X波段高功率發射機的設計與實現

徐小杰

(海軍702廠，上海 200434)

0 引言

在維修某電子產品時，需要研制設計一款X波段的高功率發射機，要求其輸出功率不小于2 kW，且具備成本低、體積小、質量輕、性能好等特點。

X波段高功率發射機可采用自激振蕩式和主振放大式兩種方式實現。自激振蕩式發射機可采用磁控管振蕩器等設計實現，主振放大式發射機可以采用行波管、速調管、固態放大器等設計實現。固態放大器輸出功率均偏小，行波管和速調管成本過高。綜合考慮設計要求，最終采用磁控管振蕩器實現X波段高功率發射機設計。本文介紹一款工作在X波段的磁控管自激振蕩式高功率發射機，該發射機工作電壓為6000 V，工作電流為75 μA，輸出功率大于2 kW，輸出接口為波導輸出，能夠滿足設計要求。

1 高功率發射機設計

本文主要研制一款工作在X波段，輸出功率大于2 kW，輸出接口形式為BJ波導輸出的磁控管自激振蕩式高功率發射機。經過指標計算和分解，該X波段高功率發射機系統由脈沖放大器、調制器、高頻振蕩器、穩壓電源、高壓電源等組成，其原理框圖如圖1所示。

圖1 X波段高功率發射機原理框圖

1.1 脈沖放大器

本脈沖放大器主要由脈沖變壓器T1、開關三極管Q1等組成。根據調制器中閘流管的要求，脈沖放大器將整機送來的幅度為3 V、寬度為1±0.1 μs的發射脈沖，經過整形、放大，產生閘流管點火脈沖，供閘流管柵極點火觸發，其電原理圖如圖2所示。發射脈沖由整機送來后經過C2隔直加到Q1的柵極上，在脈沖間歇期間Q1截止，當發射脈沖來到時Q1工作，約200 V的電源電壓大部分降到脈沖變壓器T1的初級上，該電壓經過T3的次級形成輸出幅度大于100 V、寬度約為1.2 μs的點火脈沖。點火脈沖通過T3次級經C5、L1送至閘流管VE1的柵極。

圖2 脈沖放大器電原理圖

1.2 電源系統

電源系統主要包含穩壓電源、燈絲電源、高壓電源三部分。穩壓電源部分是由整機提供的直流230 V電壓，用于給脈沖放大器提供工作電壓。燈絲電源主要由2個燈絲變壓器通過整機提供的交流220 V電壓變換得到閘流管燈絲電壓1和磁控管燈絲電壓2。高壓電源是通過整機提供的交流220 V電壓變換得到調制器工作所需的直流1000 V電壓。其原理圖如圖3所示。

圖3 電源系統電原理圖

圖4 調制器電原理圖

1.3 調制器

調制器的任務是根據高頻振蕩器工作的需要，提供規定脈寬、規定重復頻率和規定幅度的脈沖電壓。該發射機采用的是線型脈沖調制器，也稱軟性脈沖調制器。所謂線型脈沖調制器，其實質是通過電壓在形成線(又稱人工線)中的傳播來形成脈沖的。主要由充電電感L3、脈沖人工線D1、閘流管VE1、脈沖變壓器T5等組成，調制器電原理圖如圖4所示。1.3.1 人工線人工線在線型調制器中起著儲存能量和形成脈沖的雙重作用。人工線的工作原理，實際上就是模擬開路傳輸線放電形成脈沖的原理。 對于一個已經充上電壓E的開路傳輸線L，在其始端接入負載電阻R，R的值等于傳輸線的特性阻抗ρ時，R上就能得到一個E/2幅度的脈沖，如圖5所示。用均勻開路傳輸線的放電形成脈沖雖然是可行的，但若要產生一個0.1 μs的脈沖，分布參數的長線L很難實現。例如，用空氣介質的同軸線形成0.1 μs的脈沖，其長度L為(0.1/2)×3×108×10-6=15 m，在發射機內安裝15 m高壓同軸傳輸線顯然是不可行的。于是采用了集中參數(電感L和電容C)的人工線來模擬分布參數的均勻傳輸線，這就是本文設計所使用的人工線。該發射機人工線采用的形式是：把一段均勻的無損耗傳輸線分成幾個依次連接的長度相等的小部分，把每一小部分的分布電感的總和用集中參數的電感L來表示，再把每一小部分的分布電容用集中參數的電容C來表示。這樣就會得到如圖6所示的人工線原理圖，用來形成0.1 μs的脈沖。在這里，人工線的阻抗為：ρ=(L/C)1/2

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1.3.2閘流管閘流管具有工作電壓高、脈沖電流大、點火時間穩定、消電離速度快和管壓降小等優點，因而是線型脈沖調制器中應用最多的一種開關器件。由于其管內充有氫氣，所以又稱氫閘流管。普通的閘流管有三個電極：陽極(或稱板極)、柵極和陰極，此外還有一個加熱氧化物陰極用燈絲和一個氫發生器。該發射機使用的陶瓷閘流管就是其中的一種。

圖5 開路傳輸線形成

圖6 人工線原理圖

圖7 直流電感充電等效電路

氫發生器是一個裝有鈦氫化合物粉末的小管，能在加熱時釋放出氫氣，并在溫度不變的情況下保持管內有一定的氣壓。通常加熱氫發生器用的熱絲與燈絲是并聯在一起的。閘流管在接通燈絲電壓以后，管內不能立即出現穩定的氣壓，故要求燈絲有3～5 min的預熱時間。管內氣壓不足或者管內氣壓過高，都會導致閘流管工作異常或者縮短壽命，管內氣壓與氮發生器的溫度密切相關，所以在閘流管使用期間，其燈絲電壓的變動不允許超過額定值的±5%～±7%。閘流管具有良好的觸發特性。觸發延遲時間非常短，時間跳動也很小，在壽命期內參數的變化很小。但為了觸發閘流管，必須在柵極之間提供足夠的正電壓并供給柵陰一定的電流。該發射機的閘流管柵極發射脈沖的幅度約為100～200 V，寬度約為1～1.5 μs，幅度或寬度不夠都會影響閘流管觸發的穩定性。1.3.3調制器的充電線型調制器的工作可分為充電和放電兩個過程。充電電路通常由電源、儲能元件和負載組成。為了防止在脈沖期間電源被開關管短路，在電源與開關管之間必須接有隔離元件。充電隔離元件有充電電感和充電電阻兩種。采用充電電阻效率較低，在小功率調制器中對充電效率要求不高時可以采用。而大功率調制器幾乎都選擇了充電電感作隔離元件。在調制器的充電電路中，由于充電時間比放電時間大得多，且充電電感遠比人工線的電感和脈沖變壓器初級的等效電感大得多，所以，可以把人工線等效為一個電容C0，其容量即人工線電容的值。這樣，直流電感充電電路就可以等效為圖7。1.3.4調制器的放電線型調制器的放電電路，正如前文所介紹的人工線的放電電路，當負載阻抗等于人工線的特性阻抗(R=ρ)時，為匹配放電，負載R上所得到脈沖電壓幅度約為人工線充電電壓的1/2，此時，輸出功率最大，其傳輸效率接近于1。在失配的情況下，其傳輸效率也就隨之降低了。然而負載阻抗往往會由于某些因素而變化，從而破壞電路的匹配性。例如磁控管的老化，會引起負載阻抗增大，可能會出現正失配的放電狀態，而正失配放電又會導致閘流管連通，破壞調制器的正常工作。此外，磁控管或脈沖變壓器打火，引起負載短路，使電路處于嚴重的負失配放電，這就不僅破壞了人工線的穩定充電過程，而且有可能在人工線上建立起足以使閘流管擊穿的危險過電壓。所以在設計調制器的放電電路時，一般都采用略微負失配的狀態，避免發生正失配現象。1.3.5脈沖變壓器該發射機在線型脈沖調制器中，采用了脈沖變壓器，用于實現磁控管振蕩器工作所需的高壓脈沖電。其主要功能為：通過變化，改變脈沖電壓的幅度；改變脈沖電壓的極性；使負載電阻與信號源的阻抗相匹配；采用數個次級，可以得到不同幅度、不同極性的數個脈沖電；可作耦合元件，消除輸出電壓的直流分量。

1.4 高頻振蕩器

磁控管振蕩器是一種經濟實用的微波振蕩器。它的主要特點是功率大、效率高、工作電壓低(與其它高功率微波源相比)，其結構簡單，從而帶來體積小、質量輕、使用方便、工作可靠、成本低等一系列優點，因此獲得了廣泛的應用。磁控管的品種繁多，按工作狀態可分為脈沖磁控管和連續波磁控管；按頻率是否可調分為固定頻率磁控管和頻率可調磁控管；按調頻方式可分為機械調頻磁控管、旋轉調頻磁控管和電壓調諧磁控管；按內部結構，又可分為普通磁控管、同軸磁控管和反同軸磁控管。 磁控管的主要技術參數包括：振蕩中心頻率及調頻范圍，輸出脈沖功率，脈沖寬度和工作比，陽極電壓，脈沖工作電流，熱絲電壓和電流，使用環境條件，結構要求，燈絲預熱時間等。磁控管是利用外加的直流電場和恒定磁場(非包裝式也有交流磁場)來控制電子的運動，使其與慢波系統的交變磁場相互作用而產生振蕩的微波器件。磁控管采用封閉的環形慢波系統(即磁控管的陽極)，環形慢波系統的中間，有一個圓柱形的氧化物陰極，陰極內部是燈絲，燈絲的一端與陰極相連接。在慢波系統的一個腔體中放入一個耦合環，用以把管內的高頻能量引出，并轉入波導輸出端。該X波段高功率發射機使用的是旋轉調諧頻率磁控管。

2 樣件制作與測試

設計完成后，進行了X波段高功率發射機樣件的加工、裝配、測試，樣件裝配滿足設計要求，圖8是X波段高功率發射機實物圖。X波段高功率發射機測試結果滿足技術要求，輸出波形完整。

3 結束語

本文基于線型脈沖調制器技術，通過設計研制，在X波段產品工作頻帶內，實現了輸出功率2 kW的高功率發射機，尺寸為350 mm×230 mm×200 mm，該發射機具備成本低、體積小、質量輕、性能好等特點，滿足產品設計要求。經測試，該X波段高功率發射機在工作頻帶內，參數測試合格，工作性能穩定，滿足設計要求，已生產用于整機系統，并顯著提高了整機性能，完成了某電子產品的維修任務。■