【文章內容簡介】 在天線俯仰軸上。二次冷卻裝置裝在車艙內。發(fā)射機主體濃縮為3個大的功能模塊: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。及結構件一防護罩。液冷的二次冷卻設備放在車艙內。發(fā)射機各部分的工作電壓、Table Composition and weight distribution of the transmitter序號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、前級放大器～220V天線俯仰軸14防護罩天線俯仰軸1105二次冷卻時間～220V車艙1300發(fā)射系統(tǒng)總質量 395 電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)簡介 電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)簡介組成及功能電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)由模擬信號源、發(fā)射機、饋線、天線、控制計算機、供電系統(tǒng)組成。供電系統(tǒng)模擬信號源發(fā)射機控制系統(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，發(fā)射機將射頻信號進行功率放大，降低頻交流能量轉換成射頻能量，經(jīng)饋線系統(tǒng)傳輸?shù)教炀€并輻射到空間?？刂葡到y(tǒng)擔負著整個系統(tǒng)的控制任務。供電系統(tǒng)為整個系統(tǒng)提供電源。在S波段電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)中，發(fā)射機是最重要的分系統(tǒng)，而在發(fā)射機中，在S波段電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)中，發(fā)射機是最重要的分系統(tǒng)，而在發(fā)射機中，功率放大器是核心器件。由于本項目所研制的電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)，需要模擬多種雷達信號，具有超寬帶2GHz以上，援蓋S波段全程) 、高功率()的特點。在系統(tǒng)的立項之初，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，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，還處于預言階段，現(xiàn)有技術、經(jīng)費、周期都遠不能滿足該系統(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，因此從該項目的立項之初，就確定了行波管發(fā)射機的研制方向，而不采用固態(tài)發(fā)射機方案。 為了對行波管發(fā)射機的結構進行合理的設計，下面對行波管發(fā)射機的工作原理和特點作一個簡要的介紹.行波管發(fā)射機由發(fā)射機主體部分與冷卻系統(tǒng)組成，發(fā)射機主體部包括高頻放大鏈路、電源、控制與保護電路等，至天饋線控制計算機定時同步信號~220V供電RP輸入冷卻系統(tǒng)前級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控制與保護陽極控制器高壓電源（含變頻器）（）保護傳感器發(fā)射機主體高頻放大鏈380V三相供電 行波管發(fā)射機組成框圖 Traveling wave tube transmitter block diagram高頻放大鏈路包括前級固態(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。前級固態(tài)放大器將模擬信號源提供的低功率射頻信號進行預放大，獲得滿足行波管激勵功率要求的最大射頻信號，由同軸電纜傳輸至行波管?？勺兯p器的插入是為了能夠方便調節(jié)激勵功率以適應不同行波管的要求。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，由波導傳輸至天線。定向禍合器從發(fā)射機輸出信號中禍合部分信號提供給控制與保護電路檢測，得到發(fā)射機輸出功率值。發(fā)射電源包括低壓電源、高壓電源。低壓電源提供系統(tǒng)控制保護電路、電源輔助控制電路、以及前級固態(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制電源，為行波管燈絲與調制器電路提供電源。燈絲調制電源為浮動板電源, 電源浮在約 16 kV高壓上正常工作?？刂婆c保護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，控保電路采集相關傳感器送來的信號，判斷發(fā)射機的工作狀態(tài)，完成發(fā)射機的開機、關機，故障檢測，過壓、欠壓、過流保護等任務。調制器由預調電路、脈沖傳輸變壓器、高電位調制電路等組成。行波管工作控制由調制器完成, 當行波管各極電壓加到額定值時, 調制器控制行波管工作, 當調制器輸出電壓為額定負偏電壓時, 行波管不工作, 當調制器輸出電壓為正柵電壓時, 行波管工作。冷卻系統(tǒng)負責發(fā)射機各發(fā)熱組件的冷卻任務。 功率管是發(fā)射機的核心器件。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展, 一般行波管發(fā)射機峰值功率都較低 ( 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制波形和復雜多變的信號形式。目前，S波段固態(tài)功率放大器技術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)芯片技術帶寬勉強滿足要求，但單個功放器輸出功率只能達到數(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)有行波管技術可以在較短的時間內，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，其慢波結構包括螺線形結構、環(huán)桿或環(huán)圈線路、禍合腔電路以及梯形網(wǎng)絡。其特點是增益高，頻帶寬，效率相當?shù)秃凸ぷ麟妷汉芨?。螺旋線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, 采用模塊化設計, 輸出峰值功率數(shù)十千瓦, 具有體積小、重量輕、能適應惡劣環(huán)境的特點。 發(fā)射機由上下放置的兩個機箱組成 Transmitters placed by the upper and lower ponents of the two chassis上面機箱主要由行波管 ( TWT )、逆變變壓器、整流濾波電路、燈絲電源、偏壓電源、柵極調制器、觸發(fā)隔離變壓器等高壓部分元器件組成, 下面機箱由預穩(wěn)電源、逆變單元、監(jiān)控電路、高頻交流源等低壓元件組成。單個機柜的重量小于 50kg, 機箱雙人可以搬、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。為實現(xiàn)模塊化、系列化, 本發(fā)射系統(tǒng)設計時遵循了一套標準,使得各分機統(tǒng)一構架、統(tǒng)一拓撲、統(tǒng)一接口設計, 每個分機的接口關系和基本指標保持不變, 只有功率、電流、電壓等檔次的不同。, 主要包括 4個部分: 高壓電源、輔助電源、監(jiān)控系統(tǒng)、行波管 發(fā)射機的模塊框圖Fig. Transmitter block diagram 高壓電源高壓電源采用全橋串聯(lián)諧振變換器的拓撲結構,它的主要優(yōu)點是當開關頻率低于諧振頻率一定值后,隨負載的變化, 輸出電流基本保持不變, 具有電流源特性。這一點對真空管發(fā)射機具有重要意義。該部分又劃分成以下幾個小模塊:預穩(wěn)電源預穩(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, 適應地面、艦載或機載等不同的系統(tǒng)輸入使用, 輸出電壓統(tǒng)一為直流360～400V 可調, 功率分成 、3kW、5kW 等幾個檔次。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, 是高壓電源的核心部分, 包含 4只功率開關管、諧振電感、諧振電容和原邊儲能濾波電容等,當需要增大功率時, 只要更換開關管等相應元器件即可。電源控保板電源控保板產(chǎn)生電源的控制信號, 同時對故障信號處理。由于該種形式的逆變電源控制和故障信號種類基本一致, 該電源板可以設計成通用插件。 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、柵極調制器、鈦泵電源等幾個模塊。低壓電源低壓電源將輸入的交流 220V、110V 等轉化為直流低壓輸出, 采用標準模塊電源。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。該模塊為標準通用模塊。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, 適應不同的燈絲功率要求, 電源設有過壓、過流保護電路, 當輸出電壓或負載電流高于過壓或過流保護設定值, 電壓關機, 等故障排除后, 電源重新通電復位。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, 當電源出現(xiàn)欠壓、過壓、過流等故障時, 分別輸出故障信號給檢測單元。直流輸出分成兩路, 可以調整, 基本可以滿足大多數(shù)行波管的偏置要求。柵極調制器柵極調制器采用浮動板調制器，其開通、關斷的驅動信號在低電位形成, 利用窄脈沖變壓器進行高電位的隔離和脈沖的耦合, 觸發(fā)信號送到浮在 TWT 陰極電位上的柵極脈沖調制器上, 高壓 MOSFET 作為調制開關管, 可實現(xiàn)調制脈沖頻率的大范圍變化, 也可實現(xiàn)調制脈沖寬度的大范圍變化。 同時由于 MOSFET 的應用, 脈沖波形的前、后沿較好, 所需的驅動電流比功率晶體管小很多, 驅動電路得到了較大的簡化。鈦泵電源該電源實現(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, 電源自帶故障保護點調節(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(復雜可編程邏輯器件 )控制技術, 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的處理, 器件數(shù)量大為減少, 具有復雜的邏輯功能和電可擦除能力, 容易實現(xiàn)發(fā)射機監(jiān)控電路的模塊化設計。發(fā)射機接收到指令后, 完成 “低壓燈絲預熱延時高壓柵極調制”的開機過程, 各開 /關機步驟自動連鎖。這些開機過程是與故障連鎖的, 故障的監(jiān)測由發(fā)射機監(jiān)控電路自動完成, 一旦出現(xiàn)故障狀態(tài)立即自動終止相應的開機步驟。故障保護主要有: 燈絲故障、鈦泵故障、正負偏故障、高壓電源故障( 包括陰極過 /欠壓和收集極過 /欠壓等 )、柵調故障、Ib過流故障、門故障等, 當其他發(fā)射系統(tǒng)無需這么多保護功能時, 可以作為冗余備份。發(fā)射機的高電壓、高峰值功率使其成為一個很強的干擾源, 而 CPLD使用的電源電壓為 5V, 能夠承受的干擾電平很低, 因此電磁兼容設計成為 CPLD能否在發(fā)射機監(jiān)控中運用的關鍵。設計上主要采取了兩項措施, 首先 CPLD的所有輸入 /輸出信號均用光電耦合器進行隔離, CPLD采用單獨的電源, 有效地防止了通過信號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、負偏電壓值可以經(jīng)過取樣和 AD轉換傳輸?shù)降蛪憾? 再通過 DA 轉換成相應比例的電壓指示, 同時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, 具有良好的功能擴展性。依靠光纖的絕緣達到耐壓要求, 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冷行波管, 金屬陶瓷結構, 螺旋環(huán)圈式帶慢波電路, 采用周期永磁聚焦, 燈絲預熱只需要兩分多鐘, 增益大于 40dB,采用一級降壓收集極, 效率為 30% 以上, 重量小于8kg, 使用壽命可達 2000h。發(fā)射系統(tǒng)設計時有幾個無法回避的矛盾, 首先是機箱密封和系統(tǒng)散熱量大的矛盾, 發(fā)射系統(tǒng)屬于野外設備, 需要在惡劣環(huán)境下工作, 機箱必須設計成密封式, 而發(fā)射系統(tǒng) (除去行波管收集極熱耗 )散熱量約為300W, 機箱密封導致機箱內外空氣無法直接對流, 熱阻增大, 同時由于機箱為復合材料制造, 熱傳導性能較差, 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, 如果在機箱上安裝空調會導致體積重量的增加, 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到, 這又將導致體積的增加。 供電系統(tǒng)工作頻率或波段一般來講，地面對空搜索、遠程警戒雷達需選用較低的工作頻率，精密跟蹤測量雷達需選用較高的工作頻率，而大多數(shù)機載雷達受體積、重量等限制，工作頻率大都選在X波段。為了提高雷達系統(tǒng)的工作性能和抗干擾能力，有時還要求它能在幾個頻率上跳變工作或同時工作。工作頻率不同對發(fā)射機的設計影響很大，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)射機的結構、冷卻設計。C波段、X波段及以上頻段大功率發(fā)射機仍以電真空管為主，而固態(tài)放大技術與有源相控陣技術結合，使在C波段和X波段實現(xiàn)發(fā)射機的固態(tài)化成為可能。在S波段以下的發(fā)射機已大量地選用全固態(tài)發(fā)射機。固態(tài)發(fā)射機具有低工作電壓(數(shù)十伏)、模塊化、高可靠性的特點。真空管發(fā)射機具有高工作電壓(數(shù)十千伏)、可靠性較低的特點，兩類發(fā)射機結構設計的差異很大。輸出功率發(fā)射機