雷達發射機的行波管保護設計

張 登

（船舶重工集團公司723所，揚州 225001）

0 引 言

行波管具有峰值功率高、瞬時帶寬寬、增益高、噪聲低等特點，在當代雷達發射機中得到了廣泛的應用。行波管是發射機的核心器件，它能否可靠穩定地工作直接關系到發射機乃至整個雷達系統的性能［1］。

柵控行波管所需的電源較多，且各電源有著嚴格的加電順序［2］。在發射機的設計中，應設計合理的控制電路，保證柵控行波管的加電順序，即首先加鈦泵電壓、柵極負偏壓、燈絲電壓，達額定的預熱時間后加高壓，最后加柵極調制脈沖；關電順序相反。

此外，還應充分考慮行波管的保護電路。對行波管的保護有多種情況：（1）加低壓電后，檢測相關參數，若有異常，應送出故障信號，并采取必要的措施；（2）加高壓前檢測各極電壓和電流是否正常，若有異常，應及時送出故障信號，確保高壓不會啟動；（3）加高壓、脈沖后，若行波管各極電源電壓（電流）出現故障，或行波管自身出現打火、過流等問題時，應在第一時間切斷調制脈沖和高壓。

本文以柵控行波管為例，分別從行波管各極工作電流和工作電壓2個方面介紹了發射機行波管的保護措施，分析了保護措施的重要性，并介紹了保護電路的實現方法。

1 行波管工作電流的故障檢測與保護

1.1 燈絲電流的檢測與保護

行波管的燈絲是有壽命的，因此要避免燈絲受到較大的電流沖擊；燈絲是確保行波管陰極工作溫度的重要部件，過高的燈絲電流也會縮短行波管陰極的壽命。因此在燈絲電壓啟動時，必須對其采取限流措施，穩態后也要實時檢測，以便出現故障時采取及時、有效的保護措施，避免行波管因長期工作在高燈絲電流狀態而受到損傷。

對于行波管燈絲，既要求燈絲浪涌電流不超過額定負載電流的1.5倍，又要保證規定時間內預熱效果最佳。所以燈絲電源通常先以額定電流的1.5倍恒流啟動，當燈絲進入熱態后，燈絲電源再進入穩壓狀態。下面以直流燈絲為例，介紹2種應用廣泛的燈絲電流檢測方法。

1.1.1 電流互感器取樣法

將電流互感器的初級串聯在開關電源主變壓器次級回路中，取樣電路將互感器檢測到的電流信號轉換成電壓信號，送至開關電源控制芯片的誤差放大器，通過控制電路起到恒流作用［3］；同時再用比較器進行比較判斷，當取樣值超過相應的門限電壓時，判為故障，如圖1所示。

圖1 電流互感器取樣法

1.1.2 電阻取樣比較法

在電流回路中串聯電流取樣電阻，阻值盡量小，以減小電阻上的功率損耗，再使用運放對取樣信號進行放大后，送至開關電源控制芯片的誤差放大器，通過控制電路起到恒流作用；同時與相應的門限電壓進行比較，判斷燈絲電流是否過流。電阻取樣比較法如圖2所示。該方法具有電路簡單、響應快等優點，應用廣泛［2］。

圖2 電阻取樣比較法

1.2 管體電流的檢測與保護

對于行波管，加高壓、脈沖工作時，電子注中絕大部分參與射頻能量交換后被收集極俘獲，但由于電子能量交換的效率、相速變化等原因，在調制脈沖開通和關斷瞬間，會產生散焦現象，很小一部分電子流向管體形成管體電流（慢波線電流）。而管體耐功率能力有限，流向管體的電流過大，會對行波管造成傷害。管體過流保護是行波管保護電路中最基本也是最重要的保護，其基本原理是當行波管管體電流超過預設值時，立刻切斷調制脈沖和高壓。預設值因行波管不同而異。

對于1.1.2中的電阻取樣比較法，由于取樣與控制電路不隔離，行波管打火瞬間，過大的尖峰電壓會造成電路損壞，不適合管體電流的檢測；稍加改進后，方法如圖3所示。

圖3 管體電流的檢測與保護

這是一種直觀、簡單的保護方法，電阻與繼電器線包并聯阻值恒定，兩端電壓與流過它們的電流成正比，當電壓達到繼電器吸合電壓時，觸點吸合；經光耦再次隔離、比較器判斷后，將故障信號傳遞給控制電路，從而切斷脈沖和高壓。二極管V3實現了故障信號的自鎖。

實際應用中，繼電器兩端通常并聯瞬變電壓抑制二極管、壓敏電阻等尖峰抑制器件，有效地防止了打火尖峰對電阻和繼電器的傷害；繼電器線包與觸點的隔離以及光耦的運用實現了大地與控制電路的隔離，在打火瞬間保護了控制電路；該電路的保護速度主要受繼電器吸合時間的制約，保護速度相對較慢，保護時間為毫秒級，適合于對管體散焦電流（平均電流）的保護，經典可靠，在多型雷達發射機中得到了廣泛的應用。

1.3 打火電流的檢測與保護

當行波管自身或外部原因致使其打火時，如果不迅速關斷電子注，那么電子注可能會持續打在管體、柵網或射頻輸入輸出窗等部件上，將對行波管造成持續、更大的損害。因此，在行波管出現打火時，為了更好保護行波管，應盡快切斷高壓和調制脈沖。

行波管打火瞬間，通常表現為陰極對地短路，行波管陰極電流和管體電流會遠超額定值。對于1.2中電路，由于保護速度較慢，無法滿足要求。在此期間通過檢測陰極電源輸出脈沖電流來實施保護是一種有效、快速的方法。

用電流傳感器來采樣陰極脈沖電流，轉換成脈沖電壓信號后送至比較器進行故障判斷，其保護速度主要取決于比較器翻轉速度，達微秒級。在行波管打火時，能快速切斷脈沖信號及高壓，可有效地保護行波管及電源的安全。

1.4 鈦泵電流的檢測與保護

鈦泵電流是衡量行波管真空度好壞的重要指標，真空度良好的行波管鈦泵電流一般不大于10μA。當鈦泵電流過大時，若加高壓，可能導致行波管打火。因此在加高壓前或加高壓后，應保持對鈦泵電流的實時檢測，確保鈦泵電流超過門限值時，高壓無法啟動或立即切斷脈沖和高壓，使行波管不受傷害。

鈦泵電流的檢測一般采用電阻直接取樣法，與1.1.2類似，較容易實現。

2 行波管工作電壓的故障檢測與保護

行波管的工作狀態與其各個電極上的電壓密切相關，為了確保行波管工作穩定，各極電壓必須在規定的范圍內。鈦泵電壓、柵極負偏壓、陰極電壓、收集極電壓是保證行波管正常工作的重要電壓，需設置必要的故障檢測與保護電路。

2.1 鈦泵電壓故障的檢測與保護

鈦泵電源用于給行波管的鈦泵供電，吸附氣體，保持管內良好的真空狀態［2］。鈦泵電源電壓一般為3～5kV。行波管加高壓工作時，如果行波管內的真空度較差，可能會出現打火現象。因此在加高壓前或加高壓后，應保持對鈦泵電壓的實時檢測，確保發生故障時，高壓無法啟動或立即切斷脈沖和高壓。

鈦泵電壓故障的檢測可采用電壓取樣比較法，將取樣電壓與基準電壓用比較器直接比較，其原理如圖4所示。

圖4 電壓取樣比較法

圖4中，R3至Rn串聯，獲得鈦泵電壓取樣后，與基準比較。當取樣電壓低于基準門限時，比較器輸出低電平，作為故障信號輸出［1］。

2.2 柵極負偏壓故障的檢測與保護

行波管加高壓工作時，在無調制脈沖或在脈沖間隔期間，柵極必須有足夠的截止電壓，否則會有電子從陰極逸出，輕則增大輸出脈間噪聲，重則損壞行波管柵網、陽極等部件。因此，應保持對柵極負偏壓故障的實時檢測，當負偏壓低于額定值時，確保高壓無法啟動或立即切斷脈沖和高壓。

由于柵極負偏壓相對于浮動地（通常為陰極電位）是負電位，顯然不能直接用2.1中的電壓直接取樣比較法，若引入負電壓的輔助電源，增加了電路的復雜性，并有降低可靠性的風險。將電源兩端接固定負載，電源電壓的變化可表現為負載中電流的變化，據此介紹柵極負偏壓故障檢測與保護方法：

方法一：取樣電阻與繼電器串聯，接于負偏壓電源兩端，用取樣電流驅動繼電器，當負偏壓輸出低于額定值，繼電器動作，送出故障信號。該方法存在的主要問題是繼電器的吸合與釋放電流存在差異，導致故障門限精度較低。優點是簡單可靠，所以仍為一現實可行的方法。

方法二：也可選用線性隔離器件，隔離后再與基準電壓進行比較。原理如圖5所示。

圖5 選用線性隔離器件的檢測方法

圖5中，“FGND”為行波管陰極電位，RP1提供基準電壓，R5至Rn串聯，由于Rn阻值較大，取樣電流主要流過B1。當B1工作在線性區域時，比較器的反相輸入端獲得的電壓隨負偏壓的降低而降低，并與基準比較。當負偏壓低于額定值時，比較器輸出高電平，作為故障信號輸出。

方法三：還可采用中和法，如圖6所示。

圖6 中和法

當負偏壓降低時，流過R1的電流隨之減小，比較器同相輸入端的電壓隨之升高。當負偏壓低于額定值時，比較器輸出高電平，作為故障信號輸出。

除上述方法外，適當增大負偏壓電源的輸出儲能電容，在加高壓工作時，由于某種原因整機掉電時，因電容器放電回路的時間常數較大，所以儲存能量在短時間內不易放掉，柵極也能維持一段時間的負壓，使管子免遭損壞。

2.3 陰極電壓的檢測與保護

行波管在高壓工作過程中，陰極電壓與電子注散焦密切相關，如果陰極電壓與額定值相差較大，會有過多電子注的能量積聚在收集極以外的部分，對行波管造成傷害。因此，當陰極電壓欠壓或過壓時，應立即切斷脈沖和高壓。

可采用的方法與負偏壓類似，這里不作介紹。

2.4 收集極電壓故障檢測與保護

收集極電壓是行波管工作的重要電壓，在行波管各極電源中，收集極電源功率最大。對于收集極降壓工作的行波管而言，收集極電壓偏離額定值過多，會對行波管的效率和穩定性造成影響。

收集極電壓是以陰極為參考的電壓，采用差分取樣法可將以陰極為參考的電壓轉換成以地為參考的壓差信號，如圖7所示。

獲得壓差信號后，再進行故障判斷，電路簡單，響應速度快。

3 故障信號的傳輸

為了盡量減小其他電路對低壓控保的干擾，在故障檢測電路與發射機控保電路之間應采取必要的

圖7 差分取樣法

隔離措施，如采用光耦或變壓器隔離等方式。對浮動在陰極電位上的故障信號的傳輸，必須有足夠的高壓隔離傳輸能力，可采用光纖傳輸或振蕩器加脈沖隔離變壓器傳輸的方式。后者成本較低且簡單易行，可靠性較高，在多型號雷達發射機中廣泛應用。

4 結束語

以柵控行波管為例，從行波管各極工作電流和工作電壓2個方面介紹了對發射機行波管的保護措施，并分析了保護措施的重要性及保護電路的實現方法。對行波管的保護還有很多方面，如脈沖行波管的工作比保護、行波管輸出饋線駐波的保護等。

［1］ 楊旭，裴去慶，王兆安.開關電源技術［M］.北京：機械工業出版社，2002.

［2］ 鄭新，李文輝，潘厚忠.雷達發射機技術［M］.北京：電子工業出版社，2004.

［3］ Abraham I Pressman.開關電源設計［M］.王志強譯.北京：電子工業出版社，2005._____________________