一种Ka波段行波管发射机的设计

张 彦，胡 平

（船舶重工集团公司723所，扬州225001）

0 引 言

近年来，由于毫米波技术在多个方面取得了重大进展，毫米波雷达进入了新的应用阶段。毫米波雷达具有厘米波段全天候的特点，又具有红外波段高分辨力的优点。而Ka波段是毫米波中大气衰减相对较小的窗口频段，且相关Ka波段元器件技术相对较为成熟。Ka波段雷达具有波束窄、方向性好、分辨力高、抑制海杂波干扰和多路径干扰能力强、跟踪精度高、多普勒频带宽、体积小、重量轻等优点。基于Ka波段的众多优点，其在现今的许多近程精密跟踪雷达系统中得到应用，尤其在舰载跟踪雷达系统中，用以对付低空反舰导弹等目标的威胁，有效提高了舰船的生存能力。

当然Ka波段雷达也有着不足，主要是传输损耗较大，减小了其有效作用距离。因此在Ka波段精密跟踪雷达系统中，通常采用发射机和天线一体化的设计方法来尽量减小微波传输损耗，这就对发射机的体积、重量、可维修性和适装性提出了很高要求。在本发射机中采用了发射机模块化设计，基本上分为低压模块和高压模块，并对高压模块进行了高压绝缘处理，使之能够直接对地安装。下面将详细描述本发射机的设计方法，并给出在系统应用条件下的部分测试结果。

1 系统设计

1.1 发射机主要技术指标和系统框图

发射机主要技术指标如表1所示。

表1 发射机主要技术指标

发射机采用由前级场效应放大器和末级行波管放大器串联构成的二级放大链体制，来自信号源的Ka波段小功率射频信号经由场效应放大器放大后，为末级行波管提供约20dBm的射频激励信号，再由行波管放大器放大至约60dBm输出。图1为发射机构成的基本框图。

图1 发射机基本框图

1.2 理论设计

1.2.1 输入功率和功耗的计算与分配

高压电源效率为η1（约85%），行波管工作效率为η2（约20%），而行波管输出最大平均功率为1kW×10%＝100W，则发射机的输入功率Pin＝100÷（η1×η2）（约为625W），电源功耗＝Pin×（1－η1）（约125W），行波管耗散＝Pin×η1×（1－η2）（约400W）。

1.2.2 稳定性指标的计算与分配

在选定行波管之后，还要依据雷达系统对发射机改善因子的要求，并结合行波管的性能参数，计算行波管各级电压的纹波和稳定度。因为阴极同步电压对发射机输出射频信号的相位调制影响最大，所以仅计算对阴极电压的纹波要求。

系统要求发射机达到45dB的改善因子，则对阴极电压的纹波要求为：I＝20lg（1／Δφ），可计算出允许的最大相位变化为 Δφ＝57.3°×10－45／20＝0.322°。

再参照行波管的各电极相位调制灵敏度（°／V），可计算出各电极电压的纹波。典型的Ka波段行波管阴极电压相位调制灵敏度为1.2°／V，则纹波系数应小于3×10－5；收集极电压纹波系数比阴极电压低约一个数量级，取8×10－3；而灯丝电源的纹波系数可取1×10－3［1］。

2 电源设计

2.1 高压电源

为了满足雷达系统对发射机的体积要求，高压电源采用串联供电形式，即行波管的阴极同步电压由收集极电源和补充电源串联组成。2组电源由一公用逆变器变换得到，这种设计不仅可以减小发射机体积，还可以使高压取样电路得到简化。高压电源电路框图如图2所示。

由于收集极电源不稳压，当工作比变化范围较宽时，收集极电压将会有一定变化，但通过电源系统的精确计算，精心设计好变压器，就能保证收集极电压工作在行波管可承受的正常范围内。这样设计只会影响到整机工作效率，而不会影响系统的工作状态。

功率变换器采用改进型Buck全桥拓扑，通过全桥变换器驱动高频变压器，而高压稳压由Buck调整器完成。主功率变换器采用电流馈电模式，它有许多优点：开关损耗小，电源效率高；在变压器次级短路（即行波管打火）时，能有效抑制电流输出，保证开关管不损坏［2］。

图2 高压电源框图

2.2 高压隔离组件

高压隔离组件主要由灯丝电源、栅极电源、负偏电源和栅极调制器组成。

行波管灯丝电源采用限流、稳压工作模式，电路形式采用了推挽拓扑，并用电压和电流取样实现双闭环调整。脉冲电源同样采用推挽拓扑，并进行闭环调节，以获得较好的电压稳定度和较低的纹波，有效提高了行波管的工作稳定度。负偏电源是保证行波管在脉冲间隔期间的电子注完全截止，对纹波及稳定度要求不高，对其进行简单的高频升压后整流滤波处理。同时为保证行波管在脉冲间隙能可靠截止，对负偏电源进行实时监控，实现欠压保护。

调制器采用浮动板调制器，且工作在推挽馈电模式，这样设计有以下优点：便于获得很好的脉冲波形，容易实现脉宽及重频的快速变化；分布参数引起的振荡减小，从而降低了对行波管的影响，有利于降低输出噪声。浮动板调制器基本框图如图3所示。

图3 高压隔离组件基本框图

脉冲电源Ug为200V，而负偏电源－Eg为－700V，且考虑到分布参数引起的振荡尖峰，则开关管的耐压应大于1 200V。由于高压的MOS管较少，选用耐压较高的绝缘栅型双极晶体管（IGBT）。为实现脉宽和重频的宽范围调节，在低压侧对同步脉冲进行高频调制，再由脉冲隔离变压器传输至高压浮动板，后由前后沿分离电路产生PLS ON和PLS OFF，分别触发开通管V1和截尾管V2，而产生调制脉冲输出。在脉冲截止期间，由于电阻R1的存在而使栅极处在负偏压电位上。R2、VE1、R3及C1构成的栅极输出和保护电路，将对栅极发生打火情形提供行之有效的保护。

经过测试，调制器的前沿小于40ns，后沿小于50ns；在脉宽和重频宽范围工作时，调制器工作可靠稳定；对调制器进行模拟打火实验，调制器能有效保护，工作正常。

2.3 控保电路

控保电路主要是完成高压电源的稳压控制、发射机行波管的加电及断电次序控制；而接口电路是对发射机的工作状态进行监控和指示，对各种故障进行定位，并与主控台进行通信。由于负载失配、驻波过大、过热等因素导致的行波管工作电压的不稳定，将会对行波管造成不可挽救的损坏。对行波管各级电流采用电流互感器取样，送至比较电路，一旦出现过流现象，比较器立刻翻转，给出故障信号。由于所有故障均已被逻辑 “或”进高压联保电路中，此刻会快速切断电源的驱动脉冲。同时接口电路会将故障状态传输至单片机，单片机会根据故障状态，作出相应动作，并通过串口传输至主控台。

在发射机高脉冲电压和强脉冲电流的复杂电磁干扰环境中，采取了浮动接地技术、光电隔离技术和电磁屏蔽技术，以确保控保系统的稳定、可靠。

3 高频系统设计

由于Ka波段行波管相对带宽较宽，极容易造成发射机自激，从而导致系统工作的不稳定，甚至引起场效应放大器及行波管的损坏。本设计通过在行波管输入级采用26.5～40GHz的小功率宽带隔离器和中功率宽带三端环行器串联连接，以及输出端采用宽带双定向耦合器和宽带大功率四端环行器串联连接的措施，有效抑制行波管输入级出现的异常对前级场效应放大器的影响。双定向耦合器的作用是为了对发射机输出功率和负载匹配状态进行实时监控，其输出通过检波放大送入控制和保护电路。宽带大功率四端环行器能够在负载匹配不佳（如驻波过大）的情况下保证行波管的可靠工作。

4 结构设计

由于系统对发射机的体积和重量要求，对发射机的结构设计提出了很高要求。高压模块体积仅为0.06m3（0.2m×0.2m×0.15m），而该行波管工作电压高达25kV，为避免高压元器件的高压击穿现象，同时为了满足整机的抗振动要求，需对高压电源模块加以密封，以提高其在恶劣环境下工作的可靠性。为此在设计中采取了如下一些措施：对高压模块内部结构进行优化设计，应用新型灌封材料（RTVS187硅橡胶）和灌封工艺（先将元器件表面涂覆底胶，再多次分批灌封，彻底排空气泡），解决了高压模块的小型化和高压绝缘问题；对低压模块内单元电路进行优化设计，通过合理布局，提高了安装密度，解决了小型化设计中的散热和电磁兼容问题［3］。

5 实测结果和结论

在系统配合下的应用测试，本发射机工作稳定，性能可靠。在低气压密闭条件下，未出现高压元器件电晕现象，各模块温度均在设计安全范围内。经测算，整机效率η＞15%，动态改善因子Ι＞45dB。

Ka波段发射机设计中，经过电路结构和工艺等方面的系统优化设计，实现了Ka波段发射机小型化、高可靠性的目标，为Ka波段发射机的逐步推广应用提供了保证。

［1］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.

［2］张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计［M］.北京：电子工业出版社，1999.

［3］白颖.某机载雷达发射机的高压绝缘设计［J］.火控雷达技术，2003，32（4）：64－66.