脈沖行波管發射機保護功能的設計

張劍 宋越 周明

摘 要本文主要介紹了寬帶柵控脈沖行波管發射機保護措施的重要性和必要性以及一些保護措施的實現方法。

【關鍵詞】脈沖行波管 發射機 過流 反射駐波 保護電路

脈沖行波管發射機屬于高增益、高電壓、高功率設備，其主要功能是對工作頻段內的射頻小信號進行放大并輸出，通過天線輻射到空間。發射機中，脈沖行波管屬于核心器件，價格昂貴，其性能直接決定了發射機的性能以及系統的可靠性和穩定性，因此保護功能的設計主要是圍繞著行波管開展的。本文結合某型寬帶脈沖行波管發射機為例，介紹了整機保護功能的設計與實現。

1 系統控制及故障信號傳輸

1.1 系統控制

發射機的系統控制主要是完成發射機的對外通信、開/關機控制、實時進行工作狀態的監測與故障檢測、判定和處理。出現異常時可自動斷電，保護行波管。

柵控脈沖行波管發射機有嚴格控制要求，需合理設計控制電路，保證柵控行波管的加電順序：

（1）加柵極負偏壓和燈絲電壓，達到預熱時間要求，各種參數正常后；

（2）加行波管各極高壓；

（3）加柵極調制脈沖；

（4）加射頻激勵。

關電時則順序相反。當發生故障時，首先需及時關斷柵極調制脈沖，使柵極處于截止狀態，然后切斷高壓，發送故障狀態指示和故障類型。

1.2 故障信號傳輸

行波管的工作電壓通常在幾千伏到十幾千伏，而發射機的控制保護電路則工作在低壓狀態。為了減少控保電路受到的干擾，通常故障檢測電路與控保電路之間需采取必要的隔離措施，而對懸浮在高壓上的故障信號的傳輸還須具備高壓隔離能力，一般可采用光纖傳輸、高壓光耦或振蕩器加脈沖隔離變壓器等。后者成本較低且簡單易行，可靠性較高，得到廣泛應用。

2 故障保護功能的設計與實現

2.1 行波管燈絲電流的檢測與保護

行波管的燈絲用于為行波管陰極加熱，使陰極以需要的速率發射電子；并且燈絲是有壽命的，要盡量避免其受到較大的電流沖擊。但是冷態的燈絲具有低阻特性，因此需要限制剛接通時的浪涌電流，一般不超過額定電流的1.5倍；當行波管工作時，若燈絲電流欠流，則易導致行波管打火，若燈絲過流，則易使陰極壽命縮短。因此燈絲電流檢測保護非常重要，在燈絲電源啟動時，需采取限流措施，當燈絲進入熱態后，燈絲電源進入穩壓狀態，需實時檢測燈絲電流，以便出現故障時及時采取有效的保護措施，避免行波管因長期工作在過流狀態而受到損傷。

本例發射機采用的是直流燈絲電源，燈絲電流檢測電路見圖1。使用霍耳傳感器將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；同時將信號與基準電壓進行比較器，判定是否故障，進行故障保護處理。

2.2 行波管螺旋線電流檢測與保護

螺旋線過流保護是發射機行波管保護電路中最基本也是最重要的保護，其基本原理是當螺旋線電流超過預設值時，立刻切斷柵極調制脈沖和高壓。

對于柵控脈沖行波管，加電工作處在放大狀態時，電子注總流一部分流向螺旋線，一部分流向收集極，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，導致螺旋線電流過流。而螺旋線耐功率能力有限，過流會燒毀螺旋線，因此需對螺旋線電流進行檢測，檢測電路示意圖見圖2。

通過串聯電阻R1可將電流信號轉換為電壓信號，并與基準電壓比較，判定是否過流，將故障信號輸出至控保電路，如圖2（a），該電路出現異常響應速度快，但取樣與控制電路不隔離，行波管打火時過大的尖峰電壓會造成控保電路損壞，因此可以采用繼電器和光耦將取樣信號隔離后傳送至控制保護電路，如圖2（b），此種方式響應時間受限于繼電器的吸合時間。

2.3 駐波反射檢測與保護

行波管發射機損壞的重要原因之一就是輸出反射功率過大，導致行波管輸出窗損壞。當行波管輸出鏈路阻抗不匹配時，就會出現反射駐波過大的情況，如果反射功率過大會引起電子注散焦將導致螺旋線過流燒毀，也會是輸出同軸線的內導體發熱損壞輸出窗，因此必須采取措施進行保護。本例發射機是寬帶脈沖行波管發射機，而寬帶的隔離器和環形器較少且其插損和駐波等技術指標參數通常無法滿足要求，因此采用雙定向耦合器和檢波器實現駐波檢測和保護功能。

圖3中通過耦合器的反向耦合端檢測反射功率的峰值，送入檢波電路與基準門限比較，當反射功率達到或是超過設定門限時，即判為反射功率故障，由控保電路關斷行波管柵極正偏并切斷高壓。門限的確定取決于發射機輸出功率和負載駐波比ρ。發射機輸出饋線系統的駐波比一般在1.5～2之間，取ρ=2，假設發射功率為2kW，反射系數K =（ρ-1）/（ρ+1）=0.33，反射功率P=P×K =217.8W。經過耦合器反向耦合40dB衰減后，反射功率為21.78mW，轉換為13.3dBm，由此可根據實際情況調整保護門限。使用雙定向耦合器還可以同時對行波管輸出功率進行檢測，原理相同。

2.4 調制脈沖檢測與保護

柵控脈沖行波管的工作比和最大脈寬都有限制，一旦發生過脈寬或過工作比現象，輕則影響發射機的性能；重則損壞行波管，導致發射機無法工作，因此在使用中對調制脈沖的寬度和工作比是必須加以實時監控和保護的。

圖4是調制脈沖寬度和工作比檢測原理圖，本例采用意法半導體公司的STM32F10X系列ARM微控制器，其通用定時器具有輸入捕獲功能，可以用于測量輸入信號的脈沖長度，再通過計算，可以求得脈沖占空比，輔之以簡單的外圍電路，即可實現脈沖信號的脈寬和占空比的測量與保護處理。圖5是脈沖檢測與保護的邏輯關系圖。

3 結束語

本文以寬帶柵控行波管發射機為例，分析了保護措施的重要性和必要性，并介紹了保護電路的實現方法。除上述以外，對發射機的保護還有很多方面，如脈沖行波管的工作各極工作電壓的檢測和保護、行波管過熱保護、發射機散熱系統的檢測與保護等。

參考文獻

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作者簡介

張劍（1978-），男，山東省青島市人。現為中國電子科技集團公司第51研究所設計師。研究方向為發射技術。

作者單位

中國電子科技集團公司第51研究所 上海市 201802