一种小功率毫米波磁控管发射机

吴亚中，张 科

(南京电子技术研究所，南京 210039)

0 引言

近些年，毫米波测云雷达成为天气雷达的研究热点。随着信号处理技术和接收技术的发展，雷达系统克服了磁控管频率不稳定问题，使毫米波磁控管测云雷达得以实现[1]。目前，毫米波微波功率器件有行波管放大器、固态放大器以及磁控管，相比较而言，行波管放大器、固态放大器价格比较昂贵，磁控管则具有发射功率大、价格低等特点。

本文介绍了一种毫米波测云雷达用小功率8 mm磁控管发射机。该发射机采用回扫充电线性调制器，通过放电开关的选择以及人工线与脉冲变压器匹配问题的有效解决，优化调整高压调制脉冲波形，进而生成较好的功率输出检波波形。同时，有效减小体积，提高可靠性，采用封闭式结构设计，适应发射机天线安装全天候运转的要求。

1 主要技术指标与系统组成

1.1 主要技术指标

输入:220 V/50 Hz±10%(交流)

输出:峰值功率25 kW，脉冲宽度200 ns，重复频率4 kHz，占空比小于1‰，调制脉冲15 kV/10A。

1.2 系统组成

发射机由几个基本的功能模块组成，分别是控保组件、低压电源、灯丝电源、回扫充电线性调制器和磁控管等，如图1所示。

图1 发射机功能模块简图

控保组件完成发射机内部的定时信号输入、各个组件的状态监控以及与外界的通讯工作;低压电源将交流220 V交流电经直流-直流(DC-DC)模块统一变换为各组件需要的低压电源信号;灯丝电源将24 V直流电源经过半桥变换器逆变为交流信号后，再通过灯丝隔离变压器耦合传输至磁控管灯丝;回扫充电线性调制器根据输入的定时信号，对交流220 V交流电进行变换，对调制器的人工线进行充电，并产生放电开关的触发信号控制放电开关，将人工线的储存能量通过脉冲变压器升压后，产生符合要求的调制脉冲波形送至磁控管阴极，使磁控管正常工作，同时对充电电流、放电电流、调制电流进行实时采样监测保护，发现过流后切断触发并报警。

1.3 高压线性调制器[2-3]

回扫充电线性调制器具有电路简单、可靠性高、抗打火能力强等特点。图2为回扫充电线性调制器原理框图，其电路简单分为充电部分和放电部分。

图2 回扫充电线性调制器简图

电路中，交流220 V通过整流滤波变换为直流电，作为充电电压源。充电部分是一种类似于单端反激式开关电源的电路拓扑形式。控制电路根据系统定时产生充电触发信号，经驱动器放大后控制充电开关管V1和V2;充电开关管导通期间，整流滤波得到直流电的能量并送至反激式充电变压器T1，由于充电二极管V7的反向阻断作用，能量储存在变压器励磁电感中，如图2中电流I1所示;当充电开关管关断后，充电变压器储能换向，能量由充电变压器通过充电二极管V7向人工线PFN充电;当充电变压器中的能量全部转换为人工线储能后，进入放电等待状态，如图2中电流I2所示。放电部分是包含人工线、放电开关管、脉冲变压器等的标准放电电路。控制电路根据系统定时产生放电触发信号，触发SCR放电开关管V9;放电开关管导通后，人工线上储存的能量在很短的脉冲时间内通过脉冲变压器T2，升压变换后送至磁控管阴极，完成阴极调制过程，如图2中电流I3所示。放电结束后，人工线反向电压为零，SCR放电开关管V9恢复关断状态，完成一次充放电过程。

2 发射机的设计难点

磁控管的工作方式是自激工作模式，对调制脉冲的前后沿要求很高，尤其是调制脉冲的前沿，波形的前沿过快和过慢都会引起磁控管工作不稳定，出现磁控管打火现象[4]。

2.1 放电开关选择

随着半导体技术的发展，线性调制器的放电开关基本都实现了固态化，使用SCR作为放电开关[2]。中大功率线性固态调制器一般均采用多只SCR管串联的方式，组成较高耐压放电开关组件[5]，器件使用耐压1800 V的KG200A/1800 V或耐压1200V的KG200A/1200V。本发射机属于小功率范畴，调制器充电电压可适当降低，进而减少器件的使用，充电电压确定为2500V，采用SCR串联技术需要2～3只常用SCR管实现串联。为进一步简化设计，本设计采用了耐压达3300V的DYNEX公司的ACR300SG33作为放电开关。相对于2500V的充电电压，单管就可实现;相对于SCR串联技术，避免了浮动电位器件的散热，使放电开关的散热更容易实现，可省略SCR管之间的均压电路，触发电路也减少到一个，能有效简化电路并减小体积。该器件为快速可控硅，开通上升时间可达到50ns，远小于8mm磁控对脉冲前沿90ns～120ns的要求，为人工线与脉冲变压器调整匹配、调制脉冲波形调整保留了余量。

2.2 调制脉冲波形调整

线性调制器的人工线的参数直接决定了调制脉冲。大功率线性调制器的人工线的参数量级较大，脉冲变压器的漏感和放电回路长度对调制波形影响较小。而本发射机属于小功率范畴，调制脉冲功率等级仅为15 kV/10 A，同时功率输出波形较窄，仅有200 ns。这就决定了其人工线的参数量级很小，人工线的储能电容值仅需几十nF，人工线的电感量仅需几百nH，要想通过对人工线参数的调整有效控制调制波形，从而实现调制波形优化，就必须严格控制脉冲变压器的漏感和放电回路长度，尽可能减小其对调制波形的影响。本设计优化了脉冲变压器的参数设计，尽可能减小脉冲变压器初级漏感，把初级漏感控制在100 nH以内，同时通过放电开关使用单管、人工线采用干式、合理布局有效减小放电回路长度等优化措施，再经过人工线参数的调整，使调制脉冲的前沿满足要求，功率输出检波也得到较好的波形。

图3给出了该发射机的调制脉冲电压波形(1路)和电流波形(2路)，实际8 mm磁控管工作于13 kV/9 A。图4给出了功率输出检波波形，从检波波形中可以看出顶部没有振荡，非常平坦。

图3 调制脉冲波形图

图4 功率输出检波包络

3 结束语

本文详细介绍了毫米波测云天气雷达使用的一种小功率毫米波磁控管发射机，通过严格器件选型、优化脉冲变压器参数和放电回路、调整人工线参数等方法，实现对调制脉冲波形和功率输出检波波形的优化调整。该发射机体积小巧、工作可靠、成本低、性能可靠、故障率低，满足天气雷达全天候24小时运转要求。该发射机在功率密度方面还有提高的空间，可运用一体化设计，进一步减小发射机的体积，实现发射机的整体模块化。

[1]许致火，何建新.8 mm脉冲磁控管测云雷达测速多普勒化[J].电讯技术，2010，50(9):97-101.Xu Zhihuo，He Jianxin.Dopplerizing an 8 mm pulsed magnetron cloud radar[J].Telecommunication Engineering，2010，50(9):97-101.

[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，2006.Zheng Xin，Li Wenhui，Pan Houzhong.Radar transmitters technology[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2006.

[3]韩 博，戴广明，吴亚中.回扫充电调制器的应用分析[J].现代雷达，2009，31(8):77-79.Han Bo，Dai Guangming，Wu Yazhong.Analysis of application of fly-back charging modulator[J].Modern Radar，2009，31(8):77-79.

[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.Qiang Bohan，Wei Zhi.Theory design and practice of modern radar transmitters technology[M].Beijing:National Defense Industry Press，1985.

[5]何秀华.一种新型天气雷达发射机的设计与实现[J].现代雷达，2011，33(8):69-71.He Xiuhua.Design and application of new meterological radar transmitter[J].Modern Radar，2011，33(8):69-71.