一種直升機載雷達發射機控制檢測電路的設計

李 郁，鄭士德

（西安電子工程研究所 陜西 西安 710100）

雷達發射機是雷達系統的重要組成部分[1]，為雷達系統提供大功率射頻信號，它的穩定性對雷達系統至關重要。發射機控制檢測電路既要控制發射機按照既定程序運行，又要實時檢測發射機的工作狀態，及時檢測發射機異常并實時上報，以便維護人員判斷異常來源，及時處理，防止發射機在不正常狀態下工作，損壞發射機及雷達其他分系統[2]。

本文主要討論用于直升機載雷達系統的發射機控制檢測電路。由于直升機載雷達發射機空間有限，所以對體積和重量要求苛刻，且工作環境惡劣，相應的控制檢測電路就要有嚴格的體積、重量和可靠性要求。首先需要對故障進行篩選，在嚴格保證發射機正常工作的情況下，盡量減少故障檢測點的數量，這樣不但保證了體積重量符合要求，同時也提高了故障檢測電路本身的可靠性。其次還要解決防震、通風和散熱等問題。

1 引起發射機故障的因素及解決辦法

對于發射機來說，行波管是其關鍵器件，對它進行有效的檢測保護和有效控制可以提高行波管使用壽命及發射機的可靠性[3]。

直升機載雷達發射機控制檢測單元設置5個故障檢測，它們關系到雷達發射機的安全，所以這些故障發生時要及時采取相應的措施。

1）陰極電壓過壓

發射機的大功率柵控行波管的陰極工作電壓有一定的范圍，當高壓電源提供的電壓超過行波管的額定電壓時，就會引起行波管管內打火。如果行波管與低內阻的電源相連，就會有巨大的電流通過行波管，損壞電子槍，此時就要通過控制電路及時關閉高壓電源供電，保護行波管。

2）陰極電壓欠壓

同理，當高壓電源供電低于行波管的額定工作電壓，行波管就沒有工作在工作點上，行波管將出現振蕩，電壓振蕩電流也隨之增強，如果行波管振蕩能量達到一定值，必然會損壞行波管，導致行波管無法正常工作，此時就要立刻關閉高壓電源供電。一般最大降低電壓不能大于陰極額定電壓的百分之五。

3）管體過流

過大的管體電流非常危險，這時相當一部分電子注功率消耗在射頻結構上，微波功率管的管體電流通過管子的高頻結構，過大的管體電流將燒壞管子的高頻結構，會造成行波管損壞，所以要保證當管體電流超過安全值時及時關機。

4）柵極偏壓故障

控制柵極是用來控制電子注的通斷或調整電子注電流與電子注電壓之間的關系的。當柵極偏壓發生故障時，造成管子以連續波工作，過大的收集極電流會燒壞收集極，而過大的管體電流會燒壞管子射頻結構。柵極偏壓電源浮在高壓上，檢測電路將檢測結果通過光纜傳送到故障處理電路，保證當柵極偏壓故障時發射機能夠停止工作，以保護發射機。

5）溫度故障

微波功率管都有一定的工作溫度范圍，當調制脈沖的占空比過高及環境溫度超出正常工作范圍時，會導致發射機不能正常工作，甚至損壞發射機。所以需對發射機工作時的溫度進行實時監測，保證在工作溫度超過正常范圍時，及時關機，確保發射機的安全工作。

2 發射機控檢電路接口關系和工作時序

發射機控制檢測電路和總站有著密切的關系，總站控制發射機的命令要首先通過收發單元送給控制檢測單元，再由控制檢測單元把這些命令經過邏輯編碼后送給發射機，使其按時序正常工作。控制檢測單元與發射機息息相關，發射機有故障了要通過控制檢測單元來控制邏輯，并將故障上報給總站，發射機無故障時也要通過控制檢測單元把工作狀態上報給總站[4]。發射機控制檢測單元的接口關系圖如圖1所示。

圖1 發射機控制檢測單元的接口關系圖Fig.1 Port relation of control&test circuit

發射機工作有嚴格的時序要求，如果不按其時序要求發射機將無法工作甚至造成嚴重的后果。發射機工作的時序：由檢測單元檢測發射機有無故障，若有故障則停止工作，若無故障，再根據總站的命令開始按時序工作，具體的時序邏輯由控制單元的可編程器件完成。因為可編程器件編程方便靈活[5]，而且能夠多次更改，能根據具體要求實現開/關機邏輯，簡單易行，相對于傳統電路，優勢明顯。發射機工作時序如圖2所示。

圖2 發射機工作時序Fig.2 Time sequence of transmitter

以上的控制邏輯通過大規模可編程器件來實現[6]。可編程器件的使用給電路的設計帶來了很大的靈活性，不僅能靈活的實現多種邏輯功能，而且由于管腳定義的靈活性和可重復編程的性能，使得電路的規模和設計難度大大降低，從而減少了芯片的數量，縮小了電路的體積和重量，降低了電路的能耗，降低電路的故障率。

3 發射機控制檢測電路的構成和功能

發射機控制檢測電路主要由控制電路和檢測電路兩大部分組成[7]。

3.1 檢測電路

檢測電路的主要功能是檢測得到的故障信息交給控制電路參與邏輯，它主要包括前端信號檢測電路、故障判斷電路和光電隔離電路。由前端信號檢測電路采集各檢測點信號，送到故障判斷電路，經故障判斷電路判斷后將判斷結果送到光電隔離電路，光電隔離電路主要是為了將發射機部分與后面的邏輯控制部分隔離開來，更好地保證邏輯控制電路不受前端高壓的影響，提高控制電路本身的可靠性。從光電隔離電路得到的故障信號就可以送到控制電路參與邏輯。

3.2 控制電路

控制電路的主要功能是根據總站命令及發射機的具體情況，由檢測電路送來的有無故障的信息來控制發射機工作。它主要由邏輯控制電路、故障上報電路和狀態上報電路構成。邏輯控制電路主要是由可編程邏輯器件組成。如果發射機無故障，邏輯控制電路要產生嚴格按時序要求的命令送給發射機使其工作，同時把發射機的工作狀態上報給總站，如果發射機有故障，無法正常工作，邏輯控制電路要及時產生停止工作的命令給發射機，并控制發射機按時序正確關機，同時把故障狀態和發射機狀態上報給總站。發射機控制檢測電路框圖如圖3所示。

圖3 發射機控制檢測電路框圖Fig.3 Control&test circuit of transmitter

4 提高發射機控制檢測電路的可靠性

柵控行波管發射機具有高電壓，大電流，強磁場等特點，發射機控制檢測電路是保證發射機可靠性的電路，所以它本身的可靠性就顯得格外重要。發射機控制檢測電路的可靠性既取決于發射機控制檢測電路自身電路的可靠性，很大程度上也取決于它不受外圍其他電路影響的能力。

4.1 發射機控制檢測電路自身電路可靠性的提高

首先，使用了比較成熟的故障檢測電路，并且使得檢測點的數量和性質滿足設計需要，不設定不必要的檢測點，降低故障率；

其次，使用可編程器件，其靈活的特性也提高了故障檢測電路的可靠性以及可維修性。

4.2 減少外圍電路的影響

首先，在檢測電路中增加光電隔離器件，使檢測點和后面的邏輯控制部分光電隔離，這樣就保證了發射機控制電路不受發射機的影響。

其次，考慮到當發射機出現打火或其他特殊狀況時，控制檢測電路如果沒有采取措施就往往難以幸免，分析后發現這種情況的存在是因為發射機控制檢測電路的地與發射機部分的地沒有分開，當打火或其他不正常的狀態發生時，發射機部分的地上會有較大的噪聲，這些噪聲串到發射機控制檢測電路，會使一些器件損壞，造成電路工作不正常。采取的措施就是把發射機控制檢測電路的數字地和模擬地分開[8]。

5 解決機載雷達發射機控檢電路的防振通風

發射機控制檢測電路的防振通風性能直接影響其電特性[9]，尤其作為直升機載雷達發射機，更要重點考慮防震通風問題，思路是既不增加電路和結構件，又能解決實際問題。考慮在母板上打一定數量有規則的通孔，發射機控制檢測電路與發射機其他部分的連接采取直接連線的方式，然后再將線束用線卡通過母板上的通孔固定在母板上，這樣就解決了各部分連接不可靠的問題，起到了防振動的作用，同時母板上的通孔還有使空氣流通并散熱的功能。

在設計過程中還要考慮電磁兼容的問題，電磁兼容性問題應重點在機柜、組合內部電纜及機柜內的布線方面加強電磁屏蔽防護設計。首先，在布局時將高電位部分和低電位部分分開，大電流的導線和其他線纜分開，最好采用屏蔽套將大電流導線隔離，比如連接高壓電源變換單元和整流濾波單元的大電流線，不要將大電流的導線和脈沖傳輸線綁扎在一起。其次，將數字地、模擬地分開，數字電路和模擬電路分開，檢測電路和控制電路用光耦隔離，發射機和總站采用差分通訊，從而把發射機其他部分進行了徹底隔離。最后，在設計電路的時候，多選用抗干擾的電路。該加的濾波電容要加上，尤其在調制脈沖的通道上做好濾波，防止噪聲觸發調制器。調制脈沖應采用屏蔽線[10]。

6 結束語

發射機中的柵控行波管是十分昂貴的器件，發射機的可靠工作在整個雷達中就顯得非常重要，直升機載雷達對于我們是一個新課題，其控制檢測電路的性能需要我們在實際工作中不斷完善，以滿足現代雷達性能不斷提高的要求。

[1]丁鷺飛.雷達原理[M].西安：西北電訊工程學院出版社，1984.

[2]杰里L伊伏斯.現代雷達原理[M].卓榮邦譯.北京：北京電子工業出版社，1991.

[3]《雷達技術》編寫組.雷達發射機[M].上海：上海科學技術出版社，1988.

[4]王震耀.雷達發射設備[M].北京：電子工業出版社，1998.

[5]鄭燕，赫建國.基于VHDL與QuartusII軟件的可編程邏輯器件應用于開發[M].北京：國防工業出版社，2011.

[6]孫延鵬.VHDL與可編程邏輯器件應用[M].北京：航空工業出版社，2006.

[7]強伯涵，魏智.現代雷達發射機的理論設計和實踐[M].北京:國防工業出版社，2001.

[8]陳窮.電磁兼容性工程設計手冊[M].北京:國防工業出版社，1993.

[9]陳淑鳳，馬蔚宇，馬曉慶.電磁兼容設計[M].北京:北京郵電大學出版社，2001.

[10]邱成悌，蔣全興.電子設備結構設計原理[M].南京:東南大學出版社，2001.