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正文內(nèi)容

大功率微波脈沖輻射防暴儀器畢業(yè)論文(編輯修改稿)

2025-07-24 14:01 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 在天線俯仰軸上。二次冷卻裝置裝在車艙內(nèi)。發(fā)射機(jī)主體濃縮為3個(gè)大的功能模塊:低壓電路包一變頻器。高壓電路包一高壓電源。真空管微波功率放大器一行波管。及結(jié)構(gòu)件一防護(hù)罩。液冷的二次冷卻設(shè)備放在車艙內(nèi)。發(fā)射機(jī)各部分的工作電壓、Table Composition and weight distribution of the transmitter序號(hào)名稱工作電壓安裝位置數(shù)量重量(KG)1行波管10KV天線俯仰軸1152高壓電源10KV天線俯仰軸13變頻器、前級(jí)放大器~220V天線俯仰軸14防護(hù)罩天線俯仰軸1105二次冷卻時(shí)間~220V車艙1300發(fā)射系統(tǒng)總質(zhì)量 395 電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)簡(jiǎn)介 電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)簡(jiǎn)介組成及功能電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)由模擬信號(hào)源、發(fā)射機(jī)、饋線、天線、控制計(jì)算機(jī)、供電系統(tǒng)組成。供電系統(tǒng)模擬信號(hào)源發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)饋線天線 電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)框圖 Electromagnetic environment simulation system block diagram模擬信號(hào)源為電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)提供符合波形要求的射頻信號(hào),發(fā)射機(jī)將射頻信號(hào)進(jìn)行功率放大,降低頻交流能量轉(zhuǎn)換成射頻能量,經(jīng)饋線系統(tǒng)傳輸?shù)教炀€并輻射到空間??刂葡到y(tǒng)擔(dān)負(fù)著整個(gè)系統(tǒng)的控制任務(wù)。供電系統(tǒng)為整個(gè)系統(tǒng)提供電源。在S波段電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)中,發(fā)射機(jī)是最重要的分系統(tǒng),而在發(fā)射機(jī)中,在S波段電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)中,發(fā)射機(jī)是最重要的分系統(tǒng),而在發(fā)射機(jī)中,功率放大器是核心器件。由于本項(xiàng)目所研制的電磁環(huán)境模擬系統(tǒng),需要模擬多種雷達(dá)信號(hào),具有超寬帶2GHz以上,援蓋S波段全程) 、高功率()的特點(diǎn)。在系統(tǒng)的立項(xiàng)之初,就把發(fā)射功率管的選型問題放到重要位置。發(fā)射機(jī)功率管的選型 功放器件通常分為固態(tài)功率管和電真空管兩大類。雖然固態(tài)管功率管具有工作電壓低、效率高、壽命長等優(yōu)點(diǎn),但是其單管功率很小,不能滿足本系統(tǒng)的要求。只能采用多個(gè)固態(tài)功率管先合成小功率的寬帶功放器,再用許多功放器組成大型陣列,進(jìn)行空間的大功率合成。而目前的S波段大功率、超寬帶的固態(tài)發(fā)射技術(shù),還處于預(yù)言階段,現(xiàn)有技術(shù)、經(jīng)費(fèi)、周期都遠(yuǎn)不能滿足該系統(tǒng)的研制需要。 行波管功率放大器是電真空管功率放大器的一種,其特點(diǎn)是功率高、帶寬寬,基本能夠滿足本系統(tǒng)的需要,因此從該項(xiàng)目的立項(xiàng)之初,就確定了行波管發(fā)射機(jī)的研制方向,而不采用固態(tài)發(fā)射機(jī)方案。 為了對(duì)行波管發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì),下面對(duì)行波管發(fā)射機(jī)的工作原理和特點(diǎn)作一個(gè)簡(jiǎn)要的介紹.行波管發(fā)射機(jī)由發(fā)射機(jī)主體部分與冷卻系統(tǒng)組成,發(fā)射機(jī)主體部包括高頻放大鏈路、電源、控制與保護(hù)電路等,至天饋線控制計(jì)算機(jī)定時(shí)同步信號(hào)~220V供電RP輸入冷卻系統(tǒng)前級(jí)放大器同軸傳輸線可變衰減器螺旋線行波管定向耦合器低壓電源28V/6A控制與保護(hù)陽極控制器高壓電源(含變頻器)()保護(hù)傳感器發(fā)射機(jī)主體高頻放大鏈380V三相供電 行波管發(fā)射機(jī)組成框圖 Traveling wave tube transmitter block diagram高頻放大鏈路包括前級(jí)固態(tài)放大器、同軸傳輸線、可變衰減器、螺旋線行波管、定向藕合器等電路。前級(jí)固態(tài)放大器將模擬信號(hào)源提供的低功率射頻信號(hào)進(jìn)行預(yù)放大,獲得滿足行波管激勵(lì)功率要求的最大射頻信號(hào),由同軸電纜傳輸至行波管。可變衰減器的插入是為了能夠方便調(diào)節(jié)激勵(lì)功率以適應(yīng)不同行波管的要求。螺旋線行波管為高頻鏈路的主放大管,輸出高功率的射頻信號(hào),由波導(dǎo)傳輸至天線。定向禍合器從發(fā)射機(jī)輸出信號(hào)中禍合部分信號(hào)提供給控制與保護(hù)電路檢測(cè),得到發(fā)射機(jī)輸出功率值。發(fā)射電源包括低壓電源、高壓電源。低壓電源提供系統(tǒng)控制保護(hù)電路、電源輔助控制電路、以及前級(jí)固態(tài)放大器等低壓部件工作所需的供電。高壓電源提供行波管工作所需的大部分電源。另外,在高壓電源中含有燈絲調(diào)制電源,為行波管燈絲與調(diào)制器電路提供電源。燈絲調(diào)制電源為浮動(dòng)板電源, 電源浮在約 16 kV高壓上正常工作??刂婆c保護(hù)電路包括控制接口電路、控制數(shù)字電路。陽極控制器是控制行波管工作的控制電路。保護(hù)傳感器包括電阻分壓傳感器、電流互感器等,控保電路采集相關(guān)傳感器送來的信號(hào),判斷發(fā)射機(jī)的工作狀態(tài),完成發(fā)射機(jī)的開機(jī)、關(guān)機(jī),故障檢測(cè),過壓、欠壓、過流保護(hù)等任務(wù)。調(diào)制器由預(yù)調(diào)電路、脈沖傳輸變壓器、高電位調(diào)制電路等組成。行波管工作控制由調(diào)制器完成, 當(dāng)行波管各極電壓加到額定值時(shí), 調(diào)制器控制行波管工作, 當(dāng)調(diào)制器輸出電壓為額定負(fù)偏電壓時(shí), 行波管不工作, 當(dāng)調(diào)制器輸出電壓為正柵電壓時(shí), 行波管工作。冷卻系統(tǒng)負(fù)責(zé)發(fā)射機(jī)各發(fā)熱組件的冷卻任務(wù)。 功率管是發(fā)射機(jī)的核心器件。在功率微波器件中, 行波管是近年來發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的一種器件, 在寬頻帶至倍頻程、高效、功率輸出等方面都取得顯著進(jìn)展, 一般行波管發(fā)射機(jī)峰值功率都較低 ( 200kW 以下 ), 工作電壓不太高 ( 50kV以下 ), 可采用多種控制電極獲得好的調(diào)制波形和復(fù)雜多變的信號(hào)形式。目前,S波段固態(tài)功率放大器技術(shù)的帶寬和功率都難以滿足論文中S波段模擬輻射源的系統(tǒng)要求。雖然微波固態(tài)芯片技術(shù)帶寬勉強(qiáng)滿足要求,但單個(gè)功放器輸出功率只能達(dá)到數(shù)瓦或數(shù)十瓦,唯有通過許多固態(tài)功放的相控陣空間合成方式才能達(dá)到功率要求,但研制周期長,成本巨大,不能接受。采用現(xiàn)有行波管技術(shù)可以在較短的時(shí)間內(nèi),可靠地滿足該模擬源系統(tǒng)的功率要求。大功率行波管是真空管微波放大器的一種,其慢波結(jié)構(gòu)包括螺線形結(jié)構(gòu)、環(huán)桿或環(huán)圈線路、禍合腔電路以及梯形網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是增益高,頻帶寬,效率相當(dāng)?shù)秃凸ぷ麟妷汉芨摺B菪€形行波管在帶寬上仍占第一位。由于所有頻率上其相速基本不變,螺旋線使行波管的帶寬超過倍頻程。為此我找到了一種剛研制成功的柵控行波管發(fā)射機(jī), 采用模塊化設(shè)計(jì), 輸出峰值功率數(shù)十千瓦, 具有體積小、重量輕、能適應(yīng)惡劣環(huán)境的特點(diǎn)。 發(fā)射機(jī)由上下放置的兩個(gè)機(jī)箱組成 Transmitters placed by the upper and lower ponents of the two chassis上面機(jī)箱主要由行波管 ( TWT )、逆變變壓器、整流濾波電路、燈絲電源、偏壓電源、柵極調(diào)制器、觸發(fā)隔離變壓器等高壓部分元器件組成, 下面機(jī)箱由預(yù)穩(wěn)電源、逆變單元、監(jiān)控電路、高頻交流源等低壓元件組成。單個(gè)機(jī)柜的重量小于 50kg, 機(jī)箱雙人可以搬、單人可以背扛, 能在惡劣環(huán)境下工作 (高溫 50 、低溫40 、密封防雨、防潮濕和鹽霧 )。無論對(duì)于何種形式的行波管發(fā)射系統(tǒng), 包含的部分基本一致, 都需要高壓電源 (包括陰極和收集極 )、燈絲電源、鈦泵電源、監(jiān)控系統(tǒng)等部分。為實(shí)現(xiàn)模塊化、系列化, 本發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)遵循了一套標(biāo)準(zhǔn),使得各分機(jī)統(tǒng)一構(gòu)架、統(tǒng)一拓?fù)?、統(tǒng)一接口設(shè)計(jì), 每個(gè)分機(jī)的接口關(guān)系和基本指標(biāo)保持不變, 只有功率、電流、電壓等檔次的不同。, 主要包括 4個(gè)部分: 高壓電源、輔助電源、監(jiān)控系統(tǒng)、行波管 發(fā)射機(jī)的模塊框圖Fig. Transmitter block diagram 高壓電源高壓電源采用全橋串聯(lián)諧振變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),它的主要優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)開關(guān)頻率低于諧振頻率一定值后,隨負(fù)載的變化, 輸出電流基本保持不變, 具有電流源特性。這一點(diǎn)對(duì)真空管發(fā)射機(jī)具有重要意義。該部分又劃分成以下幾個(gè)小模塊:預(yù)穩(wěn)電源預(yù)穩(wěn)電源輸出電壓穩(wěn)定度 1% 。該電源可以是A C DC電源, 也可以是 DC DC 電源, 適應(yīng)地面、艦載或機(jī)載等不同的系統(tǒng)輸入使用, 輸出電壓統(tǒng)一為直流360~400V 可調(diào), 功率分成 、3kW、5kW 等幾個(gè)檔次。逆變單元逆變單元的作用是把 360~400V的直流逆變?yōu)楦哳l交流信號(hào), 是高壓電源的核心部分, 包含 4只功率開關(guān)管、諧振電感、諧振電容和原邊儲(chǔ)能濾波電容等,當(dāng)需要增大功率時(shí), 只要更換開關(guān)管等相應(yīng)元器件即可。電源控保板電源控保板產(chǎn)生電源的控制信號(hào), 同時(shí)對(duì)故障信號(hào)處理。由于該種形式的逆變電源控制和故障信號(hào)種類基本一致, 該電源板可以設(shè)計(jì)成通用插件。 輔助電源輔助電源包括低壓電源、高頻交流電源、燈絲電源、偏壓電源、柵極調(diào)制器、鈦泵電源等幾個(gè)模塊。低壓電源低壓電源將輸入的交流 220V、110V 等轉(zhuǎn)化為直流低壓輸出, 采用標(biāo)準(zhǔn)模塊電源。高頻交流源高頻交流電源輸入為直流低壓, 輸出為數(shù)十千赫茲的高頻低壓方波, 經(jīng)過隔離變壓器送給燈絲和偏壓電源等分機(jī)。該模塊為標(biāo)準(zhǔn)通用模塊。燈絲電源該電源輸入為高頻低壓方波, 主功率變換電路為非隔離的同步整流 BUCK電路, 整流二極管使用 MOS管, 直流輸出分成不同檔次, 適應(yīng)不同的燈絲功率要求, 電源設(shè)有過壓、過流保護(hù)電路, 當(dāng)輸出電壓或負(fù)載電流高于過壓或過流保護(hù)設(shè)定值, 電壓關(guān)機(jī), 等故障排除后, 電源重新通電復(fù)位。偏壓電源該電源輸入為高頻低壓方波, 經(jīng)過 EM I濾波電路后, 進(jìn)入整流電路, 整流為 24V左右的直流電壓, 單端正激變換電路將直流 24V變換為經(jīng)過脈寬調(diào)制的高頻方波, 通過高頻變壓器隔離降壓后輸出低壓直流方波, 然后經(jīng)整流濾波后輸出穩(wěn)定的直流電壓。 PMW 控制電路為電源芯片 AMP38HC43振蕩產(chǎn)生的方波及閉環(huán)反饋, 當(dāng)電源出現(xiàn)欠壓、過壓、過流等故障時(shí), 分別輸出故障信號(hào)給檢測(cè)單元。直流輸出分成兩路, 可以調(diào)整, 基本可以滿足大多數(shù)行波管的偏置要求。柵極調(diào)制器柵極調(diào)制器采用浮動(dòng)板調(diào)制器,其開通、關(guān)斷的驅(qū)動(dòng)信號(hào)在低電位形成, 利用窄脈沖變壓器進(jìn)行高電位的隔離和脈沖的耦合, 觸發(fā)信號(hào)送到浮在 TWT 陰極電位上的柵極脈沖調(diào)制器上, 高壓 MOSFET 作為調(diào)制開關(guān)管, 可實(shí)現(xiàn)調(diào)制脈沖頻率的大范圍變化, 也可實(shí)現(xiàn)調(diào)制脈沖寬度的大范圍變化。 同時(shí)由于 MOSFET 的應(yīng)用, 脈沖波形的前、后沿較好, 所需的驅(qū)動(dòng)電流比功率晶體管小很多, 驅(qū)動(dòng)電路得到了較大的簡(jiǎn)化。鈦泵電源該電源實(shí)現(xiàn)電源小型化, 為行波管提供 ~ 的直流鈦泵高壓, 輸入+24V 直流電壓, 電源自帶故障保護(hù)點(diǎn)調(diào)節(jié)電阻, 重量只有 100g左右, 可基本符合大多數(shù)真空微波管的抽真空要求。主要包括監(jiān)控電路板和光纖組件。監(jiān)控電路板監(jiān)控電路板采用了 CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件 )控制技術(shù), 包括發(fā)射系統(tǒng)所有的控制、顯示、狀態(tài)回饋和故障連鎖信號(hào)的處理, 器件數(shù)量大為減少, 具有復(fù)雜的邏輯功能和電可擦除能力, 容易實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)監(jiān)控電路的模塊化設(shè)計(jì)。發(fā)射機(jī)接收到指令后, 完成 “低壓燈絲預(yù)熱延時(shí)高壓柵極調(diào)制”的開機(jī)過程, 各開 /關(guān)機(jī)步驟自動(dòng)連鎖。這些開機(jī)過程是與故障連鎖的, 故障的監(jiān)測(cè)由發(fā)射機(jī)監(jiān)控電路自動(dòng)完成, 一旦出現(xiàn)故障狀態(tài)立即自動(dòng)終止相應(yīng)的開機(jī)步驟。故障保護(hù)主要有: 燈絲故障、鈦泵故障、正負(fù)偏故障、高壓電源故障( 包括陰極過 /欠壓和收集極過 /欠壓等 )、柵調(diào)故障、Ib過流故障、門故障等, 當(dāng)其他發(fā)射系統(tǒng)無需這么多保護(hù)功能時(shí), 可以作為冗余備份。發(fā)射機(jī)的高電壓、高峰值功率使其成為一個(gè)很強(qiáng)的干擾源, 而 CPLD使用的電源電壓為 5V, 能夠承受的干擾電平很低, 因此電磁兼容設(shè)計(jì)成為 CPLD能否在發(fā)射機(jī)監(jiān)控中運(yùn)用的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)上主要采取了兩項(xiàng)措施, 首先 CPLD的所有輸入 /輸出信號(hào)均用光電耦合器進(jìn)行隔離, CPLD采用單獨(dú)的電源, 有效地防止了通過信號(hào)引線和電源或地線串入的干擾。 其次采用金屬屏蔽盒屏蔽, 以屏蔽通過空間輻射所產(chǎn)生的干擾。光纖組件該組件采用光纖隔離技術(shù)將浮在陰極高壓端的燈絲故障、偏壓電源故障取到低壓端的監(jiān)控電路, 高壓端的燈絲電壓值、正偏電壓值、負(fù)偏電壓值可以經(jīng)過取樣和 AD轉(zhuǎn)換傳輸?shù)降蛪憾? 再通過 DA 轉(zhuǎn)換成相應(yīng)比例的電壓指示, 同時(shí)該組件具有雙向傳輸功能, 由低壓端可控制高壓端的電源輸出, 具有良好的功能擴(kuò)展性。依靠光纖的絕緣達(dá)到耐壓要求, 可以工作到 30kV 的電位上, 如果耐壓不夠, 只需要增加多模光纖的長度,而且該電路的抗干擾特性很好。 行波管該行波管為 S波段大功率陰影柵控式風(fēng)冷行波管, 金屬陶瓷結(jié)構(gòu), 螺旋環(huán)圈式帶慢波電路, 采用周期永磁聚焦, 燈絲預(yù)熱只需要兩分多鐘, 增益大于 40dB,采用一級(jí)降壓收集極, 效率為 30% 以上, 重量小于8kg, 使用壽命可達(dá) 2000h。發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)有幾個(gè)無法回避的矛盾, 首先是機(jī)箱密封和系統(tǒng)散熱量大的矛盾, 發(fā)射系統(tǒng)屬于野外設(shè)備, 需要在惡劣環(huán)境下工作, 機(jī)箱必須設(shè)計(jì)成密封式, 而發(fā)射系統(tǒng) (除去行波管收集極熱耗 )散熱量約為300W, 機(jī)箱密封導(dǎo)致機(jī)箱內(nèi)外空氣無法直接對(duì)流, 熱阻增大, 同時(shí)由于機(jī)箱為復(fù)合材料制造, 熱傳導(dǎo)性能較差, 不能依靠自然散熱。 其次是重量體積和散熱、高電壓之間的的矛盾, 發(fā)射系統(tǒng)要求總重量小于 50kg, 如果在機(jī)箱上安裝空調(diào)會(huì)導(dǎo)致體積重量的增加, 行波管的陰極工作電壓約為 20kV, 足夠的空間絕緣距離必須達(dá)到, 這又將導(dǎo)致體積的增加。 供電系統(tǒng)工作頻率或波段一般來講,地面對(duì)空搜索、遠(yuǎn)程警戒雷達(dá)需選用較低的工作頻率,精密跟蹤測(cè)量雷達(dá)需選用較高的工作頻率,而大多數(shù)機(jī)載雷達(dá)受體積、重量等限制,工作頻率大都選在X波段。為了提高雷達(dá)系統(tǒng)的工作性能和抗干擾能力,有時(shí)還要求它能在幾個(gè)頻率上跳變工作或同時(shí)工作。工作頻率不同對(duì)發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)影響很大,牽涉到發(fā)射管種類的選擇。而發(fā)射管種類不同從根本上影響到發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)、冷卻設(shè)計(jì)。C波段、X波段及以上頻段大功率發(fā)射機(jī)仍以電真空管為主,而固態(tài)放大技術(shù)與有源相控陣技術(shù)結(jié)合,使在C波段和X波段實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)的固態(tài)化成為可能。在S波段以下的發(fā)射機(jī)已大量地選用全固態(tài)發(fā)射機(jī)。固態(tài)發(fā)射機(jī)具有低工作電壓(數(shù)十伏)、模塊化、高可靠性的特點(diǎn)。真空管發(fā)射機(jī)具有高工作電壓(數(shù)十千伏)、可靠性較低的特點(diǎn),兩類發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的差異很大。輸出功率發(fā)射機(jī)
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