一種Ka波段行波管發射機的設計

張 彥，胡 平

（船舶重工集團公司723所，揚州225001）

0 引 言

近年來，由于毫米波技術在多個方面取得了重大進展，毫米波雷達進入了新的應用階段。毫米波雷達具有厘米波段全天候的特點，又具有紅外波段高分辨力的優點。而Ka波段是毫米波中大氣衰減相對較小的窗口頻段，且相關Ka波段元器件技術相對較為成熟。Ka波段雷達具有波束窄、方向性好、分辨力高、抑制海雜波干擾和多路徑干擾能力強、跟蹤精度高、多普勒頻帶寬、體積小、重量輕等優點。基于Ka波段的眾多優點，其在現今的許多近程精密跟蹤雷達系統中得到應用，尤其在艦載跟蹤雷達系統中，用以對付低空反艦導彈等目標的威脅，有效提高了艦船的生存能力。

當然Ka波段雷達也有著不足，主要是傳輸損耗較大，減小了其有效作用距離。因此在Ka波段精密跟蹤雷達系統中，通常采用發射機和天線一體化的設計方法來盡量減小微波傳輸損耗，這就對發射機的體積、重量、可維修性和適裝性提出了很高要求。在本發射機中采用了發射機模塊化設計，基本上分為低壓模塊和高壓模塊，并對高壓模塊進行了高壓絕緣處理，使之能夠直接對地安裝。下面將詳細描述本發射機的設計方法，并給出在系統應用條件下的部分測試結果。

1 系統設計

1.1 發射機主要技術指標和系統框圖

發射機主要技術指標如表1所示。

表1 發射機主要技術指標

發射機采用由前級場效應放大器和末級行波管放大器串聯構成的二級放大鏈體制，來自信號源的Ka波段小功率射頻信號經由場效應放大器放大后，為末級行波管提供約20dBm的射頻激勵信號，再由行波管放大器放大至約60dBm輸出。圖1為發射機構成的基本框圖。

圖1 發射機基本框圖

1.2 理論設計

1.2.1 輸入功率和功耗的計算與分配

高壓電源效率為η1（約85%），行波管工作效率為η2（約20%），而行波管輸出最大平均功率為1kW×10%＝100W，則發射機的輸入功率Pin＝100÷（η1×η2）（約為625W），電源功耗＝Pin×（1－η1）（約125W），行波管耗散＝Pin×η1×（1－η2）（約400W）。

1.2.2 穩定性指標的計算與分配

在選定行波管之后，還要依據雷達系統對發射機改善因子的要求，并結合行波管的性能參數，計算行波管各級電壓的紋波和穩定度。因為陰極同步電壓對發射機輸出射頻信號的相位調制影響最大，所以僅計算對陰極電壓的紋波要求。

系統要求發射機達到45dB的改善因子，則對陰極電壓的紋波要求為：I＝20lg（1／Δφ），可計算出允許的最大相位變化為 Δφ＝57.3°×10－45／20＝0.322°。

再參照行波管的各電極相位調制靈敏度（°／V），可計算出各電極電壓的紋波。典型的Ka波段行波管陰極電壓相位調制靈敏度為1.2°／V，則紋波系數應小于3×10－5；收集極電壓紋波系數比陰極電壓低約一個數量級，取8×10－3；而燈絲電源的紋波系數可取1×10－3［1］。

2 電源設計

2.1 高壓電源

為了滿足雷達系統對發射機的體積要求，高壓電源采用串聯供電形式，即行波管的陰極同步電壓由收集極電源和補充電源串聯組成。2組電源由一公用逆變器變換得到，這種設計不僅可以減小發射機體積，還可以使高壓取樣電路得到簡化。高壓電源電路框圖如圖2所示。

由于收集極電源不穩壓，當工作比變化范圍較寬時，收集極電壓將會有一定變化，但通過電源系統的精確計算，精心設計好變壓器，就能保證收集極電壓工作在行波管可承受的正常范圍內。這樣設計只會影響到整機工作效率，而不會影響系統的工作狀態。

功率變換器采用改進型Buck全橋拓撲，通過全橋變換器驅動高頻變壓器，而高壓穩壓由Buck調整器完成。主功率變換器采用電流饋電模式，它有許多優點：開關損耗小，電源效率高；在變壓器次級短路（即行波管打火）時，能有效抑制電流輸出，保證開關管不損壞［2］。

圖2 高壓電源框圖

2.2 高壓隔離組件

高壓隔離組件主要由燈絲電源、柵極電源、負偏電源和柵極調制器組成。

行波管燈絲電源采用限流、穩壓工作模式，電路形式采用了推挽拓撲，并用電壓和電流取樣實現雙閉環調整。脈沖電源同樣采用推挽拓撲，并進行閉環調節，以獲得較好的電壓穩定度和較低的紋波，有效提高了行波管的工作穩定度。負偏電源是保證行波管在脈沖間隔期間的電子注完全截止，對紋波及穩定度要求不高，對其進行簡單的高頻升壓后整流濾波處理。同時為保證行波管在脈沖間隙能可靠截止，對負偏電源進行實時監控，實現欠壓保護。

調制器采用浮動板調制器，且工作在推挽饋電模式，這樣設計有以下優點：便于獲得很好的脈沖波形，容易實現脈寬及重頻的快速變化；分布參數引起的振蕩減小，從而降低了對行波管的影響，有利于降低輸出噪聲。浮動板調制器基本框圖如圖3所示。

圖3 高壓隔離組件基本框圖

脈沖電源Ug為200V，而負偏電源－Eg為－700V，且考慮到分布參數引起的振蕩尖峰，則開關管的耐壓應大于1 200V。由于高壓的MOS管較少，選用耐壓較高的絕緣柵型雙極晶體管（IGBT）。為實現脈寬和重頻的寬范圍調節，在低壓側對同步脈沖進行高頻調制，再由脈沖隔離變壓器傳輸至高壓浮動板，后由前后沿分離電路產生PLS ON和PLS OFF，分別觸發開通管V1和截尾管V2，而產生調制脈沖輸出。在脈沖截止期間，由于電阻R1的存在而使柵極處在負偏壓電位上。R2、VE1、R3及C1構成的柵極輸出和保護電路，將對柵極發生打火情形提供行之有效的保護。

經過測試，調制器的前沿小于40ns，后沿小于50ns；在脈寬和重頻寬范圍工作時，調制器工作可靠穩定；對調制器進行模擬打火實驗，調制器能有效保護，工作正常。

2.3 控保電路

控保電路主要是完成高壓電源的穩壓控制、發射機行波管的加電及斷電次序控制；而接口電路是對發射機的工作狀態進行監控和指示，對各種故障進行定位，并與主控臺進行通信。由于負載失配、駐波過大、過熱等因素導致的行波管工作電壓的不穩定，將會對行波管造成不可挽救的損壞。對行波管各級電流采用電流互感器取樣，送至比較電路，一旦出現過流現象，比較器立刻翻轉，給出故障信號。由于所有故障均已被邏輯 “或”進高壓聯保電路中，此刻會快速切斷電源的驅動脈沖。同時接口電路會將故障狀態傳輸至單片機，單片機會根據故障狀態，作出相應動作，并通過串口傳輸至主控臺。

在發射機高脈沖電壓和強脈沖電流的復雜電磁干擾環境中，采取了浮動接地技術、光電隔離技術和電磁屏蔽技術，以確保控保系統的穩定、可靠。

3 高頻系統設計

由于Ka波段行波管相對帶寬較寬，極容易造成發射機自激，從而導致系統工作的不穩定，甚至引起場效應放大器及行波管的損壞。本設計通過在行波管輸入級采用26.5～40GHz的小功率寬帶隔離器和中功率寬帶三端環行器串聯連接，以及輸出端采用寬帶雙定向耦合器和寬帶大功率四端環行器串聯連接的措施，有效抑制行波管輸入級出現的異常對前級場效應放大器的影響。雙定向耦合器的作用是為了對發射機輸出功率和負載匹配狀態進行實時監控，其輸出通過檢波放大送入控制和保護電路。寬帶大功率四端環行器能夠在負載匹配不佳（如駐波過大）的情況下保證行波管的可靠工作。

4 結構設計

由于系統對發射機的體積和重量要求，對發射機的結構設計提出了很高要求。高壓模塊體積僅為0.06m3（0.2m×0.2m×0.15m），而該行波管工作電壓高達25kV，為避免高壓元器件的高壓擊穿現象，同時為了滿足整機的抗振動要求，需對高壓電源模塊加以密封，以提高其在惡劣環境下工作的可靠性。為此在設計中采取了如下一些措施：對高壓模塊內部結構進行優化設計，應用新型灌封材料（RTVS187硅橡膠）和灌封工藝（先將元器件表面涂覆底膠，再多次分批灌封，徹底排空氣泡），解決了高壓模塊的小型化和高壓絕緣問題；對低壓模塊內單元電路進行優化設計，通過合理布局，提高了安裝密度，解決了小型化設計中的散熱和電磁兼容問題［3］。

5 實測結果和結論

在系統配合下的應用測試，本發射機工作穩定，性能可靠。在低氣壓密閉條件下，未出現高壓元器件電暈現象，各模塊溫度均在設計安全范圍內。經測算，整機效率η＞15%，動態改善因子Ι＞45dB。

Ka波段發射機設計中，經過電路結構和工藝等方面的系統優化設計，實現了Ka波段發射機小型化、高可靠性的目標，為Ka波段發射機的逐步推廣應用提供了保證。

［1］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.

［2］張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計［M］.北京：電子工業出版社，1999.

［3］白穎.某機載雷達發射機的高壓絕緣設計［J］.火控雷達技術，2003，32（4）：64－66.