W波段大功率回旋行波管发射机设计研究

马秀卫，窦好刚

(中国电子集团公司第十四研究所，南京 210039)

W波段大功率回旋行波管发射机设计研究

马秀卫，窦好刚

(中国电子集团公司第十四研究所，南京 210039)

介绍了国内首台W波段大功率回旋行波管发射机的系统组成和关键技术，阐述了高压电源、固态调制器、超导磁场技术、控制保护技术等基本原理和设计方法，给出了结构一体化设计难点和解决方法。测试结果表明，该发射机性能稳定，指标符合要求。最后对未来重点研究方向作了展望。

回旋行波管；高压电源；固态调制器；控制保护；一体化设计

Abstract: The system composition and the key technologies of the first domestic W-band high-power gyro-TWT transmitter are introduced. The basic principles and the design methods of the high-voltage power supply, the solid-state modulator, the superconducting magnetic field technology, and control and protection technology are described, and the difficulties and solutions of the structural integration design are discussed. The test results show that the transmitter features stable performance and its specifications meet the requirements. Finally, the future research directions are prospected.

Keywords: gyro-TWT; high-voltage power supply; solid-state modulator; control and protection; integrated design

0 引 言

毫米波雷达具有波束窄、工作频带宽、距离和多普勒分辨率高、抗干扰能力强等特点，在深空探测、卫星编目、目标识别与成像领域有着广阔的应用前景。[1]随着数据测量精度及测量成像质量要求的进一步提高，对雷达选用的频段提出了更高的要求。[2]同时，新一代雷达、通信、电子战系统对微波功率源工作频率、带宽、输出功率提出了更高的要求。近年来，更高频段回旋行波管等微波器件的研制取得了突破进展[3-4]，达到了国外同等水平。本文介绍的国内首台W波段大功率回旋行波管发射机采用的是国内最新研制的W波段回旋行波管。

1 发射机组成

发射机系统主要由控保电路、灯丝电源、钛泵电源、超导磁体和磁场电源、固态调制器、冷却系统和高压电源等组成。组成框图见图1所示。发射机主要采用主振放大模式。高频放大链路前级采用固态放大器，末级采用W波段回旋行波管放大器。

2 核心部件——W波段回旋行波管

W波段回旋行波管是毫米波雷达发射机功率放大器非常有吸引力的候选器件。在回旋行波管中，利用非谐振高频结构来产生行波互作用，采用浸没在轴向磁场中的螺旋电子注，行波由输入耦合器耦合到互作用区间，行波需要和旋转电子保持轴向相位同步。回旋行波管由磁控注入电子枪、输入耦合器、驻波高频互作用结构、输出渐变段、收集极和输出窗组成，其组成结构如图2所示。

图1 发射机组成框图

图2 W波段回旋行波管结构图

W波段回旋行波管的主要特点有：

(1) 工作在较高的调制电压下，对调制脉冲的波形质量要求高；

(2) 比速调管多一个阳极，和调制电压成固定比例关系，一般由阴极高压电阻分压得到；

(3) 频率高，尺寸小，工作参数精度和安装精度要求高。

3 发射机关键技术

3.1 全开关高压电源技术[5]

高压电源是高功率雷达发射机的关键部分。全开关高压电源技术是发射机小型化、轻量化、集成化的重要因素，也是衡量发射机先进性的重要指标。

经过几年的技术公关，研制出了高压大功率高频升压整流组件。该组件的输入输出隔离电压达150 kV，每个组件功率输出能力达20 kW。通过高频逆变器和多个升压整流组件的组合可以实现不同电压等级且满足大功率输出的全开关高压电源。该高压电源采用相移式模块化高压电源方案。

高压电源主要包括软启动电路、谐振变换器、控制电路、故障检测电路、高压升压整流组件等。高压电源组成框图大致如图3所示，3个逆变器推6个高频升压整流组件。高压取样电路对电源的输出实时采样，供控制电路完成对输出电压的调整和故障保护。高压整流组件和取样电路放在高压油箱内，体积大大减小，解决了高压耐压问题。

图3 高压电源原理框图

高压电源采用集中驱动的方式，由集中控制器统一产生变换器所需的4路功率驱动脉冲，利用无源驱动技术耦合到变换器的4个桥臂上。驱动脉冲信号采用了功率信号传输，有效地抑制了干扰信号，提高了控制电路的可靠性，使得整个高压电源的可靠性大大提高。

3.2 全固态调制器

调制器的性能和可靠性直接决定发射机的性能指标和可靠性。本机采用全固态调制器[6-7]，主要性能指标为：调制电压最高100 kV，调制电流大于等于40 A，调制顶降小于5%，工作比大于6%。固态调制器原理图如图4所示。

调制器工作电压高达100 kV，采用多个IGBT串联方式提高开关组件的耐压能力。图4中均压网络具有静态、动态均压功能，使每只IGBT管承受的电压均匀，避免单只IGBT管过压损坏。采用多个IGBT管并联可以提高调制器的承受电流冲击的能力。特别是在负载打火时，采用多管并联冗余设计，避免IGBT因过流冲击而损坏。图中M1…Mn是IGBT通过串并联技术设计的调制开关组件。所有组件通过一路定时信号驱动，保证了所有的IGBT开关动作一致，避免了个别IGBT因驱动延迟导致过压击穿损坏。图中R是限流电阻，在负载打火时可以限制短路电流的幅值，有效避免IGBT损坏。图中C是储能电容，用以提高输出峰值电流的能力，电容值越大，调制脉冲顶降越小。实际应用中要根据脉冲顶降的要求选择储能电容的大小。

图4 固态调制器原理图

C=(I*τ)/ΔUC

式中，I为脉冲电流，τ为调制脉冲宽度，ΔUC为调制最大脉冲顶降。另外，调制高压的输出两端通过电阻的分压给回旋行波管提供第一阳极电压。此W回旋行波管第一阳极与调制电压分压比为45∶80。

3.3 控制保护技术

控制保护技术是发射机系统设计的重要组成，对提高发射机的可靠性、稳定性及其性能的发挥具有十分重要的作用。控制保护系统组成框图如图5。采用PLC作为整个控制系统的核心，完成对发射机各部分的控制和模拟量、数字量的采集显示。对于悬浮于高电位的模拟量和易受传输感应干扰的模拟量，采用V-F变换技术，将模拟量变换为频率信号，通过光纤传输至低压端，变换为电信号，送PLC的高速计模块采集，以此来达到隔离高低点位、抑制干扰的目的，从而保证信号测量的精度及安全性。

图5 控制保护系统组成框图

针对核心部件W波段回旋行波管的保护策略主要有：

(1) 回旋行波管打火保护

T1、T2互感器在调制器输入输出的位置，用于检测脉冲电流，并送至调制保护电路进行检测保护。保护电路在回旋行波管打火或负载短路的情况下能在2 μs以内响应切断调制器触发信号，进而切断高压电源，防止回旋管调制电压和电流过冲而损坏回旋行波管。

(2) 波导打火保护

W波段回旋行波管波导尺寸小，安装要求精度高。安装不当、馈线驻波过大或灰尘潮气等原因会造成输出波导打火而形成电弧。本机设计了快速保护电路，在发生驻波过大或后端打火时将检测的信号送控制台，快速关断调制器和高压电源。

3.4 结构一体化设计

除了常规的调制器、高压电源、灯丝反线包电源、钛泵电源、调制分机、控保分机等基本组成外，W波段回旋行波管发射机系统还需要超导磁体提供强大的磁场强度，精度要求高。超导磁体体积较大，除了大电流励磁电源外还需要抽真空和低温制冷。这就增加了设备量，为系统的集成化设计[8]带来了难度。

将调制器、高压升压组件、灯丝电源高压部分、限流电阻、补偿线圈、回旋管高压管座、检测电路放置油箱内，实现了高压部分和低压部分的有效隔离。超导磁体固定于油箱上，回旋管穿过超导磁体中心孔通过油箱内高压管座与调制输出连接。超导磁体中心孔采用的是偏心设计，回旋管在超导磁体中心孔的位置偏差可能会改变磁场相对回旋行波管的分布，从而影响电子注的运动轨迹。通过高压油箱电讯设计和结构设计的改进，实现回旋管与超导磁体中心孔相对位置定位准确、方便，保证回旋管处于最佳工作点。发射机整机集成实物图如图6所示。新增加的真空泵、压缩机、油泵等外围设备放置机柜内，有利于系统的集中控制和状态采集，节约了一些昂贵材料的使用，如传输氦气的波纹管。

3.5 超导磁体和磁场技术

W波段回旋行波管要求的磁场强度达到3.5 T。发射机外加磁场的稳定度要求非常高，输出功率和增益对磁场强度的变化异常敏感。磁场电源、超导线包、超导制冷机为W回旋行波管提供外围磁场。利用低温制冷技术让浸泡在液氮中的线圈具备超导能力,阻值为0 Ω。超导磁体的性能也直接关系到磁场强度和分布状态。该发射机采用的是由中科院电工研究所研制的新一代超导磁体系统。

图6 发射机实物图

4 测试结果

W波段回旋行波管发射机具有工作电压高、电流大、功率高的特点。本机经过测试，经过了6 h工作考机，工作稳定可靠，其工作比达到6%，脉冲顶降符合要求，主副瓣比优于12 dB。图7为脉冲电流波形和高频检波波形。图8、图9为所测的左右主副瓣比。

图7 脉冲电流波形和高频检波波形

图8 发射机输出频谱图(一)

图9 发射机输出频谱图(二)

5 结束语

本文所述的W波段回旋行波管发射机具有功率大、带宽宽的特点，工作稳定可靠。它采用全开关高压电源、全固态调制器，有利于模块化设计，其结构一体化设计增加了系统的集成度，可以应用于多种平台。发射机实测功率和波形指标满足设计要求。为了适应未来毫米波雷达的发展方向，该波段发射机应该进一步提高发射功率，拓宽工作脉宽和工作带宽。同时，超导磁体的快速制冷和磁场电流的快速启动、缩短发射机整机启动时间也将是未来重点突破的难点。

[1] 同武勤,凌永顺. 毫米波雷达的应用及发展[J].光电技术及应用, 2004,19(4)：51-54.

[2] 卞雷祥,徐春林. 毫米波远程测量雷达性能提高技术[J].现代雷达, 2013,35(1)：11-14.

[3] 刘濮鲲, 杜朝海. 毫米波回旋行波放大器的发展评述[J].微波学报, 2013,29(5-6)：33-42.

[4] 蒲友雷.大功率毫米波回旋速调和行波放大器件研究[D].成都:电子科技大学,2012.

[5] 戴广明, 田为,黄军. 新型大功率全固态调制器[J].电力电子技术, 2004,5(38)：63-65.

[6] 戴广明,田为,黄军,等.基于新型DSP的高压开关电源[J].现代雷达,2009,31(2):85-88.

[7] 孙荣棣, 戴广明. IGBT在雷达发射机在雷达发射机调制器中的应用[J].现代雷达, 2002,24(3)：66-68.

[8] 戴广明. 大功率雷达发射机的“三化”研究[J].现代雷达, 2011,33(11)：1-5.

Design of a W-band high-power gyro-TWT transmitter

MA Xiu-wei, DOU Hao-gang

(No.14 Research Institute of CETC, Nanjing 210039)

TN832

A

1009-0401(2017)03-0043-04

2017-07-03;

2017-07-19

马秀卫(1983-)，男，工程师，硕士，研究方向：雷达发射机及高功率设备；窦好刚(1977-)，男，高级工程师，硕士，研究方向：雷达发射机及高功率设备。