调管腔体的单个缝隙上交错调谐,以获得最大增益、带宽性能。

以上所描述的RF电路通常称为阶梯电路,如图2和图3所示。

图2 EIK单腔中的RF电路(阶梯)

图3 EIK的RF电路(阶梯)

与其他线性束真空电子器件一样,EIK也依靠将电子束由速度调制变成密度调制,随后在分布作用输出腔转换为RF功率。由输出腔耦合到波导来获取功率,图4给出了EIK中电子束的群聚过程的示意。

图4 阶梯中的群聚过程

在EIK的设计中,聚焦和电子束的控制具有挑战性,需通过高度精确的计算机建模、精确的组装工艺及高性能的阴极和磁场来完成。其目的是形成具有最小起伏、大约0.25 mm的电子束直径,并促成电子束尽可能通过电子束隧道而不被截获,在一定的、主要由RF损耗加热的铜质电路的热容量下,获取最大RF功率。

EIK的工作和加电过程与栅控TWT和聚焦极控制多注速调管相似。首先需要加热灯丝,在加热灯丝的同时,聚焦极调制器提供截止偏压给EIK的聚焦极,保证加热过程中,电子束处于受控截止状态;在灯丝预热好之后,根据需要可以加阴极高压;阴极高压加上之后,根据需要开启调制脉冲指令,此时聚焦极脉冲调制器在调制脉冲同步信号的控制下,送出一定重频及脉宽的调制脉冲信号到EIK的聚焦极,控制EIK电子束的通断。

在EIK的应用中,有两个问题值得注意：一是多数EIK可能采用一级降压收集极,即VK=VC+Vb,VK是阴极电压,VC是收集极电压,Vb是管体电压,如图1所示;而我们所选择的EIK的Vb=0 V,即VK=VC,收集极与管体同电位。二是对于EIK的聚焦极来说,其开启脉冲电平和截止偏压均为负电平(相对于阴极),这一点与传统的栅极浮动板调制器有所不同,通常栅极浮动板调制器的开启脉冲电平为正电平,因此,该聚焦极脉冲调制器的电路拓扑与传统的栅极浮动板调制器的有所不同。

2 W波段发射机的研制

2.1 W波段发射机的工作参数

为保证EIK能够正常工作,并提供1.2 kW的RF功率,根据所采购的EIK的典型工作参数要求,发射机应为EIK提供符合表1要求的阴极电源和聚焦极调制脉冲。

表1 EIK通用工作参数及W波段发射机______EIK典型工作参数

各个电源和调制脉冲按照前文所述严格的加电顺序加电或关电。

2.2 发射机的实现

根据EIK的特性和发射机的设计要求,研制的主要内容为聚焦极脉冲调制器、阴极高压电源、监控电路及灯丝电源等部分的工程设计分析与实现。设计的原则是兼顾EIK的通用工作范围,工作于典型参数。

EIK与各部分电路的连接如图5所示。EIK的管体接地;收集极通过管体电流检测电路接地(即管体),处于虚地电位;阴极电源的正端接到收集极,负端接到EIK的阴极;聚焦极调制器[3]浮在阴极电位上,RF发射期间提供-40 V的开启脉冲给EIK的聚焦极,其余时间给聚焦极提供-3 k V的截止偏压;灯丝电源为直流电源,通过高电位隔离电路浮在阴极电位上,正极接到EIK的阴极,负极接到灯丝。

图5 W波段EIK发射机原理简图

2.2.1 聚焦极脉冲调制器

EIK的聚焦极脉冲调制器是一个浮动板调制器,在同步脉冲的控制下,开启开关S1和截止开关S2有序开关,最终提供-3 000 V(相对于EIK的阴极)的截止偏压和-40 V(相对于EIK的阴极)的开启脉冲到EIK的聚焦极,控制EIK电子束的通断。

与传统的浮动板脉冲调制器不同,其开启脉冲电平为-40 V,而不是正电平,因此其电路拓扑有所不同,如图5所示,S1是开启开关,R1是限流电阻,E1是开启电源,D1是隔离二极管,S2是截止开关,E2是负偏电源,R2是箝位电阻,RFo是聚焦极限流电阻。

除了EIK工作期间的脉冲状态,调制器一直输出-3 000 V的负偏到EIK的聚焦极,这个状态从给EIK预热开始。当EIK预热好之后,在发射系统连接正确,且没有故障的情况下,可以加上阴极电源高压,之后S1在开启脉冲信号的同步下导通,开启电源E1通过D1、R1、S1形成回路,同时,截至期间EIK阴极K和聚焦极Fo之间的分布电容CKFo所充的3 000 V电压也通过R1、S1、RFo放电,将EIK的阴极K箝定在E1的正电位,而EIK的聚焦极Fo被箝定在E1的负电位,若E0为40 V,即为EIK的Fo提供了-40 V的开启脉冲,调整E1的电平,可以实现开启脉冲电平的调整;开启脉冲过后,S1关断,同时截止开关S2导通,D1反偏,截止电源E2通过S2、RFo向CKFo充电到3 000 V电压,使EIK的阴极K箝定在E2的正电位,而聚焦极Fo被箝定在E2的负电位,即为EIK的Fo提供了-3 000 V的截止偏压,EIK截止,截止脉冲过后,S2关断,E2通过R2维持-3 000 V的偏压,直至下一个开启脉冲的到来,又重复上述过程,实现EIK的脉冲工作。

S1和S2承受的最大截止电压为3 000 V,分别采用6个MOSFET串联组成,浮于阴极电位,S1和S2的驱动分别通过一个脉冲变压器馈送,每个变压器的初级处于低电位,次级有6个绕组,均处于阴极电位,相互隔离,每个绕组对应一个MOSFET。对于由6个MOSFET串联构成的开启开关和截止开关,要解决好均压和触发的一致性问题。

2.2.2 辅助电源

辅助电源主要包括开启电源E1、截止电源E2和灯丝电源EF,其中E1和E2是聚焦极脉冲调制器的组成部分,由于这三个电源同处于阴极电位,可以统一进行设计。

如图6所示,3个电源的低压部分共用,采用高频稳压电源,经高电位隔离变压器的3个隔离绕组分3路隔离输出,经整流滤波、稳压或逆变等,分别形成E1、E2、EF。其中高频稳压电源工作于30 k Hz,输出24 V的方波,稳压精度在1%以内,既减小了高电位隔离变压器的体积、重量 ,又为辅助电源提供了稳定的输入;高电位隔离变压器既提供了地电位与EIK阴极电位的隔离,又将辅助电源分成隔离的3路。

图6 辅助电源的实现

(1)开启电源E1

E1最高输出为60 V,电流数十毫安,正端接阴极。由高电位隔离变压器的一个绕组(相对于初级为升压,变比为3),经整流滤波后,再经线性稳压处理,输出在10～60 V范围可调的稳定电压。

取E1的平均电流为100 m A,变压器输出为72 V,则E1的最大功耗为7.2 W。

(2)截止电源E2

E2最高输出为3 500 V,电流数毫安,正端接阴极。由高电位隔离变压器的一个绕组(相对于初级为升压,变比为3),经整流滤波后,采用谐振逆变变换器进行升压、闭环稳压处理,并实现2 800～3 500 V的调压范围。EIK的聚焦极与阴极间的分布电容约为150 p F,外电路的分布电容约为200 p F,则总的分布电容CKFo约为350 p F,截止电压U按3 000 V,最大脉冲重复频率PRF按12 k Hz计算,则E2的功率P2为

考虑效率等各种因素,取E2的功率为30 W/10 m A。

对于EIK来说,不能过宽和过工作比工作,必须在开启同步信号的控制下受控工作,之后要快速有效地截止,因此E2的输出电压必须达到额定值,如果损坏或输出电压下降,EIK的聚焦极将会因为过流而烧毁,因此要对E2的输出电压进行检测、设置欠压保护。而E1无输出或输出电压下降虽然不至于损坏EIK,但也会影响其射频输出信号的质量和输出功率,所以对E1的输出也设置了欠压故障保护。

(3)灯丝电源EF

灯丝电源以高频稳压电源的输出作为输入,经过线性稳压后,浮在阴极电位上,给EIK灯丝供电,电源的正极接到阴极,负极接到灯丝,灯丝电压为6.5 V±0.5 V,电流约为1 A,灯丝功率约为7 W,考虑到低压稳压直流电源的效率及控保电路的功耗等,灯丝电源模块的功率按15 W设计。为了防止灯丝电源对EIK灯丝的冲击,对灯丝电源进行限流控制,最大电流限定值为1.2 A。灯丝电源设置输出欠压和过流故障保护。

2.2.3 阴极高压电源

为使高压电源具有快速调整能力,采用基于谐振电容电压箝位的移相控制串联谐振变换器[4],其电路拓扑如图7所示。

变换器工作在100 k Hz左右的固定工作频率,通过调整开关(VS1～VS4)的导通角,形成移相控制来实现电源的稳压,尤其是槽路结构的设计,使得在负载极轻载、超出导通角调整范围时,将槽路电容电压箝位到变换器初级的电源电压,从实现对输出电压的稳定,解决了通常的变换器此时导通角极窄不易控制的困难,非常适用于脉冲雷达高压电源脉间轻载状态的稳压控制;在重载时变换器又与通常的串联谐振变换器无异,具有抗短路的能力;固定工作频率的采用使得滤波电路的设计相对简单,只需针对单一的频率进行设计。

图7 变换器电路图

这种变换器以固定的开关频率工作,通过控制逆变开关的相移来控制每次谐振的输出能量,其特点是：高压电源的纹波频率固定,易于获得良好的高压滤波效果;单次传输能量可控,使得高压纹波跳动更为平稳,输出电压更稳定;再加上对谐振电容的电压有箝位限制,限制了最大输出功率和电流,特别是在打火的情况下,输出的最大能量受限。因此,这种电源不仅兼具SRC电路的特点,易于升压,而且输出电压具有更大的调整范围、更高的调整精度,适合脉冲负载,在负载宽范围变化(从空载到满载)情况下,可实现输出电压的全程控制。

高频变压器的初级由两个相同的绕组串联构成,次级有四个相同的绕组,输出的高频交流经整流后串联叠加[5],逆变器典型的电流波形(初级)如图8所示。

图8 初级工作电流波形

3 研制结果

利用EIK所研制的W波段发射机已用于民用测云雷达,经测试其脉冲输出功率达到1.5 kW,可在要求的重频和脉宽条件下工作,频谱对称、光滑、零点清晰,经测试0.3μs脉宽的射频包络如图9所示,1.5μs脉宽射频的频谱如图10所示。

图9 0.3μs射频包络

图10 射频频谱

4 结束语

随着技术的发展,W波段毫米波技术正从研究阶段迈向实用阶段,各国纷纷在通信、主动拒止武器、大气探测和近距离物体分析等领域采用W波段毫米波技术,该W波段发射机的研制成功,为我国云目标探测和大气科学研究等工作提供了更加有效的新手段。

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