雷达发射机的行波管保护设计

张 登

（船舶重工集团公司723所，扬州 225001）

0 引 言

行波管具有峰值功率高、瞬时带宽宽、增益高、噪声低等特点，在当代雷达发射机中得到了广泛的应用。行波管是发射机的核心器件，它能否可靠稳定地工作直接关系到发射机乃至整个雷达系统的性能［1］。

栅控行波管所需的电源较多，且各电源有着严格的加电顺序［2］。在发射机的设计中，应设计合理的控制电路，保证栅控行波管的加电顺序，即首先加钛泵电压、栅极负偏压、灯丝电压，达额定的预热时间后加高压，最后加栅极调制脉冲；关电顺序相反。

此外，还应充分考虑行波管的保护电路。对行波管的保护有多种情况：（1）加低压电后，检测相关参数，若有异常，应送出故障信号，并采取必要的措施；（2）加高压前检测各极电压和电流是否正常，若有异常，应及时送出故障信号，确保高压不会启动；（3）加高压、脉冲后，若行波管各极电源电压（电流）出现故障，或行波管自身出现打火、过流等问题时，应在第一时间切断调制脉冲和高压。

本文以栅控行波管为例，分别从行波管各极工作电流和工作电压2个方面介绍了发射机行波管的保护措施，分析了保护措施的重要性，并介绍了保护电路的实现方法。

1 行波管工作电流的故障检测与保护

1.1 灯丝电流的检测与保护

行波管的灯丝是有寿命的，因此要避免灯丝受到较大的电流冲击；灯丝是确保行波管阴极工作温度的重要部件，过高的灯丝电流也会缩短行波管阴极的寿命。因此在灯丝电压启动时，必须对其采取限流措施，稳态后也要实时检测，以便出现故障时采取及时、有效的保护措施，避免行波管因长期工作在高灯丝电流状态而受到损伤。

对于行波管灯丝，既要求灯丝浪涌电流不超过额定负载电流的1.5倍，又要保证规定时间内预热效果最佳。所以灯丝电源通常先以额定电流的1.5倍恒流启动，当灯丝进入热态后，灯丝电源再进入稳压状态。下面以直流灯丝为例，介绍2种应用广泛的灯丝电流检测方法。

1.1.1 电流互感器取样法

将电流互感器的初级串联在开关电源主变压器次级回路中，取样电路将互感器检测到的电流信号转换成电压信号，送至开关电源控制芯片的误差放大器，通过控制电路起到恒流作用［3］；同时再用比较器进行比较判断，当取样值超过相应的门限电压时，判为故障，如图1所示。

图1 电流互感器取样法

1.1.2 电阻取样比较法

在电流回路中串联电流取样电阻，阻值尽量小，以减小电阻上的功率损耗，再使用运放对取样信号进行放大后，送至开关电源控制芯片的误差放大器，通过控制电路起到恒流作用；同时与相应的门限电压进行比较，判断灯丝电流是否过流。电阻取样比较法如图2所示。该方法具有电路简单、响应快等优点，应用广泛［2］。

图2 电阻取样比较法

1.2 管体电流的检测与保护

对于行波管，加高压、脉冲工作时，电子注中绝大部分参与射频能量交换后被收集极俘获，但由于电子能量交换的效率、相速变化等原因，在调制脉冲开通和关断瞬间，会产生散焦现象，很小一部分电子流向管体形成管体电流（慢波线电流）。而管体耐功率能力有限，流向管体的电流过大，会对行波管造成伤害。管体过流保护是行波管保护电路中最基本也是最重要的保护，其基本原理是当行波管管体电流超过预设值时，立刻切断调制脉冲和高压。预设值因行波管不同而异。

对于1.1.2中的电阻取样比较法，由于取样与控制电路不隔离，行波管打火瞬间，过大的尖峰电压会造成电路损坏，不适合管体电流的检测；稍加改进后，方法如图3所示。

图3 管体电流的检测与保护

这是一种直观、简单的保护方法，电阻与继电器线包并联阻值恒定，两端电压与流过它们的电流成正比，当电压达到继电器吸合电压时，触点吸合；经光耦再次隔离、比较器判断后，将故障信号传递给控制电路，从而切断脉冲和高压。二极管V3实现了故障信号的自锁。

实际应用中，继电器两端通常并联瞬变电压抑制二极管、压敏电阻等尖峰抑制器件，有效地防止了打火尖峰对电阻和继电器的伤害；继电器线包与触点的隔离以及光耦的运用实现了大地与控制电路的隔离，在打火瞬间保护了控制电路；该电路的保护速度主要受继电器吸合时间的制约，保护速度相对较慢，保护时间为毫秒级，适合于对管体散焦电流（平均电流）的保护，经典可靠，在多型雷达发射机中得到了广泛的应用。

1.3 打火电流的检测与保护

当行波管自身或外部原因致使其打火时，如果不迅速关断电子注，那么电子注可能会持续打在管体、栅网或射频输入输出窗等部件上，将对行波管造成持续、更大的损害。因此，在行波管出现打火时，为了更好保护行波管，应尽快切断高压和调制脉冲。

行波管打火瞬间，通常表现为阴极对地短路，行波管阴极电流和管体电流会远超额定值。对于1.2中电路，由于保护速度较慢，无法满足要求。在此期间通过检测阴极电源输出脉冲电流来实施保护是一种有效、快速的方法。

用电流传感器来采样阴极脉冲电流，转换成脉冲电压信号后送至比较器进行故障判断，其保护速度主要取决于比较器翻转速度，达微秒级。在行波管打火时，能快速切断脉冲信号及高压，可有效地保护行波管及电源的安全。

1.4 钛泵电流的检测与保护

钛泵电流是衡量行波管真空度好坏的重要指标，真空度良好的行波管钛泵电流一般不大于10μA。当钛泵电流过大时，若加高压，可能导致行波管打火。因此在加高压前或加高压后，应保持对钛泵电流的实时检测，确保钛泵电流超过门限值时，高压无法启动或立即切断脉冲和高压，使行波管不受伤害。

钛泵电流的检测一般采用电阻直接取样法，与1.1.2类似，较容易实现。

2 行波管工作电压的故障检测与保护

行波管的工作状态与其各个电极上的电压密切相关，为了确保行波管工作稳定，各极电压必须在规定的范围内。钛泵电压、栅极负偏压、阴极电压、收集极电压是保证行波管正常工作的重要电压，需设置必要的故障检测与保护电路。

2.1 钛泵电压故障的检测与保护

钛泵电源用于给行波管的钛泵供电，吸附气体，保持管内良好的真空状态［2］。钛泵电源电压一般为3～5kV。行波管加高压工作时，如果行波管内的真空度较差，可能会出现打火现象。因此在加高压前或加高压后，应保持对钛泵电压的实时检测，确保发生故障时，高压无法启动或立即切断脉冲和高压。

钛泵电压故障的检测可采用电压取样比较法，将取样电压与基准电压用比较器直接比较，其原理如图4所示。

图4 电压取样比较法

图4中，R3至Rn串联，获得钛泵电压取样后，与基准比较。当取样电压低于基准门限时，比较器输出低电平，作为故障信号输出［1］。

2.2 栅极负偏压故障的检测与保护

行波管加高压工作时，在无调制脉冲或在脉冲间隔期间，栅极必须有足够的截止电压，否则会有电子从阴极逸出，轻则增大输出脉间噪声，重则损坏行波管栅网、阳极等部件。因此，应保持对栅极负偏压故障的实时检测，当负偏压低于额定值时，确保高压无法启动或立即切断脉冲和高压。

由于栅极负偏压相对于浮动地（通常为阴极电位）是负电位，显然不能直接用2.1中的电压直接取样比较法，若引入负电压的辅助电源，增加了电路的复杂性，并有降低可靠性的风险。将电源两端接固定负载，电源电压的变化可表现为负载中电流的变化，据此介绍栅极负偏压故障检测与保护方法：

方法一：取样电阻与继电器串联，接于负偏压电源两端，用取样电流驱动继电器，当负偏压输出低于额定值，继电器动作，送出故障信号。该方法存在的主要问题是继电器的吸合与释放电流存在差异，导致故障门限精度较低。优点是简单可靠，所以仍为一现实可行的方法。

方法二：也可选用线性隔离器件，隔离后再与基准电压进行比较。原理如图5所示。

图5 选用线性隔离器件的检测方法

图5中，“FGND”为行波管阴极电位，RP1提供基准电压，R5至Rn串联，由于Rn阻值较大，取样电流主要流过B1。当B1工作在线性区域时，比较器的反相输入端获得的电压随负偏压的降低而降低，并与基准比较。当负偏压低于额定值时，比较器输出高电平，作为故障信号输出。

方法三：还可采用中和法，如图6所示。

图6 中和法

当负偏压降低时，流过R1的电流随之减小，比较器同相输入端的电压随之升高。当负偏压低于额定值时，比较器输出高电平，作为故障信号输出。

除上述方法外，适当增大负偏压电源的输出储能电容，在加高压工作时，由于某种原因整机掉电时，因电容器放电回路的时间常数较大，所以储存能量在短时间内不易放掉，栅极也能维持一段时间的负压，使管子免遭损坏。

2.3 阴极电压的检测与保护

行波管在高压工作过程中，阴极电压与电子注散焦密切相关，如果阴极电压与额定值相差较大，会有过多电子注的能量积聚在收集极以外的部分，对行波管造成伤害。因此，当阴极电压欠压或过压时，应立即切断脉冲和高压。

可采用的方法与负偏压类似，这里不作介绍。

2.4 收集极电压故障检测与保护

收集极电压是行波管工作的重要电压，在行波管各极电源中，收集极电源功率最大。对于收集极降压工作的行波管而言，收集极电压偏离额定值过多，会对行波管的效率和稳定性造成影响。

收集极电压是以阴极为参考的电压，采用差分取样法可将以阴极为参考的电压转换成以地为参考的压差信号，如图7所示。

获得压差信号后，再进行故障判断，电路简单，响应速度快。

3 故障信号的传输

为了尽量减小其他电路对低压控保的干扰，在故障检测电路与发射机控保电路之间应采取必要的

图7 差分取样法

隔离措施，如采用光耦或变压器隔离等方式。对浮动在阴极电位上的故障信号的传输，必须有足够的高压隔离传输能力，可采用光纤传输或振荡器加脉冲隔离变压器传输的方式。后者成本较低且简单易行，可靠性较高，在多型号雷达发射机中广泛应用。

4 结束语

以栅控行波管为例，从行波管各极工作电流和工作电压2个方面介绍了对发射机行波管的保护措施，并分析了保护措施的重要性及保护电路的实现方法。对行波管的保护还有很多方面，如脉冲行波管的工作比保护、行波管输出馈线驻波的保护等。

［1］ 杨旭，裴去庆，王兆安.开关电源技术［M］.北京：机械工业出版社，2002.

［2］ 郑新，李文辉，潘厚忠.雷达发射机技术［M］.北京：电子工业出版社，2004.

［3］ Abraham I Pressman.开关电源设计［M］.王志强译.北京：电子工业出版社，2005._____________________