一种高功率发射机的设计与控制方法

纪 安,张建华,陶小辉

(中国电子科技集团公司第三十八研究所,合肥 230088)

一种高功率发射机的设计与控制方法

纪 安,张建华,陶小辉

(中国电子科技集团公司第三十八研究所,合肥 230088)

重点介绍一种高功率双机热备份发射机的设计与控制方法。该发射系统采用两个完全相同的发射机,分别经过各自的输出馈线,通过电动波导开关连接到天线,通过发射机对波导开关的对应控制从而实现对发射机的自动切换。对发射机的双机热备份工程实现进行了分析,对波导开关及其控制装置的应用与控制实现进行了介绍,最后给出了发射系统切换控制及其可靠性改善的效果。

发射机;速调管;热备份;大功率环行器

0 引 言

随着国土防空情报需求的增长,以及大功率电子对抗技术的发展,对雷达、电子对抗等大功率国防电子设备的可靠性及长期工作能力提出更高的需求。另一方面,由于大功率发射机中的功率器件因需要处理较大的功率,其可靠性受到限制,逐步成为这些装备可靠性的瓶颈。尤其是真空电子管发射机,既存在寿命问题,又要应用在高电压的条件下,使得大功率发射机的可靠性成为影响雷达设备可靠性的主要因素之一,为此常常对发射机进行备份来提高装备的可靠性。本文介绍的发射机采用两个相同的发射机,通过波导开关与天线相连,采用主振放大形式,前级采用固态放大器,末级采用单注速调管放大器。除高功率速调管外,发射机其他部分完全固态化。发射机的简化框图如图1所示[1]。

图1 发射机简化框图

来自雷达频率源的5～15 dBmW射频信号经前级固态放大器放大到160 W,末级速调管放大器将射频激励信号放大到800 kW,并从输出窗经高功率隔离器、波导定向耦合器、波导切换开关送到天线。

1 发射机主要性能指标

(1) 输入激励功率:5～15 dBm

(2) 射频输出功率:≥800 kW

(3) 脉冲宽度:40 μs

(4) 重复频率:275 Hz

(5) 带内输出功率起伏:1.5 dB

(6) 可靠性:MTBF>2 250 h

2 发射系统的主要技术

2.1 固态组合调制器技术

为减小调制器的体积和重量,采用集中的充电电路形式。为达到高可靠的设计目标,在该调制器的设计中应用了固态调制器技术,不仅对调制器的充电电路进行固态化设计,而且对调制器的放电电路进行了组件化设计。调制器的放电电路由10个放电组件组合而成。在每个放电组件中由5个可控硅串联构成固态放电开关,借用成熟的可控硅串联的均压和触发技术,使这种串联开关具有极高的可靠性。10个放电组件实现统一的标准化设计,采用盲配式插拔结构,相互之间完全可以互换,配备备份方便,可维修性好。图2为固态放电组件实物照片。

图2 固态放电组件

2.2 集中式高压电源技术

组合调制器的高压电源采用集中式电源方案。集中后高压电源的平均功率可达到60 kW左右,不仅对高压电源的研制带来了较大困难,同时对高压电源和充电开关的可靠性也提出了更为严格的要求。在研制过程中,采用分档加高压的方式来减小研制的难度,高压分为1、2、3档,另一方面便于使用一些模块和保护器件,以提高其可靠性。

根据调制器要求高压电源输出1 500 V电压的要求,将高压电源分为3档,第1档输出900 V,第2档输出440 V,第3档输出160 V。每一档都采用12相整流的方式。采用整流模块,一方面减少了元器件的数量,另一方面能够保证每个整流桥模块内部所用的整流管在性能上做到基本一致,有利于可靠性的提高。[2]

2.3 切换控制技术

对于真空管发射机,目前最常用的备份方式是冷备份,尤其是大功率的情况下,受到器件、技术瓶颈的限制,极少采用热备份。[3]冷备份情况下备件不能随时进入到工作状态,一旦正在工作的发射机或其零部件在工作中出现故障,需要停机,换上备份的发射机或零部件,更换的过程不仅需要停机,还有拆、装的过程,尤其是更换发射机时往往还需要牵涉到波导、水冷系统的拆、装、调试等等,而重新开机时预热过程也不可避免。整个过程比较耗费时间。[4]

为了尽可能缩短更换备件的时间,提高雷达整机的可靠性和保障性,根据某雷达对发射机可靠性的要求,需要在10 s内完成发射机的切换,实现发射机切换不丢空情。两部发射机如图3所示,分别经过各自的输出馈线,由同一个电动波导开关连接到天线。每个发射机都可对微电机进行控制,进行发射机到天线的选通,通过波导开关的切换实现发射机主、备的切换。

图3 发射机系统组成示意图

3 切换控制的技术实现

本系统切换控制所涉及的关键技术主要体现在两个方面:一是合理选择和应用好合适的波导开关,二是设计合理、有效的控制装置与控制程序。

3.1 波导开关合理选择与应用

波导开关的使用,使得两个发射机的切换极为便利,省去了更换波导和水冷系统的时间,尤其是当两个发射机中的A机在输出微波功率时B发射机随时可以开低压预热。当B机预热好后即可关掉A机的高压,再撤掉A机控制波导开关的控制命令,之后加上B机控制波导开关的控制命令,波导开关转子立即就会转动,将A机与天线脱开,切换到B机与天线相通,并送出波导开关的位置已切换到B机的信号给B机,表示波导切换完成,此时B机即再加高压,输出微波功率,由A机切换到B机完成,反之也可。波导开关的切换过程不到1 s。经测试,在B机提前预热好的情况下由A机正常工作,切换到B机且B机工作正常的过程不足5 s。

功率高达MW量级的大功率波导开关,不仅需要耐功率能力,同时由于所在系统功率大,波导需要充气,来提高耐功率能力,因而也兼具气密封能力,具有较大的难度,与此同时还要能够受控转动实现波导隔离度达到70 dB。最终采用一种波导开关,兼具上述功能,为两个发射机的微波通路提供了极好的隔离。以输出1 MW为例,A机工作时,通过波导切换开关泄漏到B机微波通路的功率只有0.1 W。开关切换时间的典型值只有0.5 s,为快速切换带来方便。开关切换的次数达到10万次,具有极好的可靠性。其耐功率能力大约1.2 MW,有4个端口,自身有设置控制电机,电机受交流220 V控制,带动波导开关组件中的动子转动,使微波通路切换,即1端口在2、4端口之间切换,与此对应,3端口在4、2端口之间切换(如图3所示)。当选择1、2端口作为微波通路时,与3、4端口形成的通道的隔离度达到70 dB。开关具有两个稳定的状态,其一是1、2端口接通,同时3、4端口接通;其二是1、4端口接通,同时3、2端口;处于中间状态的时间极短,也就是切换的过程,典型值是0.5 s,其余均处于稳定状态。为便于区分波导开关处于哪种稳定的状态,对应两种状态都给出了位置信号,作为波导开关状态转换控制的回馈,与发射机的控制进行连锁,如图4所示。

图4 端口切换示意图

3.2 控制装置与控制程序的合理设计

两个发射机的切换必须在安全可靠的情况下进行,确定“在非高压的状态下进行切换” 的切换原则,避免有微波输出时切换过程中由于驻波变化引起波导打火。同时,匹配负载的功率不足以承担满功率微波的输出,一旦满功率输出的微波切换到负载上会造成负载的损坏。

波导开关组件采用交流220 V控制,其控制电路的电路图如图4所示。有两个控制端(控制1、控制2)可以控制电机转动。控制端不同,电机的转动方向不同,分别是正转、反转,交替馈送控制电信号就可实现波导开关在两个位置之间的转换。由图5可见,开关组件内装有两个限位开关,分别用K1、K2表示。每个开关有两组节点,在位置1时,K1提供位置信息的节点为常闭节点,K2的为常开,用K1这一组闭合信息与A机的高压开机信号连锁,A机此时才能加高压。一旦波导开关在位置1的情况下,就不需要利用控制1的信号再对电机进行向位置1转动的控制,所以K1的节点是常开的。此时转为用K2来控制电机转动的节点为常闭,可控制波导开关从位置1向位置2切换。当波导开关处于位置2的情况下,所有节点反转。

根据切换原则和波导开关控制电路的特性,为使波导开关位置和发射机输出微波准确对应,杜绝紊乱造成故障,从硬件和软件两个方面采取措施。

图5 波导开关电路图

在硬件上,首先在每个发射机的控制面板上增加“波导切换控制开关”,只有按下开关才会向电机发送控制信号。其次,在每个发射机的控制电路中增加互锁继电器K4(如图6所示),用来对备份发射机控制电机信号进行锁定,即A机K4的一组常闭节点与B机K4线包控制线串联,一旦A机控制电机,A机K4动作,常闭节点断开,B机无法对电机进行控制,反之也然。如此,在硬件上对波导开关的电机控制进行了互锁控制,每次只能接受一个发射机的控制信号。切换时,必须将处于控制地位的发射机控制面板上的“波导切换控制开关”抬起,K4恢复到常态,常闭节点接通,再按下备份发射机的“波导切换控制开关”,电机才会接收到备份发射机的控制信号,进行位置转换。

在软件上,利用波导开关组件提供的位置信号与发射机加高压的控制信号连锁,只有波导开关的位置正确才能加高压。与此同时,另一个发射机受控不能加高压。在加上高压后,通过发射机的控制软件,对该发射机的“波导切换控制开关”的输入控制锁定,此时即使抬起面板上的开关也不能改变波导开关的位置,从而确保在高压状态下对波导开关状态的锁定,避免在有微波功率输出的情况下进行波导转换。此时,只有断高压后才会打开此锁,方可进行波导开关位置的转换。

遥控时,在遥控界面上同样设置“波导切换控制开关”,发射机控制电路中的连锁继电器K4继续承担连锁功能。控制软件的连锁关系与本控相同,唯一不同的是A、B发射机控制面板上的“波导切换控制开关”均处于抬起(断开)状态。

合理的控制装置及软件设计使得波导开关的控制安全可靠,从未出现失控情况。

图6 波导开关的控制互锁

4 完备的监控保护设计

发射机的监控/保护系统能否正常可靠地工作并对随时可能出现的故障及时给予保护或告警是发射机设计成功与否的关键。为此,必须对故障点的设置合理布局,力求完全、合理、可靠,故障定位准确,做到系统内90%以上的功能块(功能插件)具有故障检测功能。整个发射机监控系统的故障点设置原则上是每个单元(分机或功能块)设置一个故障点以表示各单元工作正常与否。至于各单元所产生的具体故障原因则依赖于单元内部的故障点设置。[5]

主监控与雷达总监控进行串行通讯,及时接受雷达操纵员的控制指令,完成发射机低压、高压3个档位和故障复位等控制,及时传送发射机的工作状态和故障信息以及输出功率、速调管总流、管体电流、高压等工作参数。在雷达操纵台上就能全面掌握发射机的工作情况和实时控制发射机的工作状态,真正达到发射机无人值守工作状态。

5 结束语

真空管发射系统采用双机备份多见于小功率、冷备份的方式,在国内外的产品中极少见到功率高达MW级的发射机采用双机备份的方式,而且是双机热备份。已经在某型雷达上验证了发射机双机热备份方式及其控制的有效性,极大地提高了发射机的可靠性。本文所阐述的各种新技术,所涉及的高功率切换控制技术都具有广泛的应用前景,如微波武器、高能物理及加速器等均有应用。

[1] 何丁鹭飞,耿富录.雷达原理[M].3版.西安:电子科技大学出版社,2014.

[2] 张建华.W波段大功率发射机设计与研究[J].雷达与科学技术,2014(5):64-67.

[3] 孙方礼.一种IGBT-HVSM模式多注速调管发射机设计[J].雷达与对抗,2011(2):53-54.

[4] 张松春,等.电子控制设备抗干扰技术及其应用[M].北京:机械工业出版社,1989.

[5] 何其文. S段高功率速调管发射机设计[J]. 现代雷达,2007(5):93-94.

Design and control method of a high-power transmitter

JI An, ZHANG Jian-hua, TAO Xiao-hui

(No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088)

The design and control method of a high-power hot standby transmitter is introduced emphatically. The transmitter system adopts two identical transmitters, which can be automatically switched through controlling the waveguide switch. The output feeders of the transmitters are connected to the antenna via the electric waveguide switch. The engineering implementation of the hot standby transmitter is analyzed, and the application and control implementation of the waveguide switch and its control device are introduced. Finally, the switch control and the improvement of the reliability of the transmitter system are given.

transmitter; klystron; hot standby; high-power circulator

2016-11-23;

2017-01-20

纪安(1979-),男,工程师,研究方向:真空管雷达发射系统和固态调制器;张建华(1961-),男,研究员,研究方向:真空管雷达发射系统和固态调制器;陶小辉(1981-),男,高级工程师,研究方向:真空管雷达发射系统。

TN837

A

1009-0401(2017)02-0037-04