大功率罗兰发射机分析与设计

唐钰，付泳

（1 中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068；2 火箭军驻燕山电子设备厂军代室，北京 100192）

0 引言

罗兰C大功率发射机作为长波陆基导航授时系统的核心设备，在整个系统中起到举足轻重的作用，由于罗兰C发射机的频率与带宽的特殊性，其功率合成技术已经成为关键性的技术难点。本文通过数学公式模型的推导与仿真，详细描述了罗兰C高功率发射机的半波产生、功率合成与波形调制原理，并对影响波形的相关电路的关键参数进行了分析。

1 罗兰C高功率发射机原理简介

如图1所示，罗兰C功率发射机包含控制单元，半波产生单元、功率合成单元、耦合输出单元以及塔式天线等[1]。

2 各部分功能模块分析

2.1 负载分析与等效电路模型

400英尺塔式天线作为罗兰C高功率发射机的负载，根据频率与阻抗的关系，在100 kHz中心频率下的等效电路模型如图2所示，其为一个串联谐振模型，电流与频率的关系如式（1）、式（2）所示。由于天线阻抗的动态变化，增加可调电感作为反馈调制以保证阻抗匹配[4]。

2.2 半波功率产生模块原理

半波功率产生模块如图3所示，实际上的功能是产生一个正弦半周波形。理论上的公式如式（1）、式（2）所示：

图1 罗兰发射机原理图

图2 罗兰发射机天线等效电路模型

图3 半波产生器原理图

其中：E0表示由于前级的电容器C形成的虚拟电压源电压；L表示电感；R表示理想情况下的电阻（不包含Rsw）。

理论上，当XC/R为无穷大时，即Ef/E0等于1时（其中Ef表示电感充电电动势），半波形为一个理想的正弦波。但实际工程应用中，我们一般按0.3效率值进行计算推导，如式（3）所示。这样我们就推导出实际半波峰电流与电压的关系。

2.3 功率合成网络

多个半周合成如图4所示，这里产生若干个前面所述的半波产生器，其相位相差180°，通过一定时序开关控制不同数量的半波产生器，在功率合成结点形成正负相位的波形，其幅度由各组参与的半波发生器的个数决定[3]。

图4 半波位置关系与合成

2.4 耦合输出网络

为了能够单独调节功率合成点的阻抗与带宽，如图5（b）所示，这里增加一级变压器以保证整个节点的并联电容与电感值的动态可调从而实现阻抗与带宽的调节。

图5 耦合输出网络

Vg与ig的公式如下所示：

其中：i2p表示天线的瞬时峰值电流；X2表示天线在100kHz频点的容抗；X1为功率合成结点在100kHz频点的容抗；f0为100kHz；tp为峰值电流时间；K12为双调谐电路耦合系数；Q1为功率合成谐振器Q值；Q2为谐振天线的Q值。

3 设计实现与仿真

前面我们分析罗兰发射机的各部分功能与实现电路，这里我们假设需要的电流为

如图5(b)所示，简单的基尔霍夫定理已经无法完成功率合成结节的电路计算，这里我们通过对电流式（5）进行分析，不难发现三个变量决定了整个电流的波形，它们分别是d1、d2、k12。

·由于罗兰发射机的天线的带宽是非常窄的，所以谐振天线的Q2值是非常高的，工程上我们一般按数十倍计算，所以

·同样的道理，Q1表示功率合成点衰减系数，实际应用中我们也是希望功率合成的能量损失的越小越好，工程上这个值一般在50～60左右，所以

·最后，由于k12=K12f0tp，可以发现最终影响天线电流波形的是双调谐电路耦合系数（K12），也就是耦合网络中的磁线圈系数。如图6所示，通过仿真我们也证明这点。当k12=7.0时，电流波形失真度最小。

图5 k12=7.0电流波形

图6 k12＝1.1电流波形

图7 k12＝0.7 电流波形

4 结论

本文通过罗兰C大功率发射机各个功能模块的数学模型的分析与推导，以及相关的仿真结果，可以得到以下结论：在功率与频点一定的情况下，真正影响整个罗兰波形质量的是d1,d2,k12三个参数，而实际工程中，在d1,d2采用经验值取值情况下，真正影响罗兰波形的关键参数为k12（双调谐电路耦合系数）。所以在变压器的参数一致性以及材料的选择和工艺上需要严格的把控。