基于全周期电压合成的罗兰C发射机技术研究

许 奎，王 伟,2，米正衡，张海光

（1 中国电子科技集团公司第二十研究所；2 陕西省组合与智能导航重点实验室，西安 710068）

0 引言

传统罗兰C发射机采用磁脉冲器进行脉冲压缩，产生4个5 μs 周期的电流脉冲，电流脉冲冲击后端的耦合输出网络，辐射出标准罗兰C电流[1]，该架构发射机受限于磁脉冲压缩器水平和功率产生方法，发射机效率较低，约为70%，只能输出标准罗兰C电流波形。随着碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等功率器件的发展，使用该类型功率器件的D类功放理论效率可达100%，该发射机采用基于D类功放输出电压的全周期合成架构，大幅提升了发射效率和功率容量，支持多种波形灵活配置，拓宽了罗兰C发射机的使用功能和运用领域。

1 全周期电压合成原理

1.1 罗兰C 电流分析

标准罗兰C电流波形[2]定义如式（1）：

式中，0A为峰值电流相关的常数（单位：A），tp为天线电流峰值点时间（单位：μs），τ为电流波形包络的包周差（单位：μs），PC为相位编码，对于正相位编码PC取值为0，对于负相位编码PC取值为π。

tp取65 μs，PC和τ取0，归一化电流波形如图1所示。

图1 罗兰C电流波形

全周期电压合成的罗兰C发射机产生激励电压，通过激励后端发射天线网络能够产生标准罗兰C电流，简要原理图如图2所示。

图2 罗兰C电流产生原理

其中，L、C和R为发射天线网络等效参数，i(t)为发射天线端罗兰C电流，us(t)为发射机激励电压，函数如式（2）：

取发射天线网络等效电阻R为2.5 Ω，网络品质因素Q值55，调谐后发射机所需激励电压us(t)波形如图3所示。

图3 激励电压波形

与传统罗兰C发射机产生4个5 μs 周期的电流脉冲波形不同，该类型发射机需要产生25个全周期电压波形，且存在电压反向现象，即后端网络能量流向发射机，图3所示的波形中，发射天线网络Q值55，第9个周期电压反向。

1.2 发射机等效模型

上一节给出了特定发射天线网络等效参数下的激励电压us(t)，并在等效电阻或辐射电阻上产生了标准罗兰C电流。

激励电压us(t)可由D类功放输出电压进行叠加合成，D类功放原理如图4所示。

图4 D 类功放原理图

图4所示的D类功放采用4 只MOSFET（场效应管）组成H 桥电路[3]，（a）图中管Q1和管Q3导通，管Q4和管Q2截止；（b）图中管Q4和管Q2导通，管Q1和管Q3截止，依次交替导通和截止，将输入直流电压转换为正负10 μs 的电压方波脉冲，输出波形如图5所示。

图5 D 类功放输出电压波形

基于D类功放输出电压合成的发射机等效模型如图6所示，主要由D类功放及变压器组成。

图6 发射机等效模型

多个D类功放通过变压器次级串联，进行输出电压的叠加合成，由图3的激励电压us(t)波形及图5的D类功放输出电压波形可知，每个周期输出电压一致，通过改变每个周期工作的D类功放个数，合成可在罗兰C全周期内产生所需的激励电压，图7所示是发射天线网络Q值55时，罗兰C辐射电流和所需激励电压波形。

图7 罗兰C 激励电压与辐射电流

2 主要性能分析与仿真

2.1 发射机输出电压及波形

上一节构建了发射机等效模型，并给出了特定网络参数下的激励电压与辐射电流波形，实际发射机可能需要匹配不同发射天线，使用场景变化而输出不同功率。图2所示罗兰C 电流产生的简要原理图中，根据基尔霍夫定律[4]，电路的非齐次线性二阶微分方程为：

令us(t)=us，电路激励响应下的非齐次线性二阶微分方程为：

其全响应为由对应齐次微分方程的通解与微分方程的特解之和组成：

电路的固有频率为：

标准罗兰C电流波形对前沿阶段每一个载频的脉冲幅度有着严格的要求，如图8所示为电路欠阻尼和临界阻尼下电流波形，由图可知只有当式（6）的电路欠阻尼时，才能满足电流包络前沿规律。

图8 电路欠阻尼和临界阻尼下电流波形

当发射天线网络参数满足欠阻尼条件，对于不同电路Q值，激励电压波形包络也不相同，取辐射电阻为1 Ω，图9所示的为不同电路Q值下的激励电压波形包络。

电路Q值越高，产生相同辐射电流所需的激励电压越高，当Q值等于1 时，辐射电流和激励电压波形包络一致。考虑到实际发射天线的带宽和选择性，罗兰C 发射天线网络的Q值一般设计在20～50 之间。

2.2 后沿能量回收

发射机输出峰值功率[5]为：

式中，Ipeak为发射天线端峰值电流，Rtotal为发射天线总电阻。标准罗兰C 电流波形在峰值点后开始震荡衰减，以保证后沿阶段波形特性，一般在500 μs后，i(t)≤0.0014B，B为Ipeak峰值电流。

图10所示为后沿阶段有无能量回收或者损耗情况下的电流波形。可以看出无能量回收或者损耗情况下，电流波形后沿衰减缓慢，它的地波和天波后沿会干扰后一脉冲的前沿。

图10 有无能量回收情况下的电流波形

传统罗兰C发射机通过在峰值电流时刻接通对地电阻，将天线网络中存储的能量进行功率损耗使波形后沿达到标准要求，无源电阻损耗降低了发射机整机效率。基于全周期电压合成的罗兰C 发射机采用有源能量回收方式，通过场效应管自带的反向二极管，将天线网络中存储的能量整流至前端的储能电容中，实现后沿能量回收，原理如图11所示，网络中的能量通过管Q1和管Q3及管Q2和管Q4自带的反向二极管整流至电容C 中。

图11 能量回收原理

图12分析了天线网络电路Q值分别为30、55和120 时，没有能量回收的效率值：

式中，ES为罗兰C 脉冲前沿阶段流向天线的能量；ER为罗兰C 脉冲后沿阶段流向发射机的能量。

能量回收效率如图12所示，其中ES表示波形过零点前阶段的能量，ER表示波形过零点后阶段的能量，分别对波形过零点前后进行积分求和：

图12 能量回收效率

即传统发射机在Q值30 时，理论最大发射效率为78%，且随着Q值越高，发射效率越低。全周期电压合成的罗兰C发射机理论发射效率为100%，不随Q值变化而变化。

3 结论

本文构建了一种全周期电压合成的罗兰C发射机模型，在源端采用激励电压冲击后端天线网络，能够输出标准罗兰电流波形。主要分析了不同发射天线参数下激励电压包络波形的特点，以及罗兰C电流包络前沿对发射天线网络电路的要求；对比分析了两种发射机后沿能量的处理方式，给出了没有能量回收的最大效率值。为罗兰C 发射机的技术发展、使用功能及运用领域拓展提供了思路。