柵控行波管雷達(dá)發(fā)射機(jī)的控制與保護(hù)

摘 要:隨著大功率發(fā)射機(jī)技術(shù)的發(fā)展,要求發(fā)射機(jī)的控制和保護(hù)電路更加完善、可靠。為了解決這一問(wèn)題,采用模塊化設(shè)計(jì)思路,同時(shí)引入可編程器件技術(shù)及光電隔離技術(shù),從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、可靠性和可維護(hù)性。該控制與保護(hù)系統(tǒng)完全能滿(mǎn)足某雷達(dá)的實(shí)際需求。

關(guān)鍵詞:雷達(dá)發(fā)射機(jī);控制和保護(hù);可編程器件;光電隔離;電流互感器

中圖分類(lèi)號(hào):TP368.1;TP274

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

脈沖行波管雷達(dá)發(fā)射機(jī)集大功率、高頻率、高電壓和高增益于一體,在工作過(guò)程中易發(fā)生打火或擊穿、自激、串?dāng)_等故障現(xiàn)象,因此發(fā)射機(jī)是雷達(dá)中可靠性最低的系統(tǒng)。發(fā)射機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著發(fā)射機(jī)工作狀態(tài)和技術(shù)參數(shù)的監(jiān)視、調(diào)節(jié)、控制和保護(hù)等任務(wù)。為提高可靠性除對(duì)電路拓?fù)?、元器件選擇、參數(shù)設(shè)置、電磁兼容、熱設(shè)計(jì)等要慎重考慮外,還必須確保發(fā)射機(jī)監(jiān)控電路自身工作的絕對(duì)準(zhǔn)確和可靠。

1 系統(tǒng)監(jiān)控

發(fā)射機(jī)系統(tǒng)監(jiān)控的主要任務(wù)是完成對(duì)發(fā)射機(jī)的開(kāi)、關(guān)機(jī)控制,工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)與指示,故障判定與隔離,并實(shí)現(xiàn)與雷達(dá)主控臺(tái)的通信。該系統(tǒng)采用PC/104總線(xiàn)工控機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)監(jiān)控電路。其構(gòu)成原理框圖如圖1所示。

監(jiān)控單元以PC/104為控制核心,為模塊化結(jié)構(gòu)。PC/104主板由PC/104和CPLD組成,通信接口由此板引出,同時(shí)將ISA(Industry Standard Architecture)總線(xiàn)引到背板上。輸入板由CPLD,A/D和光電耦合器組成,負(fù)責(zé)采集全機(jī)的狀態(tài)和故障信號(hào),經(jīng)過(guò)接口電路傳送至ISA總線(xiàn),由PC/104工控機(jī)讀取并處理。同時(shí),輸入板上留有快速保護(hù)通道,用于處理需響應(yīng)速度很快的故障保護(hù)信息。輸出板由CPLD、光電耦合器和驅(qū)動(dòng)器組成,將總線(xiàn)或輸入板中,快速保護(hù)通道送來(lái)的控制信號(hào)經(jīng)隔離驅(qū)動(dòng)送到發(fā)射機(jī)的各個(gè)部分。同時(shí)在發(fā)射系統(tǒng)單獨(dú)調(diào)試時(shí)產(chǎn)生發(fā)射機(jī)所需的觸發(fā)脈沖信號(hào)。顯示器采用EL屏,主要用來(lái)顯示發(fā)射機(jī)各項(xiàng)參數(shù)及故障原因。觸摸屏與EL屏組成人機(jī)交互界面。

雷達(dá)系統(tǒng)上電后,監(jiān)控系統(tǒng)首先對(duì)內(nèi)部器件進(jìn)行初始化自檢,確保系統(tǒng)本身工作正常,然后對(duì)雷達(dá)發(fā)射機(jī)的各分機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。有本地與遙控兩種工作方式。當(dāng)遙控工作時(shí),除接收雷達(dá)操控臺(tái)控制指令,并發(fā)送發(fā)射機(jī)的各種參數(shù)外,其他與本地工作方式相同。

本地工作時(shí),雷達(dá)發(fā)射機(jī)開(kāi)、關(guān)機(jī)單步操作過(guò)程如下:

(1) 加冷卻、鈦泵電源;

(2) 加負(fù)偏壓和燈絲電壓,預(yù)熱5 min,各種參數(shù)正常后;

(3) 高壓軟啟動(dòng);

(4) 當(dāng)高壓加至工作點(diǎn)后自動(dòng)加調(diào)制脈沖;

(5) 加射頻激勵(lì)。

關(guān)機(jī)時(shí)則應(yīng)注意:由于燈絲的溫度下降較慢,故在斷燈絲電壓之后負(fù)偏壓仍應(yīng)保留幾分鐘,以免對(duì)柵極造成損傷。關(guān)機(jī)步驟為:

(1)關(guān)激勵(lì);

(2) 關(guān)調(diào)制和高壓;

(3) 關(guān)燈絲電源;

(4) 關(guān)負(fù)偏壓電源;

(5) 關(guān)冷卻和鈦泵電源。

實(shí)時(shí)檢測(cè)、判斷、顯示雷達(dá)發(fā)射機(jī)各傳感器送來(lái)的數(shù)據(jù)信息,如管體電壓、管體電流、柵負(fù)壓、調(diào)制器電流、收集極電流、燈絲電流、鈦泵電流。當(dāng)發(fā)生故障時(shí),首先切斷發(fā)射機(jī)的觸發(fā)脈沖和高壓,后將故障信息傳出指示,保留相關(guān)故障數(shù)據(jù),便于事后故障分析處理。

2 關(guān)鍵參數(shù)控制與保護(hù)

在對(duì)發(fā)射機(jī)工作參數(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí),需要同時(shí)采集多路信號(hào),再通過(guò)一定的算法來(lái)判定行波管的工作情況。在這個(gè)過(guò)程中,多路信號(hào)同時(shí)采樣,對(duì)發(fā)射機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的判定準(zhǔn)確性有著很重要的意義。

輸入板用于發(fā)射機(jī)重要參數(shù)的測(cè)試。由于發(fā)射機(jī)的強(qiáng)電磁干擾環(huán)境,每路信號(hào)的參考電位會(huì)有差異,造成測(cè)試的不準(zhǔn)確,信號(hào)的采集用電流互感器,信號(hào)的隔離采用雙光耦的辦法(信號(hào)發(fā)送端有一光耦,接收端有一光耦,發(fā)送端接地),這樣可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。發(fā)射機(jī)主要參數(shù)采集示意圖如圖2所示。

由電流互感器采集來(lái)的信號(hào)直接送至輸入板進(jìn)行處理。輸出板輸出的小信號(hào)送至控保板進(jìn)行開(kāi)、關(guān)機(jī)等控制。故障發(fā)生時(shí),先通過(guò)封鎖使能信號(hào)(激活信號(hào)),再切斷供電的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)快速保護(hù)。

2.1 加高壓條件

下列條件均滿(mǎn)足時(shí),可以加高壓。當(dāng)任何一個(gè)不滿(mǎn)足時(shí),必須切斷發(fā)射機(jī)的所有電源。

(1) 燈絲電流。

當(dāng)行波管工作時(shí),若燈絲電流欠流,則易造成管內(nèi)打火;若燈絲過(guò)流,則易使陰極壽命縮短;所以燈絲電流檢測(cè)保護(hù)很重要,穩(wěn)態(tài)時(shí),燈絲電流不變,其電壓和陰極溫度也保持不變。因此只需測(cè)試燈絲電流即可。設(shè)計(jì)中燈絲電源采用恒流直流燈絲電源,由于該電路是浮動(dòng)在行波管陰極高壓上的,故必須用與高電位隔離的電流互感器進(jìn)行采樣,同時(shí)應(yīng)多注意保護(hù)。通常其調(diào)整范圍為額定值的±5%。另外,考慮到對(duì)現(xiàn)代雷達(dá)的工作需求,很多情況下要求雷達(dá)靜默,直到到達(dá)作戰(zhàn)地點(diǎn)后迅速發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。應(yīng)該在操控臺(tái)上加一個(gè)預(yù)熱按鍵,這樣既延長(zhǎng)了燈絲壽命,也避免了陰極長(zhǎng)時(shí)間烘烤造成雜散材料的吸附而影響發(fā)射能力。

(2) 負(fù)偏置電壓。

行波管工作時(shí),在脈沖間隙期間,控制極必須回復(fù)到負(fù)偏壓截止?fàn)顟B(tài),否則過(guò)多的電子注的能量會(huì)積聚在收集極以外的管子其他部分而使管子損壞,因此應(yīng)設(shè)置負(fù)偏壓保護(hù)電路。通常其調(diào)整范圍為額定值的±10%。

當(dāng)負(fù)偏壓電源發(fā)生故障或控制極調(diào)制器開(kāi)啟管擊穿或其激勵(lì)器發(fā)生故障而使控制極不能回復(fù)到負(fù)偏壓截止?fàn)顟B(tài)時(shí),保護(hù)信號(hào)通過(guò)輸入板的快速保護(hù)通道到達(dá)輸出板,從而迅速切斷觸發(fā)脈沖和高壓。

(3) 鈦泵電源。

行波管的鈦泵由專(zhuān)用電源供電,主要起吸收氣體,保持管內(nèi)良好真空狀態(tài)的作用。一般通過(guò)測(cè)試鈦泵電流的大小來(lái)判斷行波管真空度指標(biāo)。在正常情況下,真空度良好的行波管,其鈦泵電流不大于10 μA,鈦泵過(guò)載保護(hù)門(mén)限設(shè)在20~25 μA。鈦泵電源輸出電壓一般為3~5 kV,故只進(jìn)行欠壓保護(hù)。

(4) 冷卻系統(tǒng)。

冷卻系統(tǒng)的工作狀態(tài)必須進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)的內(nèi)容包括風(fēng)機(jī)電流、風(fēng)量或行波管收集極的溫度。風(fēng)機(jī)電流不能超過(guò)額定值的±20%。溫度檢測(cè)比較簡(jiǎn)單,通常采用溫度繼電器(溫度傳感器)測(cè)試風(fēng)機(jī)出風(fēng)口的溫度即可。當(dāng)溫度超過(guò)某一危險(xiǎn)值(65 ℃)時(shí),節(jié)點(diǎn)閉合傳出故障信號(hào)

(5) 預(yù)熱時(shí)間。

行波管的燈絲電源通常預(yù)熱時(shí)間不少于5 min。

2.2 加高壓后,正常工作條件

發(fā)送加高壓指令后或按下“加高壓”鍵后,管體電壓從0緩慢升到額定值。發(fā)射機(jī)工作正常后,當(dāng)任何條件中一個(gè)不滿(mǎn)足時(shí),應(yīng)在100 ms內(nèi)切斷觸發(fā)脈沖、高壓電源輸入和正偏置電源輸入,時(shí)間越短越好。

(1) 觸發(fā)脈沖。

當(dāng)雷達(dá)發(fā)射機(jī)工作過(guò)程中突然出現(xiàn)無(wú)觸發(fā)、漏脈沖時(shí),易造成高壓過(guò)壓。因此輸入板上CPLD中的一個(gè)功能是對(duì)雷達(dá)總體傳送來(lái)的同步觸發(fā)脈沖信號(hào)進(jìn)行過(guò)脈沖寬度和過(guò)工作比檢查。如果脈沖寬度或工作比超限,則立即切斷觸發(fā)脈沖輸出信號(hào),以保護(hù)行波管的安全。

(2) 正偏置電壓。

行波管工作偏離最佳激勵(lì)太多時(shí)會(huì)造成工作不穩(wěn)定,因此設(shè)置過(guò)、欠激勵(lì)保護(hù),調(diào)整范圍為額定值的±10%。由于正、負(fù)偏置電源都浮在陰極高電位上,因此取樣信號(hào)必須通過(guò)一種線(xiàn)性光纖傳感器進(jìn)行高壓隔離,并將電壓信號(hào)傳送至低壓端放大,后發(fā)送至輸入板。

(3) 管體電壓。

管體電壓過(guò)壓易造成行波管打火,欠壓則造成電子注的通過(guò)率低,管體過(guò)流而引起損壞。因此應(yīng)設(shè)置高壓過(guò)壓、欠壓保護(hù),電壓調(diào)整范圍為額定值的±10%。

由于真空管的工作特性,打火是不可避免的。當(dāng)柵控行波管通過(guò)的能量超過(guò)30 J時(shí),通常會(huì)造成管子損壞。當(dāng)高壓為20 kV,儲(chǔ)能電容為1 μF時(shí),其儲(chǔ)能已達(dá)200 J。在中小功率管子中,通常在陰極引線(xiàn)中串入一個(gè)限流電阻便可起到保護(hù)作用(電阻值在100 Ω以下) 。

(4) 收集極電流和管體電流。

對(duì)于行波管,電子注總流一部分流向管體,一部分流向收集極,如由于散焦等原因引起的管體過(guò)流現(xiàn)象,而管體耐功率能力有限,過(guò)流會(huì)損壞管子,因此對(duì)管體電流和收集極電流有必要進(jìn)行分別檢測(cè)。同時(shí)可根據(jù)行波管電子注的通過(guò)率檢測(cè)出行波管是否工作在最佳狀態(tài)。

3 結(jié) 語(yǔ)

發(fā)射機(jī)的控制和保護(hù)設(shè)計(jì)是以PC/104 工控機(jī)和大規(guī)?？删幊唐骷﨏PLD 為核心、軟硬件相結(jié)合。隨著產(chǎn)品研制和新技術(shù)的發(fā)展,控制和保護(hù)電路逐步集成[LL]化,減少了元件的數(shù)量,簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)計(jì)算,使發(fā)射機(jī)的控保電路可靠性大大提高。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介 郭高峰 1974年出生,陜西乾縣人,工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)通信。