通信論文一種機(jī)載小型化雷達(dá)發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)

1、一種機(jī)載小型化雷達(dá)發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì) *柳拓鵬(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088)摘要:介紹了一種適用于機(jī)載雷達(dá)或電子對(duì)抗系統(tǒng)的小型化雷達(dá)發(fā)射機(jī),給出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)及組成框圖,并對(duì)工程設(shè)計(jì)中的高壓開關(guān)電源技術(shù)、脈沖調(diào)制器技術(shù)、發(fā)射機(jī)控制及保護(hù)、高壓固態(tài)絕緣、熱設(shè)計(jì)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討并給出具體的實(shí)現(xiàn)方法,對(duì)發(fā)射機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了分析計(jì)算,結(jié)合實(shí)際的工程設(shè)計(jì),對(duì)計(jì)算結(jié)果的工程修正原則及方法進(jìn)行了探討,最后給出了該發(fā)射機(jī)的實(shí)驗(yàn)熱測(cè)結(jié)果和實(shí)物照片,對(duì)該發(fā)射機(jī)的應(yīng)用前景進(jìn)行了分析和預(yù)期。 關(guān)鍵詞:連續(xù)波;全橋移相;調(diào)制器;固態(tài)絕緣 1引言 機(jī)載環(huán)境下,雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)發(fā)射機(jī)的體積

2、、重量提出了苛刻的要求。本文介紹了一種針對(duì)機(jī)載環(huán)境設(shè)計(jì)的中功率、小型化、寬帶雷達(dá)發(fā)射機(jī)。該發(fā)射機(jī)經(jīng)過機(jī)載實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,工作穩(wěn)定可靠,在機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)、電子對(duì)抗系統(tǒng)中具有很好的應(yīng)用前景。 發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)形式采用模塊化設(shè)計(jì),便于批量生產(chǎn),可采用多個(gè)模塊進(jìn)行功率合成,實(shí)現(xiàn)大功率的機(jī)載雷達(dá)或電子對(duì)抗設(shè)備。 2發(fā)射機(jī)系統(tǒng)組成及主要技術(shù)指標(biāo)2.1發(fā)射機(jī)主要設(shè)計(jì)指標(biāo)工作頻率:x波段發(fā)射信號(hào)脈沖寬度:2s連續(xù)波輸出功率(連續(xù)波):50w帶內(nèi)起伏:不大于1.5db發(fā)射脈沖重復(fù)頻率:040khz調(diào)制脈沖上升時(shí)間、下降時(shí)間:100ns輸入電源:28vdc10%重量:6kg2.2發(fā)射機(jī)組成發(fā)射機(jī)組成框圖如圖1所示,發(fā)射機(jī)主要

3、由行波管、燈絲電源、高壓電源、調(diào)制器、控保、冷卻和輸出微波器件等組成。調(diào)制器將主控臺(tái)送來的時(shí)序信號(hào)轉(zhuǎn)化為控制行波管通斷的聚焦極控制信號(hào);高壓電源提供合乎要求的陰極高壓及收集極高壓;冷卻設(shè)計(jì)確保行波管、高壓電源及其他電路在規(guī)定的環(huán)境溫度下可靠工作。控保電路進(jìn)行開關(guān)機(jī)時(shí)序的互鎖控制及在故障時(shí)提供可靠保護(hù)、進(jìn)行故障隔離及定位。射頻輸出部分由環(huán)行器、定向耦合器組成,環(huán)行器保證在負(fù)載失配的情況下行波管不損壞,耦合器用于發(fā)射機(jī)輸出狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。 圖1發(fā)射機(jī)組成框圖 3關(guān)鍵技術(shù)3.1小型化、高功率密度開關(guān)電源設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)小型化、輕重量的要求,行波管直流高壓采用串聯(lián)饋電。高壓電源原理圖如圖2所示,采用全橋移相軟

4、開關(guān)電路拓?fù)?開關(guān)管u1和u2、u3和u4分別受兩組互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制,l1為諧振電感,利用l1和功率mosfet輸出電容的諧振,可使4個(gè)開關(guān)管依次在零電壓下導(dǎo)通,實(shí)現(xiàn)恒頻軟開關(guān)。c1為隔直電容,其作用是避免因電路特性不對(duì)稱產(chǎn)生直流偏磁而導(dǎo)致變壓器飽和。開關(guān)工作頻率為100khz,最大占空比為95%。陰極高壓輸出ek=-4 100 v,收集極高壓輸出ec=-2100v,收集極電流ic=152 ma,管體電流ih=1.5ma,一次電源采用28vdc,假定高壓電源變換效率為85%,則高壓電源供電功率為pin=ekih+ecic=325w (1)圖2高壓電源實(shí)現(xiàn)原理圖在高壓電源設(shè)計(jì)中,高壓變壓器采用

5、扁平結(jié)構(gòu),以減小體積;為了減小高壓變壓器分布電容,高壓端整流電路采用倍壓整流。在最小直流輸入條件下,高壓電源變壓器總變比為n =voutvind0.5=91 (2)隔直電容不參與諧振,本高壓電源初級(jí)供電電壓較低,其諧振回路電流較大,則要求隔直電容具有很好的高頻性能、具有較大的額定交流電流能力,在此選擇多只聚丙烯薄膜電容并聯(lián)實(shí)現(xiàn)。 實(shí)際使用中,該高壓電源滿載情況下效率優(yōu)于92%。 3.2聚焦極脈沖調(diào)制器設(shè)計(jì) 本發(fā)射機(jī)行波管采用聚焦極脈沖調(diào)制,聚焦極正偏壓為0v,聚焦極截至偏壓為-1200v。調(diào)制視頻脈沖在低電位產(chǎn)生,并進(jìn)行時(shí)序編碼,產(chǎn)生兩路控制脈沖,分別經(jīng)高壓光耦、變壓器隔離后送高電位驅(qū)動(dòng)開啟和

6、截尾開關(guān)。為了保證調(diào)制器有較好的前后沿,本調(diào)制器選用ixys公司的ix-bh9n160作為調(diào)制開關(guān)管,調(diào)制器實(shí)現(xiàn)原理如圖3所示。r3保證在脈沖間歇期間行波管處于關(guān)斷狀態(tài)。r2,r3為調(diào)制器充電回路及放電回路的限流電阻。調(diào)制器中采用tvs作為打火保護(hù),在行波管打火時(shí),聚焦極先于陰極接地,從而使調(diào)制開關(guān)承受陰極高壓,在此設(shè)置tvs用于吸收從打火到保護(hù)電路動(dòng)作階段所產(chǎn)生的能量,從而保證調(diào)制器不損壞3。 圖3調(diào)制器實(shí)現(xiàn)原理 本發(fā)射機(jī)所采用行波管聚焦極與陰極之間的分布電容約為200pf,實(shí)際使用中,調(diào)制器電路本身的分布電容有可能遠(yuǎn)大于行波管聚焦極與陰極之間的分布電容,在本設(shè)計(jì)中,分布電容按510pf進(jìn)行

7、計(jì)算,在脈沖重復(fù)頻率40khz的條件下,負(fù)偏電源所需功率為p = cu2f =30 w (3)為了保證調(diào)制器前后沿小于100ns的設(shè)計(jì)要求,要求在調(diào)制器開啟或關(guān)斷過程中負(fù)偏電源能提供較大的瞬態(tài)電流,其電流大小為ivct=6a (4)進(jìn)而可以確定限流電阻r1,r2的阻值為rvi=200(5)在實(shí)際設(shè)計(jì)中,需要考慮開啟關(guān)斷過程中調(diào)制器所提供的充電電流并不是恒定不變的,且受開關(guān)管導(dǎo)通阻抗及引線阻抗的影響,需要適當(dāng)?shù)販p小r1,r2的阻值,以保證調(diào)制器充電回路及放電回路的脈沖電流峰值。此外,在設(shè)計(jì)負(fù)偏電源的過程中,應(yīng)考慮其提供脈沖電流的能力,脈沖電流主要由其輸出電容提供,在工程上負(fù)偏電源的輸出濾波電容取

8、值應(yīng)大于調(diào)制器負(fù)載電容的10倍。 3.3系統(tǒng)控制及保護(hù) 本發(fā)射機(jī)控制與保護(hù)電路采用“epld+接口電路”的方法實(shí)現(xiàn),epld主要實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)的時(shí)序控制及跟主監(jiān)控臺(tái)的通訊。發(fā)射機(jī)開關(guān)機(jī)控制信號(hào)及狀態(tài)回讀采用串行通訊模式,采用串口通訊模式可大大地降低監(jiān)控電路的設(shè)備量,有利于提高可靠性、減小監(jiān)控電路的體積。接口電路實(shí)現(xiàn)原理如圖4所示。 圖4接口電路原理 其中取樣信號(hào)與設(shè)定的基準(zhǔn)電平信號(hào)進(jìn)行比較,產(chǎn)生一個(gè)狀態(tài)信號(hào),再經(jīng)光電耦合器隔離后,轉(zhuǎn)化成ttl電平送epld進(jìn)行處理。epld具有高速并行數(shù)據(jù)處理的能力,在本設(shè)計(jì)中,epld外部時(shí)鐘設(shè)置為50 mhz,在內(nèi)部經(jīng)分頻電路分頻后送各個(gè)子程序模塊。對(duì)于故障信

9、號(hào)的處理及快保電路子模塊,直接使用50mhz外部時(shí)鐘,這樣,可以大大地縮短發(fā)射機(jī)故障保護(hù)功能的反應(yīng)時(shí)間。 本發(fā)射機(jī)設(shè)置,陰極過壓、陰極欠壓、收集極過壓、收集極欠壓、螺旋線過流、收集極過溫和管體過流等主要故障4。 3.4固態(tài)灌封技術(shù) 在機(jī)載環(huán)境下,空氣的絕緣強(qiáng)度相對(duì)于地面時(shí)有所下降,在對(duì)體積有嚴(yán)格要求的設(shè)備中,不能靠拉大絕緣距離來解決絕緣問題,一般采用液體絕緣或固體絕緣,相比較之下,固體絕緣在設(shè)備量、體積、重量方面較液體絕緣具有更大的優(yōu)勢(shì),也是機(jī)載高壓設(shè)備主要采用的絕緣方式。本發(fā)射機(jī)高壓部分采用固體灌封,權(quán)衡導(dǎo)熱性能、比重、粘彈性,選擇硅橡膠作為本發(fā)射機(jī)高壓部位的固體灌封材料。在選擇合適的灌封材

10、料的同時(shí),我們還需選擇合適的灌封工藝,灌封工藝控制過程如圖5所示。 圖5固態(tài)灌封工藝流程 灌封前,應(yīng)對(duì)灌封件表面進(jìn)行清洗,并且進(jìn)行預(yù)烘,灌封件表面底涂處理,避免固體雜質(zhì)的混入而降低灌封材料與器件表面的粘結(jié)性形成沿面放電。真空排氣可以避免在灌注體內(nèi)形成氣泡,以提高灌封材料抗擊電場(chǎng)強(qiáng)度的能力,灌封過程中,應(yīng)保證填料的流速,保證灌封腔體內(nèi)空氣全部被排出。 灌封厚度取決于灌封部件的工作電壓和灌封材料的絕緣強(qiáng)度,灌封理論厚度為工作電壓與灌封材料絕緣強(qiáng)度的比值,考慮灌封工藝、灌封材料的缺陷、以及高壓器件表面電場(chǎng)分布不均勻等因素的影響,一般取理論厚度的35倍。這樣可以獲得最好的散熱效果,又可以最大限度地減輕

11、灌封部件的重量5。 在整個(gè)工藝過程中,重點(diǎn) 控制底涂處理及真空排氣兩個(gè)過程,這也是高壓灌封成敗的關(guān)鍵所在。高壓固灌封件的故障大部分都是因?yàn)楣喾獠牧系娜毕菀鸬?而因器件失效所引起的故障是非常少的。 對(duì)于被灌封件,在電裝過程中,對(duì)焊點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行圓化處理,避免形成尖刺,最大限度地保證焊點(diǎn)處電場(chǎng)均布。 熱設(shè)計(jì) 本發(fā)射機(jī)由一密封的盒體外加行波管組成,高壓部分采用固體灌封,灌封材料為有機(jī)物,其導(dǎo)熱性能一般都比較差。為了解決散熱問題,選擇絕緣灌封材料時(shí)應(yīng)在保證絕緣強(qiáng)度的情況下盡量選擇導(dǎo)熱性能好的材料。對(duì)于浮于陰極電位需要散熱的功率器件,則采用氧化鋁陶瓷板作為其安裝基板,緊貼盒體安裝,保證高電位端功率器件的熱量能夠均勻地傳導(dǎo)至金屬盒體表面。氧化鋁陶瓷板具有很高的擊穿電壓、良好的機(jī)械強(qiáng)度、熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)與硅材料相同,因而是提高電子設(shè)備功率密度的重要手段,是代表未來封裝發(fā)展技術(shù)的基礎(chǔ),在高頻開關(guān)電源、半導(dǎo)體功率模塊、電源控制電路、軍事與宇航電子等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用6。 行波管為系統(tǒng)中散熱量最大的器件,其收集極散熱量約占這個(gè)發(fā)射機(jī)散熱量的75%以上,為了保證其可靠工作,行波管收集極采用風(fēng)冷進(jìn)行冷卻。 4測(cè)試結(jié)果 發(fā)射機(jī)實(shí)物照片如圖6所示,利用微波信號(hào)源mg3692a,功率計(jì)e4