柵控行波管雷達發射機的控制與保護

摘 要:隨著大功率發射機技術的發展,要求發射機的控制和保護電路更加完善、可靠。為了解決這一問題,采用模塊化設計思路,同時引入可編程器件技術及光電隔離技術,從而提高了整個系統的可擴展性、可靠性和可維護性。該控制與保護系統完全能滿足某雷達的實際需求。

關鍵詞:雷達發射機;控制和保護;可編程器件;光電隔離;電流互感器

中圖分類號:TP368.1;TP274

文獻標識碼:A

脈沖行波管雷達發射機集大功率、高頻率、高電壓和高增益于一體,在工作過程中易發生打火或擊穿、自激、串擾等故障現象,因此發射機是雷達中可靠性最低的系統。發射機監控系統擔負著發射機工作狀態和技術參數的監視、調節、控制和保護等任務。為提高可靠性除對電路拓撲、元器件選擇、參數設置、電磁兼容、熱設計等要慎重考慮外,還必須確保發射機監控電路自身工作的絕對準確和可靠。

1 系統監控

發射機系統監控的主要任務是完成對發射機的開、關機控制,工作狀態監測與指示,故障判定與隔離,并實現與雷達主控臺的通信。該系統采用PC/104總線工控機來設計監控電路。其構成原理框圖如圖1所示。

監控單元以PC/104為控制核心,為模塊化結構。PC/104主板由PC/104和CPLD組成,通信接口由此板引出,同時將ISA(Industry Standard Architecture)總線引到背板上。輸入板由CPLD,A/D和光電耦合器組成,負責采集全機的狀態和故障信號,經過接口電路傳送至ISA總線,由PC/104工控機讀取并處理。同時,輸入板上留有快速保護通道,用于處理需響應速度很快的故障保護信息。輸出板由CPLD、光電耦合器和驅動器組成,將總線或輸入板中,快速保護通道送來的控制信號經隔離驅動送到發射機的各個部分。同時在發射系統單獨調試時產生發射機所需的觸發脈沖信號。顯示器采用EL屏,主要用來顯示發射機各項參數及故障原因。觸摸屏與EL屏組成人機交互界面。

雷達系統上電后,監控系統首先對內部器件進行初始化自檢,確保系統本身工作正常,然后對雷達發射機的各分機進行檢測。有本地與遙控兩種工作方式。當遙控工作時,除接收雷達操控臺控制指令,并發送發射機的各種參數外,其他與本地工作方式相同。

本地工作時,雷達發射機開、關機單步操作過程如下:

(1) 加冷卻、鈦泵電源;

(2) 加負偏壓和燈絲電壓,預熱5 min,各種參數正常后;

(3) 高壓軟啟動;

(4) 當高壓加至工作點后自動加調制脈沖;

(5) 加射頻激勵。

關機時則應注意:由于燈絲的溫度下降較慢,故在斷燈絲電壓之后負偏壓仍應保留幾分鐘,以免對柵極造成損傷。關機步驟為:

(1)關激勵;

(2) 關調制和高壓;

(3) 關燈絲電源;

(4) 關負偏壓電源;

(5) 關冷卻和鈦泵電源。

實時檢測、判斷、顯示雷達發射機各傳感器送來的數據信息,如管體電壓、管體電流、柵負壓、調制器電流、收集極電流、燈絲電流、鈦泵電流。當發生故障時,首先切斷發射機的觸發脈沖和高壓,后將故障信息傳出指示,保留相關故障數據,便于事后故障分析處理。

2 關鍵參數控制與保護

在對發射機工作參數進行測量時,需要同時采集多路信號,再通過一定的算法來判定行波管的工作情況。在這個過程中,多路信號同時采樣,對發射機監控系統的判定準確性有著很重要的意義。

輸入板用于發射機重要參數的測試。由于發射機的強電磁干擾環境,每路信號的參考電位會有差異,造成測試的不準確,信號的采集用電流互感器,信號的隔離采用雙光耦的辦法(信號發送端有一光耦,接收端有一光耦,發送端接地),這樣可以很好地解決這個問題。發射機主要參數采集示意圖如圖2所示。

由電流互感器采集來的信號直接送至輸入板進行處理。輸出板輸出的小信號送至控保板進行開、關機等控制。故障發生時,先通過封鎖使能信號(激活信號),再切斷供電的方法來實現快速保護。

2.1 加高壓條件

下列條件均滿足時,可以加高壓。當任何一個不滿足時,必須切斷發射機的所有電源。

(1) 燈絲電流。

當行波管工作時,若燈絲電流欠流,則易造成管內打火;若燈絲過流,則易使陰極壽命縮短;所以燈絲電流檢測保護很重要,穩態時,燈絲電流不變,其電壓和陰極溫度也保持不變。因此只需測試燈絲電流即可。設計中燈絲電源采用恒流直流燈絲電源,由于該電路是浮動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行采樣,同時應多注意保護。通常其調整范圍為額定值的±5%。另外,考慮到對現代雷達的工作需求,很多情況下要求雷達靜默,直到到達作戰地點后迅速發現目標。應該在操控臺上加一個預熱按鍵,這樣既延長了燈絲壽命,也避免了陰極長時間烘烤造成雜散材料的吸附而影響發射能力。

(2) 負偏置電壓。

行波管工作時,在脈沖間隙期間,控制極必須回復到負偏壓截止狀態,否則過多的電子注的能量會積聚在收集極以外的管子其他部分而使管子損壞,因此應設置負偏壓保護電路。通常其調整范圍為額定值的±10%。

當負偏壓電源發生故障或控制極調制器開啟管擊穿或其激勵器發生故障而使控制極不能回復到負偏壓截止狀態時,保護信號通過輸入板的快速保護通道到達輸出板,從而迅速切斷觸發脈沖和高壓。

(3) 鈦泵電源。

行波管的鈦泵由專用電源供電,主要起吸收氣體,保持管內良好真空狀態的作用。一般通過測試鈦泵電流的大小來判斷行波管真空度指標。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,鈦泵過載保護門限設在20~25 μA。鈦泵電源輸出電壓一般為3~5 kV,故只進行欠壓保護。

(4) 冷卻系統。

冷卻系統的工作狀態必須進行檢測。檢測的內容包括風機電流、風量或行波管收集極的溫度。風機電流不能超過額定值的±20%。溫度檢測比較簡單,通常采用溫度繼電器(溫度傳感器)測試風機出風口的溫度即可。當溫度超過某一危險值(65 ℃)時,節點閉合傳出故障信號

(5) 預熱時間。

行波管的燈絲電源通常預熱時間不少于5 min。

2.2 加高壓后,正常工作條件

發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。發射機工作正常后,當任何條件中一個不滿足時,應在100 ms內切斷觸發脈沖、高壓電源輸入和正偏置電源輸入,時間越短越好。

(1) 觸發脈沖。

當雷達發射機工作過程中突然出現無觸發、漏脈沖時,易造成高壓過壓。因此輸入板上CPLD中的一個功能是對雷達總體傳送來的同步觸發脈沖信號進行過脈沖寬度和過工作比檢查。如果脈沖寬度或工作比超限,則立即切斷觸發脈沖輸出信號,以保護行波管的安全。

(2) 正偏置電壓。

行波管工作偏離最佳激勵太多時會造成工作不穩定,因此設置過、欠激勵保護,調整范圍為額定值的±10%。由于正、負偏置電源都浮在陰極高電位上,因此取樣信號必須通過一種線性光纖傳感器進行高壓隔離,并將電壓信號傳送至低壓端放大,后發送至輸入板。

(3) 管體電壓。

管體電壓過壓易造成行波管打火,欠壓則造成電子注的通過率低,管體過流而引起損壞。因此應設置高壓過壓、欠壓保護,電壓調整范圍為額定值的±10%。

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

(4) 收集極電流和管體電流。

對于行波管,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流現象,而管體耐功率能力有限,過流會損壞管子,因此對管體電流和收集極電流有必要進行分別檢測。同時可根據行波管電子注的通過率檢測出行波管是否工作在最佳狀態。

3 結 語

發射機的控制和保護設計是以PC/104 工控機和大規?？删幊唐骷﨏PLD 為核心、軟硬件相結合。隨著產品研制和新技術的發展,控制和保護電路逐步集成[LL]化,減少了元件的數量,簡化了設計計算,使發射機的控保電路可靠性大大提高。

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作者簡介 郭高峰 1974年出生,陜西乾縣人,工程師。研究方向為雷達通信。