脈寬可編程氣象雷達發射機

唐春雷 郎 杰

（桂林長海發展有限責任公司，廣西 桂林 541001）

脈寬可編程氣象雷達發射機

唐春雷 郎 杰

（桂林長海發展有限責任公司，廣西 桂林 541001）

介紹國內一種脈寬可編程的中頻相參多普勒天氣雷達磁控管發射機。發射機采用IGBT固態剛性調制技術，采用起始脈沖和截尾脈沖控制IGBT開關組件產生磁控管陰極負高壓。與人工線產生陰極高壓和脈沖寬度的軟性調制相比，發射機省去了人工線，脈寬轉換高壓繼電器及浸泡人工線的油箱。發射機具有體積小、重量輕、可靠性高、維護成本低、發射脈沖寬度可靈活調整等優點。

固態剛性調制；IGBT；磁控管

1 引言

隨著氣象雷達精細化探測業務的發展，需要多普勒天氣雷達采用DPRF、APRF，3/2、4/3、5/4多種重頻、脈寬模式對氣象目標進行探測。

在現有的磁控管氣象雷達發射機中設計方案中，典型的方法是采用人工線、脈寬轉換高壓繼電器及浸泡人工線的油箱進行設計。這種方法是發射機體積比較大，重量比較重。這樣磁控管發射機將大大增加設備的功耗、體積和重量，另外磁控管轉換脈寬、重頻時需先關斷高壓，再通過控制高壓繼電器轉換人工線來轉換脈寬。這樣氣象雷達采用不同的工作模式（需要不同的重頻和脈寬）完成一個體掃掃描需要較長的時間，不利于一個快速變化的氣象過程的觀測。特別對于體積、重量受限的移動式氣象雷達而言，設備的小型化是設計師比較關心的問題。

2 系統組成及工作原理

磁控管發射機主要由磁控管、高壓電源、調制器、燈絲電源、故障監測及控制保護電路等組成。

對于磁控管發射機而言，主要是調制器、高壓電源，特別是調制器的設計。

考慮到雷達發射機的多重頻和脈寬及實時在線切換工作模式。也考慮到作為經典設計中用作開關管的閘流管工作時間壽命較短，雷達大都24小時連續工作，需要經常更換壽命到期的閘流管。為考慮到給用戶減輕使用成本。因此調制器采用IGBT固態剛性調制技術，該技術主要是采用起始脈沖和截尾脈沖控制IGBT開關組件產生磁控管陰極負高壓。由于采用陰極調制，要求IGBT的開關電流大、速度快。

其組成框圖如圖1所示：

圖1　發射機系統組成框圖

2.1高壓電源

圖 2是高壓電源原理框圖。逆變器主回路是高壓電源的核心。220V/50Hz交流電壓經整流濾波后變為約300V的直流電壓，逆變器主回路是半橋串聯諧振逆變器，在控制電路的控制下，變成約20kHz的高頻交流信號，該交流信號經高頻高壓變壓器的升壓為20kHz的高壓高頻交流信號，整流濾波后輸出約1kV的直流高壓。

圖2　高壓電源原理框圖

整流濾波采樣電路采樣高壓電源的輸出直流高壓，當輸入電網電壓或負載變化時，高壓電源輸出就會發生變化，相應地，送入控制電路的采樣電壓也會變化，控制電路中比較器比較取樣電壓與基準電壓，所得誤差電壓經放大后去調節頻率控制器的觸發頻率，該信號經驅動器控制逆變器主回路，主回路開關頻率決定了輸出電壓幅度，達到穩壓的目的。控制電路原理框圖見圖3。

圖3　控制電路原理框圖

控制電路同時檢測高壓電源的輸出電流，一旦發生故障，出現過流現象，保護電路立即實行故障保護。

2.2脈沖調制器

脈沖調制器的主要功能是產生一個符合磁控管工作的10kV/20A的高壓脈沖，對磁控管進行脈沖調制，使磁控管產生高頻振蕩。

圖 4是脈沖調制組合工作原理框圖。在控制電路的控制下，1kV高壓電源通過大功率IGBT開關管產生一個約1kV的高壓脈沖，該高壓脈沖經高壓脈沖變壓器的提升，輸出一個約 10kV的高壓脈沖。考慮到開關管必須有較高的速度特性、耐壓特性，我們選用電流型IGBT組件作為開關管。脈沖變壓器則必須有較低的分布電容和漏感。

圖4　調制器原理框圖

2.3故障監測、控制保護電路

由于發射機磁控管工作在大電流、負高壓狀態，因此需要對操作者人身安全保護及設備保護。

因此對磁控管的燈絲電流、磁控管電流、磁控管高壓、磁控管工作比、高壓電流、門開關進行監測，保證磁控管正常工作所需條件不能滿足時，切斷調制脈沖驅動電路，切斷高壓。保護設備及設備安全。

3 結論

該發射機主要用于713系列X波段中頻參多普勒天氣雷達，具有較高的動目標改善因子、較好的波形適應性，具有體積少、重量輕，不用更換工作時間為幾百小時壽命的閘流管。雷達具有很高的可靠性、穩定性，大大減輕了用戶的維護費用及時間，獲得用戶的肯定。

Pulse programming weather radar transmitter

Coherent Doppler weather radar medium frequency magnetron transmitter introduces a programmable pulse width. Using IGBT solid state transmitter of rigid modulation technology, adopting the initial pulse and the truncated IGBT pulse control switch components to produce the magnetron cathode negative high voltage. Compared with the soft modulation of cathode of high voltage and pulse width and artificial lines, eliminating the need for manual line transmitter, pulse width conversion high voltage relay and immersion of the artificial line tank. The transmitter has the advantages of small volume, light weight, high reliability, low maintenance cost, emission pulse width can be adjusted flexibly, etc..

Solid rigid modulation; IGBT; magnetron

TN83

A

1008-1151(2015)04-0077-02

2015-03-11

唐春雷（1969-），男，桂林長海發展有限責任公司工程師，從事氣象雷達研發。