一种宽带幅相一致脉冲MPM的研究

朱利超，刘　昊，鲍秋香

(1.海军装备采购中心,北京 100071;2.海军装备研究院航空所,上海 2004363；3.中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)



一种宽带幅相一致脉冲MPM的研究

朱利超1，刘昊2，鲍秋香3

(1.海军装备采购中心,北京 100071;2.海军装备研究院航空所,上海 2004363；3.中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)

摘要：介绍了一种宽带幅相一致脉冲微波功率模块(MPM)，该MPM包含脉冲高压电源、行波管和固态放大器。该MPM输出功率大于300 W，占空比大于50%，效率大于30%，重量小于2 kg。测试表明该MPM具有体积小、重量轻、效率高、保护措施完善、具备自动检测功能等特点，适用于舰载和机载应用场合。

关键词：幅相一致；体积小；高效率；微波功率模块

0引言

与传统的行波管放大器相比，宽带幅相一致脉冲微波功率模块(MPM)具有频带宽、效率高、噪声系数低、体积小、重量轻、可组阵使用等特点[1]。鉴于MPM的特点，在要求苛刻的机载、星载等平台，包括无人驾驶飞行器、卫星通信、电子对抗、相控阵对抗设备等领域有着广泛的应用。MPM的设计应综合考虑器件选型、材料选择、结构热设计、控制保护设计和冗余设计等方面。上述要求的实现，需要MPM的3个组成部分(脉冲高压电源、行波管和固态放大器)进行一体化设计，将3个部分集成为一个整体，形成宽带幅相一致脉冲MPM。行波管通常采用多级降压收集极来提高行波管的效率，目前高效率行波管已实现4级甚至5级降压收集能力，收集极效率达到70%以上[2]。为了实现MPM高指标要求，脉冲高压电源输出至行波管的各极电压必须具有良好的稳定度和较低的纹波[3-4]。固态放大器采用单片微波集成电路(MMIC)实现，为行波管提供进过均衡的激励信号。通过MPM 3个部分效率的提高，尤其是脉冲高压电源和行波管效率的提高，为MPM的热设计减轻了压力，进而可以实现MPM的一体化紧凑设计，并可大幅度提高MPM的可靠性。

1主要技术指标

通过一体化集成方式将行波管和高压电源集成为一个整体，通过优化电源的参数实现行波管、脉冲高压电源和固态放大器的最佳匹配，最终实现体积小、重量轻、效率高和稳定可靠的宽带幅相一致脉冲MPM。本文介绍宽带幅相一致脉冲MPM，其主要指标如下：电源为直流电源，电压270 V；激励功率为0～5 dBm;脉冲输出功率≥300 W；脉冲重复频率为100 kHz；最大工作比为50%；工作脉宽为0.5～50 μs；脉冲前后沿≤50 ns；幅度一致性为±1.5 dB；相位一致性为±20°；效率≥30%；尺寸≤200 mm×160 mm×35 mm；重量≤2 kg。

2MPM的组成与工作原理

宽带幅相一致脉冲MPM的主要功能是将射频输入信号经过固态放大器均衡后，输出至行波管输入端，再经行波管进行放大，形成高功率输出。MPM主要由三大部分组成：脉冲高压电源、行波管和固态放大器，脉冲高压电源产生行波管各级所需的电源和为固态放大器供电。构成框图如图1所示。

高压逆变电路产生行波管各极电压，通过稳定阴极电压，实现各收集极电压的0.5%从属输出稳定，低压逆变电路产生辅助电源和栅极导通、截止电源，实现各低压供电，低压逆变电路产生的输出需进行二次稳压。行波管电子注通断采用典型的栅极调制开关电路实现。

图1　宽带幅相一致脉冲MPM组成框图

MPM接受外部控制，实现MPM的正常开关机时序和异常情况下的关机时序。开机时，低压逆变电路启动，同时产生灯丝电压、栅极开启电压、栅极关断电压和辅助供电部分，此时行波管处于截止状态；随后启动高压逆变电路，同时产生行波管阴极和各收集极电压；最后开启脉冲高压电源栅极调制器，控制行波管电子注的通断，行波管开始工作。MPM的关机时序或异常情况下关机时序与上述过程相反。

2.1高压逆变电路设计

脉冲高压电源是MPM的关键组成部分，本文选择移相全桥软开关拓扑，可实现脉冲高压电源的高效率、小体积和高可靠性等。该拓扑采用零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)技术，可实现约96%的效率，构成框图如图2所示。

高压逆变电路占脉冲高压电源约2/3的体积，因此高压逆变电路开关频率的提高对于减小脉冲高压电源的体积和重量尤为重要，通过将高压逆变电路的开关频率设定为150 kHz和采用串联馈电技术，可大幅度减小脉冲高压电源的体积。

图2　移相全桥软开关原理框图

开关频率设定为150 kHz，通过匹配高压逆变电路的谐振环路，可实现低压侧的金属-氧化物半导体(MOS)管零电压导通和高压侧整流二极管的零电流导通；与此同时,如此高的开关频率可明显减少磁性器件和滤波电路的体积。串联馈电指的是利用一个高压逆变电路同时产生阴极高压和收集极高压，采用串联馈电技术实现阴极和各收集极馈电，通过变压器的设计和稳压环路可以实现阴极电压及各收集极电压的稳压。采用倍压整流的方式减小高压变压器变比，避免高压变压器分布参数对高压电源的影响。本文所涉及的高压电源输出电源高达6 kV，纹波优于0.5‰，阴极电压稳定度优于0.1‰，其它各极电压稳定度优于0.5%，满足幅相一致性对电源的要求。

2.2低压逆变电路设计

该部分功率约为20 W，为简化变压器设计，采用单端反激拓扑结构。灯丝、栅极导通、截止电源和辅助电源由低压逆变电路产生。灯丝的稳压通过高压浮动调节实现，其它从属输出需进行二次稳压。该拓扑结构线路简单，元器件较少，在中小功率电源中应用广泛。单端反激逆变拓扑原理如图3所示。

图3　单端反激逆变原理框图

2.3栅极调制器电路的设计

栅极调制器应具有实现大工作比、高重复频率和脉冲宽度连续可调的能力，本文涉及的栅极调制器包括前后沿分离电路、隔离变压器、脉冲整形单元、MOS管和电阻。开启开关管V1导通，行波管工作。开启开关管V1关断，截尾开关管V2导通，实现行波管快速关断。开启开关管V1的导通由前后沿分离电路分离的前沿实现，开启开关管V1的关断和截尾开关管的V2开通由前后沿分离电路分离的后沿实现。通过主开关管V1和截尾开关管V2的导通和关断实现行波管电子注的通断。栅极调制器的原理框图如图4所示。

图4　栅极调制器原理框图

2.4保护与控制电路

控制部分以FPGA为核心，包含电源管理电路、外围接口电路和瞬变抑制电路等部分。FPGA响应外部指令，实现MPM的控制和保护。控制模块电路示意图如图5所示，其中虚线内为FPGA的内部电路，其它部分为外部分立芯片。该部分电路主要完成以下功能：

(1) 完成MPM所需的开关机指令及控制时序，确保MPM开关机时序正确；

(2) 异常情况下，保证MPM能按设定程序关机和复位开机；

(3) 监视MPM的工作状态，如螺旋线电流监视、输入总线电流监视、保护状态监视等。

图5　控制与保护电路框图

3结构设计

MPM由脉冲高压电源、行波管和固态放大器组成，结构的设计主要针对高压电源。高压电源结构采用铝合金材料，表面涂层采用特殊材料，使辐射系数大于0.85。高压电源内部采用模块化整体设计方式，由低压电路、高压电路、调制器电路等三部分组成，各个部分相互独立，可独立拆卸。内部连接采用微型连接器实现，各部分电路采用厚膜工艺进一步集成。脉冲高压电源高压部分采用绝缘高导热材料整体灌封工艺，发热器件均贴底板安装。设计完成后，MPM的体积为：200 mm×160 mm×35 mm。由于脉冲高压电源、行波管和固态放大器效率均较高，脉冲高压电源效率高达96%，行波管效率达35%以上，固态放大器效率达20%以上，热功耗较小，冷板上散热可保证MPM安全可靠地工作。

4实物测试

对MPM进行完整测试，并进行了长时间连续工作，性能稳定，指标满足要求，并且相位一致性优于±20°，幅度一致性优于±1.5 dB，各副特性指标如脉内噪声功率谱密度、脉间噪声功率谱密度、脉间相位误差等均满足整机指标要求。

5结束语

本文介绍了一种宽带幅相一致脉冲MPM，该MPM包含脉冲高压电源、行波管和固态放大器3个部分。高压电源输出最高电压为-6 kV，最大输出功率为500 W，效率可达96%，与行波管匹配可实现行波管35%以上的效率。行波管采用四极降压收集极，输出峰值功率大于300 W，谐波抑制和杂散抑制分别优于-6 dBc、-20 dBc，MPM其它副特性指标均满足要求。测试结果表明该MPM具有效率高、体积小、重量轻、保护措施完善和副特性指标好等特点，满足舰载和机载应用条件。

参考文献：

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[2]DING M Q，HUANG M G，FENG J J，et al.Ionsurface modification for space TWT multistage depressed collectors[J].Applied Surface Science，2008，255(5):2196- 2199.

[3]沙文祥,李刚,张宗濂.机载行波管发射机电源系统[J].电子工程师，2006，7(32):32-35.

[4]TALA-TGHIL B，NYOBE-YOME J M，GLAIZE C.High-voltage variable-frequency double-resonant dc-dc converters utilizing the transformer parasitic elements[C].Proceedings of The European Space Power Conference.Austria,1993:245-250.

Research into A Wideband Amplitude-phase Coherence Pulse MPM

ZHU Li-chao1,LIU Hao2,BAO Qiu-xiang3

(1.Naval Equipment Procurement Center,Beijing 100071,China;2.Aviation Institute of Naval Equipment Academy，Shanghai 200436,China;3.The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

Abstract:This paper introduces a kind of wideband amplitude-phase coherence pulse microwave power module (MPM),which consists of pulse high-voltage power supply,traveling wave tube (TWT) and solid-state amplifier.Its output power is over 300W,duty-cycle is higher than 50%,effeciency is more than 30% and weight is lower than 2 kg.The test results show that the MPM has the features of small volume,low weight,high effeciency,perfect protection measures and automatic test function etc.,is suitable for applications to ship-borne and airborne platforms.

Keywords:amplitude-phase coherence;small volume;high efficiency;microwave power module

收稿日期:2015-09-07

中图分类号：TN12

文献标识码：A

文章编号：CN32-1413(2016)02-0082-04

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.02.021