一種小功率毫米波磁控管發射機

吳亞中，張 科

(南京電子技術研究所，南京 210039)

0 引言

近些年，毫米波測云雷達成為天氣雷達的研究熱點。隨著信號處理技術和接收技術的發展，雷達系統克服了磁控管頻率不穩定問題，使毫米波磁控管測云雷達得以實現[1]。目前，毫米波微波功率器件有行波管放大器、固態放大器以及磁控管，相比較而言，行波管放大器、固態放大器價格比較昂貴，磁控管則具有發射功率大、價格低等特點。

本文介紹了一種毫米波測云雷達用小功率8 mm磁控管發射機。該發射機采用回掃充電線性調制器，通過放電開關的選擇以及人工線與脈沖變壓器匹配問題的有效解決，優化調整高壓調制脈沖波形，進而生成較好的功率輸出檢波波形。同時，有效減小體積，提高可靠性，采用封閉式結構設計，適應發射機天線安裝全天候運轉的要求。

1 主要技術指標與系統組成

1.1 主要技術指標

輸入:220 V/50 Hz±10%(交流)

輸出:峰值功率25 kW，脈沖寬度200 ns，重復頻率4 kHz，占空比小于1‰，調制脈沖15 kV/10A。

1.2 系統組成

發射機由幾個基本的功能模塊組成，分別是控保組件、低壓電源、燈絲電源、回掃充電線性調制器和磁控管等，如圖1所示。

圖1 發射機功能模塊簡圖

控保組件完成發射機內部的定時信號輸入、各個組件的狀態監控以及與外界的通訊工作;低壓電源將交流220 V交流電經直流-直流(DC-DC)模塊統一變換為各組件需要的低壓電源信號;燈絲電源將24 V直流電源經過半橋變換器逆變為交流信號后，再通過燈絲隔離變壓器耦合傳輸至磁控管燈絲;回掃充電線性調制器根據輸入的定時信號，對交流220 V交流電進行變換，對調制器的人工線進行充電，并產生放電開關的觸發信號控制放電開關，將人工線的儲存能量通過脈沖變壓器升壓后，產生符合要求的調制脈沖波形送至磁控管陰極，使磁控管正常工作，同時對充電電流、放電電流、調制電流進行實時采樣監測保護，發現過流后切斷觸發并報警。

1.3 高壓線性調制器[2-3]

回掃充電線性調制器具有電路簡單、可靠性高、抗打火能力強等特點。圖2為回掃充電線性調制器原理框圖，其電路簡單分為充電部分和放電部分。

圖2 回掃充電線性調制器簡圖

電路中，交流220 V通過整流濾波變換為直流電，作為充電電壓源。充電部分是一種類似于單端反激式開關電源的電路拓撲形式。控制電路根據系統定時產生充電觸發信號，經驅動器放大后控制充電開關管V1和V2;充電開關管導通期間，整流濾波得到直流電的能量并送至反激式充電變壓器T1，由于充電二極管V7的反向阻斷作用，能量儲存在變壓器勵磁電感中，如圖2中電流I1所示;當充電開關管關斷后，充電變壓器儲能換向，能量由充電變壓器通過充電二極管V7向人工線PFN充電;當充電變壓器中的能量全部轉換為人工線儲能后，進入放電等待狀態，如圖2中電流I2所示。放電部分是包含人工線、放電開關管、脈沖變壓器等的標準放電電路。控制電路根據系統定時產生放電觸發信號，觸發SCR放電開關管V9;放電開關管導通后，人工線上儲存的能量在很短的脈沖時間內通過脈沖變壓器T2，升壓變換后送至磁控管陰極，完成陰極調制過程，如圖2中電流I3所示。放電結束后，人工線反向電壓為零，SCR放電開關管V9恢復關斷狀態，完成一次充放電過程。

2 發射機的設計難點

磁控管的工作方式是自激工作模式，對調制脈沖的前后沿要求很高，尤其是調制脈沖的前沿，波形的前沿過快和過慢都會引起磁控管工作不穩定，出現磁控管打火現象[4]。

2.1 放電開關選擇

隨著半導體技術的發展，線性調制器的放電開關基本都實現了固態化，使用SCR作為放電開關[2]。中大功率線性固態調制器一般均采用多只SCR管串聯的方式，組成較高耐壓放電開關組件[5]，器件使用耐壓1800 V的KG200A/1800 V或耐壓1200V的KG200A/1200V。本發射機屬于小功率范疇，調制器充電電壓可適當降低，進而減少器件的使用，充電電壓確定為2500V，采用SCR串聯技術需要2～3只常用SCR管實現串聯。為進一步簡化設計，本設計采用了耐壓達3300V的DYNEX公司的ACR300SG33作為放電開關。相對于2500V的充電電壓，單管就可實現;相對于SCR串聯技術，避免了浮動電位器件的散熱，使放電開關的散熱更容易實現，可省略SCR管之間的均壓電路，觸發電路也減少到一個，能有效簡化電路并減小體積。該器件為快速可控硅，開通上升時間可達到50ns，遠小于8mm磁控對脈沖前沿90ns～120ns的要求，為人工線與脈沖變壓器調整匹配、調制脈沖波形調整保留了余量。

2.2 調制脈沖波形調整

線性調制器的人工線的參數直接決定了調制脈沖。大功率線性調制器的人工線的參數量級較大，脈沖變壓器的漏感和放電回路長度對調制波形影響較小。而本發射機屬于小功率范疇，調制脈沖功率等級僅為15 kV/10 A，同時功率輸出波形較窄，僅有200 ns。這就決定了其人工線的參數量級很小，人工線的儲能電容值僅需幾十nF，人工線的電感量僅需幾百nH，要想通過對人工線參數的調整有效控制調制波形，從而實現調制波形優化，就必須嚴格控制脈沖變壓器的漏感和放電回路長度，盡可能減小其對調制波形的影響。本設計優化了脈沖變壓器的參數設計，盡可能減小脈沖變壓器初級漏感，把初級漏感控制在100 nH以內，同時通過放電開關使用單管、人工線采用干式、合理布局有效減小放電回路長度等優化措施，再經過人工線參數的調整，使調制脈沖的前沿滿足要求，功率輸出檢波也得到較好的波形。

圖3給出了該發射機的調制脈沖電壓波形(1路)和電流波形(2路)，實際8 mm磁控管工作于13 kV/9 A。圖4給出了功率輸出檢波波形，從檢波波形中可以看出頂部沒有振蕩，非常平坦。

圖3 調制脈沖波形圖

圖4 功率輸出檢波包絡

3 結束語

本文詳細介紹了毫米波測云天氣雷達使用的一種小功率毫米波磁控管發射機，通過嚴格器件選型、優化脈沖變壓器參數和放電回路、調整人工線參數等方法，實現對調制脈沖波形和功率輸出檢波波形的優化調整。該發射機體積小巧、工作可靠、成本低、性能可靠、故障率低，滿足天氣雷達全天候24小時運轉要求。該發射機在功率密度方面還有提高的空間，可運用一體化設計，進一步減小發射機的體積，實現發射機的整體模塊化。

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[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，2006.Zheng Xin，Li Wenhui，Pan Houzhong.Radar transmitters technology[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2006.

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[4]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，1985.Qiang Bohan，Wei Zhi.Theory design and practice of modern radar transmitters technology[M].Beijing:National Defense Industry Press，1985.

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