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1、一种机载小型化雷达发射机的设计 *柳拓鹏(中国电子科技集团公司第三十八研究所,安徽合肥230088)摘要:介绍了一种适用于机载雷达或电子对抗系统的小型化雷达发射机,给出了系统的设计指标及组成框图,并对工程设计中的高压开关电源技术、脉冲调制器技术、发射机控制及保护、高压固态绝缘、热设计等多项关键技术进行了探讨并给出具体的实现方法,对发射机的主要设计参数进行了分析计算,结合实际的工程设计,对计算结果的工程修正原则及方法进行了探讨,最后给出了该发射机的实验热测结果和实物照片,对该发射机的应用前景进行了分析和预期。 关键词:连续波;全桥移相;调制器;固态绝缘 1引言 机载环境下,雷达系统对发射机的体积
2、、重量提出了苛刻的要求。本文介绍了一种针对机载环境设计的中功率、小型化、宽带雷达发射机。该发射机经过机载实验验证,工作稳定可靠,在机载雷达系统、电子对抗系统中具有很好的应用前景。 发射机的结构形式采用模块化设计,便于批量生产,可采用多个模块进行功率合成,实现大功率的机载雷达或电子对抗设备。 2发射机系统组成及主要技术指标2.1发射机主要设计指标工作频率:X波段发射信号脉冲宽度:2s连续波输出功率(连续波):50W带内起伏:不大于1.5dB发射脉冲重复频率:040kHz调制脉冲上升时间、下降时间:100ns输入电源:28VDC10%重量:6kg2.2发射机组成发射机组成框图如图1所示,发射机主要
3、由行波管、灯丝电源、高压电源、调制器、控保、冷却和输出微波器件等组成。调制器将主控台送来的时序信号转化为控制行波管通断的聚焦极控制信号;高压电源提供合乎要求的阴极高压及收集极高压;冷却设计确保行波管、高压电源及其他电路在规定的环境温度下可靠工作。控保电路进行开关机时序的互锁控制及在故障时提供可靠保护、进行故障隔离及定位。射频输出部分由环行器、定向耦合器组成,环行器保证在负载失配的情况下行波管不损坏,耦合器用于发射机输出状态的监测。 图1发射机组成框图 3关键技术3.1小型化、高功率密度开关电源设计为了实现小型化、轻重量的要求,行波管直流高压采用串联馈电。高压电源原理图如图2所示,采用全桥移相软
4、开关电路拓扑,开关管U1和U2、U3和U4分别受两组互补的驱动信号控制,L1为谐振电感,利用L1和功率MOSFET输出电容的谐振,可使4个开关管依次在零电压下导通,实现恒频软开关。C1为隔直电容,其作用是避免因电路特性不对称产生直流偏磁而导致变压器饱和。开关工作频率为100kHz,最大占空比为95%。阴极高压输出EK=-4 100 V,收集极高压输出EC=-2100V,收集极电流IC=152 mA,管体电流IH=1.5mA,一次电源采用28VDC,假定高压电源变换效率为85%,则高压电源供电功率为Pin=EKIH+ECIC=325W (1)图2高压电源实现原理图在高压电源设计中,高压变压器采用
5、扁平结构,以减小体积;为了减小高压变压器分布电容,高压端整流电路采用倍压整流。在最小直流输入条件下,高压电源变压器总变比为n =VoutVinD0.5=91 (2)隔直电容不参与谐振,本高压电源初级供电电压较低,其谐振回路电流较大,则要求隔直电容具有很好的高频性能、具有较大的额定交流电流能力,在此选择多只聚丙烯薄膜电容并联实现。 实际使用中,该高压电源满载情况下效率优于92%。 3.2聚焦极脉冲调制器设计 本发射机行波管采用聚焦极脉冲调制,聚焦极正偏压为0V,聚焦极截至偏压为-1200V。调制视频脉冲在低电位产生,并进行时序编码,产生两路控制脉冲,分别经高压光耦、变压器隔离后送高电位驱动开启和
6、截尾开关。为了保证调制器有较好的前后沿,本调制器选用IXYS公司的IX-BH9N160作为调制开关管,调制器实现原理如图3所示。R3保证在脉冲间歇期间行波管处于关断状态。R2,R3为调制器充电回路及放电回路的限流电阻。调制器中采用TVS作为打火保护,在行波管打火时,聚焦极先于阴极接地,从而使调制开关承受阴极高压,在此设置TVS用于吸收从打火到保护电路动作阶段所产生的能量,从而保证调制器不损坏3。 图3调制器实现原理 本发射机所采用行波管聚焦极与阴极之间的分布电容约为200pF,实际使用中,调制器电路本身的分布电容有可能远大于行波管聚焦极与阴极之间的分布电容,在本设计中,分布电容按510pF进行
7、计算,在脉冲重复频率40kHz的条件下,负偏电源所需功率为P = CU2f =30 W (3)为了保证调制器前后沿小于100ns的设计要求,要求在调制器开启或关断过程中负偏电源能提供较大的瞬态电流,其电流大小为IVCt=6A (4)进而可以确定限流电阻R1,R2的阻值为RVI=200(5)在实际设计中,需要考虑开启关断过程中调制器所提供的充电电流并不是恒定不变的,且受开关管导通阻抗及引线阻抗的影响,需要适当地减小R1,R2的阻值,以保证调制器充电回路及放电回路的脉冲电流峰值。此外,在设计负偏电源的过程中,应考虑其提供脉冲电流的能力,脉冲电流主要由其输出电容提供,在工程上负偏电源的输出滤波电容取
8、值应大于调制器负载电容的10倍。 3.3系统控制及保护 本发射机控制与保护电路采用“EPLD+接口电路”的方法实现,EPLD主要实现发射机的时序控制及跟主监控台的通讯。发射机开关机控制信号及状态回读采用串行通讯模式,采用串口通讯模式可大大地降低监控电路的设备量,有利于提高可靠性、减小监控电路的体积。接口电路实现原理如图4所示。 图4接口电路原理 其中取样信号与设定的基准电平信号进行比较,产生一个状态信号,再经光电耦合器隔离后,转化成TTL电平送EPLD进行处理。EPLD具有高速并行数据处理的能力,在本设计中,EPLD外部时钟设置为50 MHz,在内部经分频电路分频后送各个子程序模块。对于故障信
9、号的处理及快保电路子模块,直接使用50MHz外部时钟,这样,可以大大地缩短发射机故障保护功能的反应时间。 本发射机设置,阴极过压、阴极欠压、收集极过压、收集极欠压、螺旋线过流、收集极过温和管体过流等主要故障4。 3.4固态灌封技术 在机载环境下,空气的绝缘强度相对于地面时有所下降,在对体积有严格要求的设备中,不能靠拉大绝缘距离来解决绝缘问题,一般采用液体绝缘或固体绝缘,相比较之下,固体绝缘在设备量、体积、重量方面较液体绝缘具有更大的优势,也是机载高压设备主要采用的绝缘方式。本发射机高压部分采用固体灌封,权衡导热性能、比重、粘弹性,选择硅橡胶作为本发射机高压部位的固体灌封材料。在选择合适的灌封材
10、料的同时,我们还需选择合适的灌封工艺,灌封工艺控制过程如图5所示。 图5固态灌封工艺流程 灌封前,应对灌封件表面进行清洗,并且进行预烘,灌封件表面底涂处理,避免固体杂质的混入而降低灌封材料与器件表面的粘结性形成沿面放电。真空排气可以避免在灌注体内形成气泡,以提高灌封材料抗击电场强度的能力,灌封过程中,应保证填料的流速,保证灌封腔体内空气全部被排出。 灌封厚度取决于灌封部件的工作电压和灌封材料的绝缘强度,灌封理论厚度为工作电压与灌封材料绝缘强度的比值,考虑灌封工艺、灌封材料的缺陷、以及高压器件表面电场分布不均匀等因素的影响,一般取理论厚度的35倍。这样可以获得最好的散热效果,又可以最大限度地减轻
11、灌封部件的重量5。 在整个工艺过程中,重点 控制底涂处理及真空排气两个过程,这也是高压灌封成败的关键所在。高压固灌封件的故障大部分都是因为灌封材料的缺陷引起的,而因器件失效所引起的故障是非常少的。 对于被灌封件,在电装过程中,对焊点应进行圆化处理,避免形成尖刺,最大限度地保证焊点处电场均布。 热设计 本发射机由一密封的盒体外加行波管组成,高压部分采用固体灌封,灌封材料为有机物,其导热性能一般都比较差。为了解决散热问题,选择绝缘灌封材料时应在保证绝缘强度的情况下尽量选择导热性能好的材料。对于浮于阴极电位需要散热的功率器件,则采用氧化铝陶瓷板作为其安装基板,紧贴盒体安装,保证高电位端功率器件的热量
12、能够均匀地传导至金属盒体表面。氧化铝陶瓷板具有很高的击穿电压、良好的机械强度、热导率高、热膨胀系数与硅材料相同,因而是提高电子设备功率密度的重要手段,是代表未来封装发展技术的基础,在高频开关电源、半导体功率模块、电源控制电路、军事与宇航电子等领域得到广泛应用6。 行波管为系统中散热量最大的器件,其收集极散热量约占这个发射机散热量的75%以上,为了保证其可靠工作,行波管收集极采用风冷进行冷却。 4测试结果 发射机实物照片如图6所示,利用微波信号源MG3692A,功率计E4417A及示波器对该发射机进行了热测。 图6发射机实物照片 热测分脉冲(脉冲重复频率为40kHz,占空比为50%)、连续波两种状态进行,测试结果如表1所示,测试时发射机工作状态参数如表2所示。 表1热测结果 5结束语本小型化发射机特别适合于对体积、重量有特殊要求的机载雷达及电子对抗系统,同时亦可进行多管空间功率合成,实现大功率的宽带电子对抗装备发射机,具有很好的应用前景
