一種高功率發射機的設計與控制方法

紀 安,張建華,陶小輝

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,合肥 230088)

一種高功率發射機的設計與控制方法

紀 安,張建華,陶小輝

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,合肥 230088)

重點介紹一種高功率雙機熱備份發射機的設計與控制方法。該發射系統采用兩個完全相同的發射機,分別經過各自的輸出饋線,通過電動波導開關連接到天線,通過發射機對波導開關的對應控制從而實現對發射機的自動切換。對發射機的雙機熱備份工程實現進行了分析,對波導開關及其控制裝置的應用與控制實現進行了介紹,最后給出了發射系統切換控制及其可靠性改善的效果。

發射機;速調管;熱備份;大功率環行器

0 引 言

隨著國土防空情報需求的增長,以及大功率電子對抗技術的發展,對雷達、電子對抗等大功率國防電子設備的可靠性及長期工作能力提出更高的需求。另一方面,由于大功率發射機中的功率器件因需要處理較大的功率,其可靠性受到限制,逐步成為這些裝備可靠性的瓶頸。尤其是真空電子管發射機,既存在壽命問題,又要應用在高電壓的條件下,使得大功率發射機的可靠性成為影響雷達設備可靠性的主要因素之一,為此常常對發射機進行備份來提高裝備的可靠性。本文介紹的發射機采用兩個相同的發射機,通過波導開關與天線相連,采用主振放大形式,前級采用固態放大器,末級采用單注速調管放大器。除高功率速調管外,發射機其他部分完全固態化。發射機的簡化框圖如圖1所示[1]。

圖1 發射機簡化框圖

來自雷達頻率源的5～15 dBmW射頻信號經前級固態放大器放大到160 W,末級速調管放大器將射頻激勵信號放大到800 kW,并從輸出窗經高功率隔離器、波導定向耦合器、波導切換開關送到天線。

1 發射機主要性能指標

(1) 輸入激勵功率:5～15 dBm

(2) 射頻輸出功率:≥800 kW

(3) 脈沖寬度:40 μs

(4) 重復頻率:275 Hz

(5) 帶內輸出功率起伏:1.5 dB

(6) 可靠性:MTBF>2 250 h

2 發射系統的主要技術

2.1 固態組合調制器技術

為減小調制器的體積和重量,采用集中的充電電路形式。為達到高可靠的設計目標,在該調制器的設計中應用了固態調制器技術,不僅對調制器的充電電路進行固態化設計,而且對調制器的放電電路進行了組件化設計。調制器的放電電路由10個放電組件組合而成。在每個放電組件中由5個可控硅串聯構成固態放電開關,借用成熟的可控硅串聯的均壓和觸發技術,使這種串聯開關具有極高的可靠性。10個放電組件實現統一的標準化設計,采用盲配式插拔結構,相互之間完全可以互換,配備備份方便,可維修性好。圖2為固態放電組件實物照片。

圖2 固態放電組件

2.2 集中式高壓電源技術

組合調制器的高壓電源采用集中式電源方案。集中后高壓電源的平均功率可達到60 kW左右,不僅對高壓電源的研制帶來了較大困難,同時對高壓電源和充電開關的可靠性也提出了更為嚴格的要求。在研制過程中,采用分檔加高壓的方式來減小研制的難度,高壓分為1、2、3檔,另一方面便于使用一些模塊和保護器件,以提高其可靠性。

根據調制器要求高壓電源輸出1 500 V電壓的要求,將高壓電源分為3檔,第1檔輸出900 V,第2檔輸出440 V,第3檔輸出160 V。每一檔都采用12相整流的方式。采用整流模塊,一方面減少了元器件的數量,另一方面能夠保證每個整流橋模塊內部所用的整流管在性能上做到基本一致,有利于可靠性的提高。[2]

2.3 切換控制技術

對于真空管發射機,目前最常用的備份方式是冷備份,尤其是大功率的情況下,受到器件、技術瓶頸的限制,極少采用熱備份。[3]冷備份情況下備件不能隨時進入到工作狀態,一旦正在工作的發射機或其零部件在工作中出現故障,需要停機,換上備份的發射機或零部件,更換的過程不僅需要停機,還有拆、裝的過程,尤其是更換發射機時往往還需要牽涉到波導、水冷系統的拆、裝、調試等等,而重新開機時預熱過程也不可避免。整個過程比較耗費時間。[4]

為了盡可能縮短更換備件的時間,提高雷達整機的可靠性和保障性,根據某雷達對發射機可靠性的要求,需要在10 s內完成發射機的切換,實現發射機切換不丟空情。兩部發射機如圖3所示,分別經過各自的輸出饋線,由同一個電動波導開關連接到天線。每個發射機都可對微電機進行控制,進行發射機到天線的選通,通過波導開關的切換實現發射機主、備的切換。

圖3 發射機系統組成示意圖

3 切換控制的技術實現

本系統切換控制所涉及的關鍵技術主要體現在兩個方面:一是合理選擇和應用好合適的波導開關,二是設計合理、有效的控制裝置與控制程序。

3.1 波導開關合理選擇與應用

波導開關的使用,使得兩個發射機的切換極為便利,省去了更換波導和水冷系統的時間,尤其是當兩個發射機中的A機在輸出微波功率時B發射機隨時可以開低壓預熱。當B機預熱好后即可關掉A機的高壓,再撤掉A機控制波導開關的控制命令,之后加上B機控制波導開關的控制命令,波導開關轉子立即就會轉動,將A機與天線脫開,切換到B機與天線相通,并送出波導開關的位置已切換到B機的信號給B機,表示波導切換完成,此時B機即再加高壓,輸出微波功率,由A機切換到B機完成,反之也可。波導開關的切換過程不到1 s。經測試,在B機提前預熱好的情況下由A機正常工作,切換到B機且B機工作正常的過程不足5 s。

功率高達MW量級的大功率波導開關,不僅需要耐功率能力,同時由于所在系統功率大,波導需要充氣,來提高耐功率能力,因而也兼具氣密封能力,具有較大的難度,與此同時還要能夠受控轉動實現波導隔離度達到70 dB。最終采用一種波導開關,兼具上述功能,為兩個發射機的微波通路提供了極好的隔離。以輸出1 MW為例,A機工作時,通過波導切換開關泄漏到B機微波通路的功率只有0.1 W。開關切換時間的典型值只有0.5 s,為快速切換帶來方便。開關切換的次數達到10萬次,具有極好的可靠性。其耐功率能力大約1.2 MW,有4個端口,自身有設置控制電機,電機受交流220 V控制,帶動波導開關組件中的動子轉動,使微波通路切換,即1端口在2、4端口之間切換,與此對應,3端口在4、2端口之間切換(如圖3所示)。當選擇1、2端口作為微波通路時,與3、4端口形成的通道的隔離度達到70 dB。開關具有兩個穩定的狀態,其一是1、2端口接通,同時3、4端口接通;其二是1、4端口接通,同時3、2端口;處于中間狀態的時間極短,也就是切換的過程,典型值是0.5 s,其余均處于穩定狀態。為便于區分波導開關處于哪種穩定的狀態,對應兩種狀態都給出了位置信號,作為波導開關狀態轉換控制的回饋,與發射機的控制進行連鎖,如圖4所示。

圖4 端口切換示意圖

3.2 控制裝置與控制程序的合理設計

兩個發射機的切換必須在安全可靠的情況下進行,確定“在非高壓的狀態下進行切換” 的切換原則,避免有微波輸出時切換過程中由于駐波變化引起波導打火。同時,匹配負載的功率不足以承擔滿功率微波的輸出,一旦滿功率輸出的微波切換到負載上會造成負載的損壞。

波導開關組件采用交流220 V控制,其控制電路的電路圖如圖4所示。有兩個控制端(控制1、控制2)可以控制電機轉動。控制端不同,電機的轉動方向不同,分別是正轉、反轉,交替饋送控制電信號就可實現波導開關在兩個位置之間的轉換。由圖5可見,開關組件內裝有兩個限位開關,分別用K1、K2表示。每個開關有兩組節點,在位置1時,K1提供位置信息的節點為常閉節點,K2的為常開,用K1這一組閉合信息與A機的高壓開機信號連鎖,A機此時才能加高壓。一旦波導開關在位置1的情況下,就不需要利用控制1的信號再對電機進行向位置1轉動的控制,所以K1的節點是常開的。此時轉為用K2來控制電機轉動的節點為常閉,可控制波導開關從位置1向位置2切換。當波導開關處于位置2的情況下,所有節點反轉。

根據切換原則和波導開關控制電路的特性,為使波導開關位置和發射機輸出微波準確對應,杜絕紊亂造成故障,從硬件和軟件兩個方面采取措施。

圖5 波導開關電路圖

在硬件上,首先在每個發射機的控制面板上增加“波導切換控制開關”,只有按下開關才會向電機發送控制信號。其次,在每個發射機的控制電路中增加互鎖繼電器K4(如圖6所示),用來對備份發射機控制電機信號進行鎖定,即A機K4的一組常閉節點與B機K4線包控制線串聯,一旦A機控制電機,A機K4動作,常閉節點斷開,B機無法對電機進行控制,反之也然。如此,在硬件上對波導開關的電機控制進行了互鎖控制,每次只能接受一個發射機的控制信號。切換時,必須將處于控制地位的發射機控制面板上的“波導切換控制開關”抬起,K4恢復到常態,常閉節點接通,再按下備份發射機的“波導切換控制開關”,電機才會接收到備份發射機的控制信號,進行位置轉換。

在軟件上,利用波導開關組件提供的位置信號與發射機加高壓的控制信號連鎖,只有波導開關的位置正確才能加高壓。與此同時,另一個發射機受控不能加高壓。在加上高壓后,通過發射機的控制軟件,對該發射機的“波導切換控制開關”的輸入控制鎖定,此時即使抬起面板上的開關也不能改變波導開關的位置,從而確保在高壓狀態下對波導開關狀態的鎖定,避免在有微波功率輸出的情況下進行波導轉換。此時,只有斷高壓后才會打開此鎖,方可進行波導開關位置的轉換。

遙控時,在遙控界面上同樣設置“波導切換控制開關”,發射機控制電路中的連鎖繼電器K4繼續承擔連鎖功能。控制軟件的連鎖關系與本控相同,唯一不同的是A、B發射機控制面板上的“波導切換控制開關”均處于抬起(斷開)狀態。

合理的控制裝置及軟件設計使得波導開關的控制安全可靠,從未出現失控情況。

圖6 波導開關的控制互鎖

4 完備的監控保護設計

發射機的監控/保護系統能否正常可靠地工作并對隨時可能出現的故障及時給予保護或告警是發射機設計成功與否的關鍵。為此,必須對故障點的設置合理布局,力求完全、合理、可靠,故障定位準確,做到系統內90%以上的功能塊(功能插件)具有故障檢測功能。整個發射機監控系統的故障點設置原則上是每個單元(分機或功能塊)設置一個故障點以表示各單元工作正常與否。至于各單元所產生的具體故障原因則依賴于單元內部的故障點設置。[5]

主監控與雷達總監控進行串行通訊,及時接受雷達操縱員的控制指令,完成發射機低壓、高壓3個檔位和故障復位等控制,及時傳送發射機的工作狀態和故障信息以及輸出功率、速調管總流、管體電流、高壓等工作參數。在雷達操縱臺上就能全面掌握發射機的工作情況和實時控制發射機的工作狀態,真正達到發射機無人值守工作狀態。

5 結束語

真空管發射系統采用雙機備份多見于小功率、冷備份的方式,在國內外的產品中極少見到功率高達MW級的發射機采用雙機備份的方式,而且是雙機熱備份。已經在某型雷達上驗證了發射機雙機熱備份方式及其控制的有效性,極大地提高了發射機的可靠性。本文所闡述的各種新技術,所涉及的高功率切換控制技術都具有廣泛的應用前景,如微波武器、高能物理及加速器等均有應用。

[1] 何丁鷺飛,耿富錄.雷達原理[M].3版.西安:電子科技大學出版社,2014.

[2] 張建華.W波段大功率發射機設計與研究[J].雷達與科學技術,2014(5):64-67.

[3] 孫方禮.一種IGBT-HVSM模式多注速調管發射機設計[J].雷達與對抗,2011(2):53-54.

[4] 張松春,等.電子控制設備抗干擾技術及其應用[M].北京:機械工業出版社,1989.

[5] 何其文. S段高功率速調管發射機設計[J]. 現代雷達,2007(5):93-94.

Design and control method of a high-power transmitter

JI An, ZHANG Jian-hua, TAO Xiao-hui

(No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088)

The design and control method of a high-power hot standby transmitter is introduced emphatically. The transmitter system adopts two identical transmitters, which can be automatically switched through controlling the waveguide switch. The output feeders of the transmitters are connected to the antenna via the electric waveguide switch. The engineering implementation of the hot standby transmitter is analyzed, and the application and control implementation of the waveguide switch and its control device are introduced. Finally, the switch control and the improvement of the reliability of the transmitter system are given.

transmitter; klystron; hot standby; high-power circulator

2016-11-23;

2017-01-20

紀安(1979-),男,工程師,研究方向:真空管雷達發射系統和固態調制器;張建華(1961-),男,研究員,研究方向:真空管雷達發射系統和固態調制器;陶小輝(1981-),男,高級工程師,研究方向:真空管雷達發射系統。

TN837

A

1009-0401(2017)02-0037-04