W波段大功率回旋行波管發射機設計研究

馬秀衛，竇好剛

(中國電子集團公司第十四研究所，南京 210039)

W波段大功率回旋行波管發射機設計研究

馬秀衛，竇好剛

(中國電子集團公司第十四研究所，南京 210039)

介紹了國內首臺W波段大功率回旋行波管發射機的系統組成和關鍵技術，闡述了高壓電源、固態調制器、超導磁場技術、控制保護技術等基本原理和設計方法，給出了結構一體化設計難點和解決方法。測試結果表明，該發射機性能穩定，指標符合要求。最后對未來重點研究方向作了展望。

回旋行波管；高壓電源；固態調制器；控制保護；一體化設計

Abstract: The system composition and the key technologies of the first domestic W-band high-power gyro-TWT transmitter are introduced. The basic principles and the design methods of the high-voltage power supply, the solid-state modulator, the superconducting magnetic field technology, and control and protection technology are described, and the difficulties and solutions of the structural integration design are discussed. The test results show that the transmitter features stable performance and its specifications meet the requirements. Finally, the future research directions are prospected.

Keywords: gyro-TWT; high-voltage power supply; solid-state modulator; control and protection; integrated design

0 引 言

毫米波雷達具有波束窄、工作頻帶寬、距離和多普勒分辨率高、抗干擾能力強等特點，在深空探測、衛星編目、目標識別與成像領域有著廣闊的應用前景。[1]隨著數據測量精度及測量成像質量要求的進一步提高，對雷達選用的頻段提出了更高的要求。[2]同時，新一代雷達、通信、電子戰系統對微波功率源工作頻率、帶寬、輸出功率提出了更高的要求。近年來，更高頻段回旋行波管等微波器件的研制取得了突破進展[3-4]，達到了國外同等水平。本文介紹的國內首臺W波段大功率回旋行波管發射機采用的是國內最新研制的W波段回旋行波管。

1 發射機組成

發射機系統主要由控保電路、燈絲電源、鈦泵電源、超導磁體和磁場電源、固態調制器、冷卻系統和高壓電源等組成。組成框圖見圖1所示。發射機主要采用主振放大模式。高頻放大鏈路前級采用固態放大器，末級采用W波段回旋行波管放大器。

2 核心部件——W波段回旋行波管

W波段回旋行波管是毫米波雷達發射機功率放大器非常有吸引力的候選器件。在回旋行波管中，利用非諧振高頻結構來產生行波互作用，采用浸沒在軸向磁場中的螺旋電子注，行波由輸入耦合器耦合到互作用區間，行波需要和旋轉電子保持軸向相位同步。回旋行波管由磁控注入電子槍、輸入耦合器、駐波高頻互作用結構、輸出漸變段、收集極和輸出窗組成，其組成結構如圖2所示。

圖1 發射機組成框圖

圖2 W波段回旋行波管結構圖

W波段回旋行波管的主要特點有：

(1) 工作在較高的調制電壓下，對調制脈沖的波形質量要求高；

(2) 比速調管多一個陽極，和調制電壓成固定比例關系，一般由陰極高壓電阻分壓得到；

(3) 頻率高，尺寸小，工作參數精度和安裝精度要求高。

3 發射機關鍵技術

3.1 全開關高壓電源技術[5]

高壓電源是高功率雷達發射機的關鍵部分。全開關高壓電源技術是發射機小型化、輕量化、集成化的重要因素，也是衡量發射機先進性的重要指標。

經過幾年的技術公關，研制出了高壓大功率高頻升壓整流組件。該組件的輸入輸出隔離電壓達150 kV，每個組件功率輸出能力達20 kW。通過高頻逆變器和多個升壓整流組件的組合可以實現不同電壓等級且滿足大功率輸出的全開關高壓電源。該高壓電源采用相移式模塊化高壓電源方案。

高壓電源主要包括軟啟動電路、諧振變換器、控制電路、故障檢測電路、高壓升壓整流組件等。高壓電源組成框圖大致如圖3所示，3個逆變器推6個高頻升壓整流組件。高壓取樣電路對電源的輸出實時采樣，供控制電路完成對輸出電壓的調整和故障保護。高壓整流組件和取樣電路放在高壓油箱內，體積大大減小，解決了高壓耐壓問題。

圖3 高壓電源原理框圖

高壓電源采用集中驅動的方式，由集中控制器統一產生變換器所需的4路功率驅動脈沖，利用無源驅動技術耦合到變換器的4個橋臂上。驅動脈沖信號采用了功率信號傳輸，有效地抑制了干擾信號，提高了控制電路的可靠性，使得整個高壓電源的可靠性大大提高。

3.2 全固態調制器

調制器的性能和可靠性直接決定發射機的性能指標和可靠性。本機采用全固態調制器[6-7]，主要性能指標為：調制電壓最高100 kV，調制電流大于等于40 A，調制頂降小于5%，工作比大于6%。固態調制器原理圖如圖4所示。

調制器工作電壓高達100 kV，采用多個IGBT串聯方式提高開關組件的耐壓能力。圖4中均壓網絡具有靜態、動態均壓功能，使每只IGBT管承受的電壓均勻，避免單只IGBT管過壓損壞。采用多個IGBT管并聯可以提高調制器的承受電流沖擊的能力。特別是在負載打火時，采用多管并聯冗余設計，避免IGBT因過流沖擊而損壞。圖中M1…Mn是IGBT通過串并聯技術設計的調制開關組件。所有組件通過一路定時信號驅動，保證了所有的IGBT開關動作一致，避免了個別IGBT因驅動延遲導致過壓擊穿損壞。圖中R是限流電阻，在負載打火時可以限制短路電流的幅值，有效避免IGBT損壞。圖中C是儲能電容，用以提高輸出峰值電流的能力，電容值越大，調制脈沖頂降越小。實際應用中要根據脈沖頂降的要求選擇儲能電容的大小。

圖4 固態調制器原理圖

C=(I*τ)/ΔUC

式中，I為脈沖電流，τ為調制脈沖寬度，ΔUC為調制最大脈沖頂降。另外，調制高壓的輸出兩端通過電阻的分壓給回旋行波管提供第一陽極電壓。此W回旋行波管第一陽極與調制電壓分壓比為45∶80。

3.3 控制保護技術

控制保護技術是發射機系統設計的重要組成，對提高發射機的可靠性、穩定性及其性能的發揮具有十分重要的作用。控制保護系統組成框圖如圖5。采用PLC作為整個控制系統的核心，完成對發射機各部分的控制和模擬量、數字量的采集顯示。對于懸浮于高電位的模擬量和易受傳輸感應干擾的模擬量，采用V-F變換技術，將模擬量變換為頻率信號，通過光纖傳輸至低壓端，變換為電信號，送PLC的高速計模塊采集，以此來達到隔離高低點位、抑制干擾的目的，從而保證信號測量的精度及安全性。

圖5 控制保護系統組成框圖

針對核心部件W波段回旋行波管的保護策略主要有：

(1) 回旋行波管打火保護

T1、T2互感器在調制器輸入輸出的位置，用于檢測脈沖電流，并送至調制保護電路進行檢測保護。保護電路在回旋行波管打火或負載短路的情況下能在2 μs以內響應切斷調制器觸發信號，進而切斷高壓電源，防止回旋管調制電壓和電流過沖而損壞回旋行波管。

(2) 波導打火保護

W波段回旋行波管波導尺寸小，安裝要求精度高。安裝不當、饋線駐波過大或灰塵潮氣等原因會造成輸出波導打火而形成電弧。本機設計了快速保護電路，在發生駐波過大或后端打火時將檢測的信號送控制臺，快速關斷調制器和高壓電源。

3.4 結構一體化設計

除了常規的調制器、高壓電源、燈絲反線包電源、鈦泵電源、調制分機、控保分機等基本組成外，W波段回旋行波管發射機系統還需要超導磁體提供強大的磁場強度，精度要求高。超導磁體體積較大，除了大電流勵磁電源外還需要抽真空和低溫制冷。這就增加了設備量，為系統的集成化設計[8]帶來了難度。

將調制器、高壓升壓組件、燈絲電源高壓部分、限流電阻、補償線圈、回旋管高壓管座、檢測電路放置油箱內，實現了高壓部分和低壓部分的有效隔離。超導磁體固定于油箱上，回旋管穿過超導磁體中心孔通過油箱內高壓管座與調制輸出連接。超導磁體中心孔采用的是偏心設計，回旋管在超導磁體中心孔的位置偏差可能會改變磁場相對回旋行波管的分布，從而影響電子注的運動軌跡。通過高壓油箱電訊設計和結構設計的改進，實現回旋管與超導磁體中心孔相對位置定位準確、方便，保證回旋管處于最佳工作點。發射機整機集成實物圖如圖6所示。新增加的真空泵、壓縮機、油泵等外圍設備放置機柜內，有利于系統的集中控制和狀態采集，節約了一些昂貴材料的使用，如傳輸氦氣的波紋管。

3.5 超導磁體和磁場技術

W波段回旋行波管要求的磁場強度達到3.5 T。發射機外加磁場的穩定度要求非常高，輸出功率和增益對磁場強度的變化異常敏感。磁場電源、超導線包、超導制冷機為W回旋行波管提供外圍磁場。利用低溫制冷技術讓浸泡在液氮中的線圈具備超導能力,阻值為0 Ω。超導磁體的性能也直接關系到磁場強度和分布狀態。該發射機采用的是由中科院電工研究所研制的新一代超導磁體系統。

圖6 發射機實物圖

4 測試結果

W波段回旋行波管發射機具有工作電壓高、電流大、功率高的特點。本機經過測試，經過了6 h工作考機，工作穩定可靠，其工作比達到6%，脈沖頂降符合要求，主副瓣比優于12 dB。圖7為脈沖電流波形和高頻檢波波形。圖8、圖9為所測的左右主副瓣比。

圖7 脈沖電流波形和高頻檢波波形

圖8 發射機輸出頻譜圖(一)

圖9 發射機輸出頻譜圖(二)

5 結束語

本文所述的W波段回旋行波管發射機具有功率大、帶寬寬的特點，工作穩定可靠。它采用全開關高壓電源、全固態調制器，有利于模塊化設計，其結構一體化設計增加了系統的集成度，可以應用于多種平臺。發射機實測功率和波形指標滿足設計要求。為了適應未來毫米波雷達的發展方向，該波段發射機應該進一步提高發射功率，拓寬工作脈寬和工作帶寬。同時，超導磁體的快速制冷和磁場電流的快速啟動、縮短發射機整機啟動時間也將是未來重點突破的難點。

[1] 同武勤,凌永順. 毫米波雷達的應用及發展[J].光電技術及應用, 2004,19(4)：51-54.

[2] 卞雷祥,徐春林. 毫米波遠程測量雷達性能提高技術[J].現代雷達, 2013,35(1)：11-14.

[3] 劉濮鯤, 杜朝海. 毫米波回旋行波放大器的發展評述[J].微波學報, 2013,29(5-6)：33-42.

[4] 蒲友雷.大功率毫米波回旋速調和行波放大器件研究[D].成都:電子科技大學,2012.

[5] 戴廣明, 田為,黃軍. 新型大功率全固態調制器[J].電力電子技術, 2004,5(38)：63-65.

[6] 戴廣明,田為,黃軍,等.基于新型DSP的高壓開關電源[J].現代雷達,2009,31(2):85-88.

[7] 孫榮棣, 戴廣明. IGBT在雷達發射機在雷達發射機調制器中的應用[J].現代雷達, 2002,24(3)：66-68.

[8] 戴廣明. 大功率雷達發射機的“三化”研究[J].現代雷達, 2011,33(11)：1-5.

Design of a W-band high-power gyro-TWT transmitter

MA Xiu-wei, DOU Hao-gang

(No.14 Research Institute of CETC, Nanjing 210039)

TN832

A

1009-0401(2017)03-0043-04

2017-07-03;

2017-07-19

馬秀衛(1983-)，男，工程師，碩士，研究方向：雷達發射機及高功率設備；竇好剛(1977-)，男，高級工程師，碩士，研究方向：雷達發射機及高功率設備。