一種寬帶幅相一致脈沖MPM的研究

朱利超，劉　昊，鮑秋香

(1.海軍裝備采購(gòu)中心,北京 100071;2.海軍裝備研究院航空所,上海 2004363；3.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

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一種寬帶幅相一致脈沖MPM的研究

朱利超1，劉昊2，鮑秋香3

(1.海軍裝備采購(gòu)中心,北京 100071;2.海軍裝備研究院航空所,上海 2004363；3.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

摘要：介紹了一種寬帶幅相一致脈沖微波功率模塊(MPM)，該MPM包含脈沖高壓電源、行波管和固態(tài)放大器。該MPM輸出功率大于300 W，占空比大于50%，效率大于30%，重量小于2 kg。測(cè)試表明該MPM具有體積小、重量輕、效率高、保護(hù)措施完善、具備自動(dòng)檢測(cè)功能等特點(diǎn)，適用于艦載和機(jī)載應(yīng)用場(chǎng)合。

關(guān)鍵詞：幅相一致；體積小；高效率；微波功率模塊

0引言

與傳統(tǒng)的行波管放大器相比，寬帶幅相一致脈沖微波功率模塊(MPM)具有頻帶寬、效率高、噪聲系數(shù)低、體積小、重量輕、可組陣使用等特點(diǎn)[1]。鑒于MPM的特點(diǎn)，在要求苛刻的機(jī)載、星載等平臺(tái)，包括無(wú)人駕駛飛行器、衛(wèi)星通信、電子對(duì)抗、相控陣對(duì)抗設(shè)備等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。MPM的設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮器件選型、材料選擇、結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)、控制保護(hù)設(shè)計(jì)和冗余設(shè)計(jì)等方面。上述要求的實(shí)現(xiàn)，需要MPM的3個(gè)組成部分(脈沖高壓電源、行波管和固態(tài)放大器)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，將3個(gè)部分集成為一個(gè)整體，形成寬帶幅相一致脈沖MPM。行波管通常采用多級(jí)降壓收集極來(lái)提高行波管的效率，目前高效率行波管已實(shí)現(xiàn)4級(jí)甚至5級(jí)降壓收集能力，收集極效率達(dá)到70%以上[2]。為了實(shí)現(xiàn)MPM高指標(biāo)要求，脈沖高壓電源輸出至行波管的各極電壓必須具有良好的穩(wěn)定度和較低的紋波[3-4]。固態(tài)放大器采用單片微波集成電路(MMIC)實(shí)現(xiàn)，為行波管提供進(jìn)過(guò)均衡的激勵(lì)信號(hào)。通過(guò)MPM 3個(gè)部分效率的提高，尤其是脈沖高壓電源和行波管效率的提高，為MPM的熱設(shè)計(jì)減輕了壓力，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)MPM的一體化緊湊設(shè)計(jì)，并可大幅度提高M(jìn)PM的可靠性。

1主要技術(shù)指標(biāo)

通過(guò)一體化集成方式將行波管和高壓電源集成為一個(gè)整體，通過(guò)優(yōu)化電源的參數(shù)實(shí)現(xiàn)行波管、脈沖高壓電源和固態(tài)放大器的最佳匹配，最終實(shí)現(xiàn)體積小、重量輕、效率高和穩(wěn)定可靠的寬帶幅相一致脈沖MPM。本文介紹寬帶幅相一致脈沖MPM，其主要指標(biāo)如下：電源為直流電源，電壓270 V；激勵(lì)功率為0～5 dBm;脈沖輸出功率≥300 W；脈沖重復(fù)頻率為100 kHz；最大工作比為50%；工作脈寬為0.5～50 μs；脈沖前后沿≤50 ns；幅度一致性為±1.5 dB；相位一致性為±20°；效率≥30%；尺寸≤200 mm×160 mm×35 mm；重量≤2 kg。

2MPM的組成與工作原理

寬帶幅相一致脈沖MPM的主要功能是將射頻輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)固態(tài)放大器均衡后，輸出至行波管輸入端，再經(jīng)行波管進(jìn)行放大，形成高功率輸出。MPM主要由三大部分組成：脈沖高壓電源、行波管和固態(tài)放大器，脈沖高壓電源產(chǎn)生行波管各級(jí)所需的電源和為固態(tài)放大器供電。構(gòu)成框圖如圖1所示。

高壓逆變電路產(chǎn)生行波管各極電壓，通過(guò)穩(wěn)定陰極電壓，實(shí)現(xiàn)各收集極電壓的0.5%從屬輸出穩(wěn)定，低壓逆變電路產(chǎn)生輔助電源和柵極導(dǎo)通、截止電源，實(shí)現(xiàn)各低壓供電，低壓逆變電路產(chǎn)生的輸出需進(jìn)行二次穩(wěn)壓。行波管電子注通斷采用典型的柵極調(diào)制開(kāi)關(guān)電路實(shí)現(xiàn)。

圖1　寬帶幅相一致脈沖MPM組成框圖

MPM接受外部控制，實(shí)現(xiàn)MPM的正常開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)序和異常情況下的關(guān)機(jī)時(shí)序。開(kāi)機(jī)時(shí)，低壓逆變電路啟動(dòng)，同時(shí)產(chǎn)生燈絲電壓、柵極開(kāi)啟電壓、柵極關(guān)斷電壓和輔助供電部分，此時(shí)行波管處于截止?fàn)顟B(tài)；隨后啟動(dòng)高壓逆變電路，同時(shí)產(chǎn)生行波管陰極和各收集極電壓；最后開(kāi)啟脈沖高壓電源柵極調(diào)制器，控制行波管電子注的通斷，行波管開(kāi)始工作。MPM的關(guān)機(jī)時(shí)序或異常情況下關(guān)機(jī)時(shí)序與上述過(guò)程相反。

2.1高壓逆變電路設(shè)計(jì)

脈沖高壓電源是MPM的關(guān)鍵組成部分，本文選擇移相全橋軟開(kāi)關(guān)拓?fù)洌蓪?shí)現(xiàn)脈沖高壓電源的高效率、小體積和高可靠性等。該拓?fù)洳捎昧汶妷洪_(kāi)關(guān)(ZVS)和零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)約96%的效率，構(gòu)成框圖如圖2所示。

高壓逆變電路占脈沖高壓電源約2/3的體積，因此高壓逆變電路開(kāi)關(guān)頻率的提高對(duì)于減小脈沖高壓電源的體積和重量尤為重要，通過(guò)將高壓逆變電路的開(kāi)關(guān)頻率設(shè)定為150 kHz和采用串聯(lián)饋電技術(shù)，可大幅度減小脈沖高壓電源的體積。

圖2　移相全橋軟開(kāi)關(guān)原理框圖

開(kāi)關(guān)頻率設(shè)定為150 kHz，通過(guò)匹配高壓逆變電路的諧振環(huán)路，可實(shí)現(xiàn)低壓側(cè)的金屬-氧化物半導(dǎo)體(MOS)管零電壓導(dǎo)通和高壓側(cè)整流二極管的零電流導(dǎo)通；與此同時(shí),如此高的開(kāi)關(guān)頻率可明顯減少磁性器件和濾波電路的體積。串聯(lián)饋電指的是利用一個(gè)高壓逆變電路同時(shí)產(chǎn)生陰極高壓和收集極高壓，采用串聯(lián)饋電技術(shù)實(shí)現(xiàn)陰極和各收集極饋電，通過(guò)變壓器的設(shè)計(jì)和穩(wěn)壓環(huán)路可以實(shí)現(xiàn)陰極電壓及各收集極電壓的穩(wěn)壓。采用倍壓整流的方式減小高壓變壓器變比，避免高壓變壓器分布參數(shù)對(duì)高壓電源的影響。本文所涉及的高壓電源輸出電源高達(dá)6 kV，紋波優(yōu)于0.5‰，陰極電壓穩(wěn)定度優(yōu)于0.1‰，其它各極電壓穩(wěn)定度優(yōu)于0.5%，滿足幅相一致性對(duì)電源的要求。

2.2低壓逆變電路設(shè)計(jì)

該部分功率約為20 W，為簡(jiǎn)化變壓器設(shè)計(jì)，采用單端反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。燈絲、柵極導(dǎo)通、截止電源和輔助電源由低壓逆變電路產(chǎn)生。燈絲的穩(wěn)壓通過(guò)高壓浮動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)，其它從屬輸出需進(jìn)行二次穩(wěn)壓。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)線路簡(jiǎn)單，元器件較少，在中小功率電源中應(yīng)用廣泛。單端反激逆變拓?fù)湓砣鐖D3所示。

圖3　單端反激逆變?cè)砜驁D

2.3柵極調(diào)制器電路的設(shè)計(jì)

柵極調(diào)制器應(yīng)具有實(shí)現(xiàn)大工作比、高重復(fù)頻率和脈沖寬度連續(xù)可調(diào)的能力，本文涉及的柵極調(diào)制器包括前后沿分離電路、隔離變壓器、脈沖整形單元、MOS管和電阻。開(kāi)啟開(kāi)關(guān)管V1導(dǎo)通，行波管工作。開(kāi)啟開(kāi)關(guān)管V1關(guān)斷，截尾開(kāi)關(guān)管V2導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)行波管快速關(guān)斷。開(kāi)啟開(kāi)關(guān)管V1的導(dǎo)通由前后沿分離電路分離的前沿實(shí)現(xiàn)，開(kāi)啟開(kāi)關(guān)管V1的關(guān)斷和截尾開(kāi)關(guān)管的V2開(kāi)通由前后沿分離電路分離的后沿實(shí)現(xiàn)。通過(guò)主開(kāi)關(guān)管V1和截尾開(kāi)關(guān)管V2的導(dǎo)通和關(guān)斷實(shí)現(xiàn)行波管電子注的通斷。柵極調(diào)制器的原理框圖如圖4所示。

圖4　柵極調(diào)制器原理框圖

2.4保護(hù)與控制電路

控制部分以FPGA為核心，包含電源管理電路、外圍接口電路和瞬變抑制電路等部分。FPGA響應(yīng)外部指令，實(shí)現(xiàn)MPM的控制和保護(hù)。控制模塊電路示意圖如圖5所示，其中虛線內(nèi)為FPGA的內(nèi)部電路，其它部分為外部分立芯片。該部分電路主要完成以下功能：

(1) 完成MPM所需的開(kāi)關(guān)機(jī)指令及控制時(shí)序，確保MPM開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)序正確；

(2) 異常情況下，保證MPM能按設(shè)定程序關(guān)機(jī)和復(fù)位開(kāi)機(jī)；

(3) 監(jiān)視MPM的工作狀態(tài)，如螺旋線電流監(jiān)視、輸入總線電流監(jiān)視、保護(hù)狀態(tài)監(jiān)視等。

圖5　控制與保護(hù)電路框圖

3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

MPM由脈沖高壓電源、行波管和固態(tài)放大器組成，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要針對(duì)高壓電源。高壓電源結(jié)構(gòu)采用鋁合金材料，表面涂層采用特殊材料，使輻射系數(shù)大于0.85。高壓電源內(nèi)部采用模塊化整體設(shè)計(jì)方式，由低壓電路、高壓電路、調(diào)制器電路等三部分組成，各個(gè)部分相互獨(dú)立，可獨(dú)立拆卸。內(nèi)部連接采用微型連接器實(shí)現(xiàn)，各部分電路采用厚膜工藝進(jìn)一步集成。脈沖高壓電源高壓部分采用絕緣高導(dǎo)熱材料整體灌封工藝，發(fā)熱器件均貼底板安裝。設(shè)計(jì)完成后，MPM的體積為：200 mm×160 mm×35 mm。由于脈沖高壓電源、行波管和固態(tài)放大器效率均較高，脈沖高壓電源效率高達(dá)96%，行波管效率達(dá)35%以上，固態(tài)放大器效率達(dá)20%以上，熱功耗較小，冷板上散熱可保證MPM安全可靠地工作。

4實(shí)物測(cè)試

對(duì)MPM進(jìn)行完整測(cè)試，并進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，性能穩(wěn)定，指標(biāo)滿足要求，并且相位一致性優(yōu)于±20°，幅度一致性優(yōu)于±1.5 dB，各副特性指標(biāo)如脈內(nèi)噪聲功率譜密度、脈間噪聲功率譜密度、脈間相位誤差等均滿足整機(jī)指標(biāo)要求。

5結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種寬帶幅相一致脈沖MPM，該MPM包含脈沖高壓電源、行波管和固態(tài)放大器3個(gè)部分。高壓電源輸出最高電壓為-6 kV，最大輸出功率為500 W，效率可達(dá)96%，與行波管匹配可實(shí)現(xiàn)行波管35%以上的效率。行波管采用四極降壓收集極，輸出峰值功率大于300 W，諧波抑制和雜散抑制分別優(yōu)于-6 dBc、-20 dBc，MPM其它副特性指標(biāo)均滿足要求。測(cè)試結(jié)果表明該MPM具有效率高、體積小、重量輕、保護(hù)措施完善和副特性指標(biāo)好等特點(diǎn)，滿足艦載和機(jī)載應(yīng)用條件。

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Research into A Wideband Amplitude-phase Coherence Pulse MPM

ZHU Li-chao1,LIU Hao2,BAO Qiu-xiang3

(1.Naval Equipment Procurement Center,Beijing 100071,China;2.Aviation Institute of Naval Equipment Academy，Shanghai 200436,China;3.The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

Abstract:This paper introduces a kind of wideband amplitude-phase coherence pulse microwave power module (MPM),which consists of pulse high-voltage power supply,traveling wave tube (TWT) and solid-state amplifier.Its output power is over 300W,duty-cycle is higher than 50%,effeciency is more than 30% and weight is lower than 2 kg.The test results show that the MPM has the features of small volume,low weight,high effeciency,perfect protection measures and automatic test function etc.,is suitable for applications to ship-borne and airborne platforms.

Keywords:amplitude-phase coherence;small volume;high efficiency;microwave power module

收稿日期:2015-09-07

中圖分類號(hào)：TN12

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：CN32-1413(2016)02-0082-04

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.02.021