通信論文一種機載小型化雷達發(fā)射機的設(shè)計

1、一種機載小型化雷達發(fā)射機的設(shè)計 *柳拓鵬(中國電子科技集團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載雷達或電子對抗系統(tǒng)的小型化雷達發(fā)射機,給出了系統(tǒng)的設(shè)計指標(biāo)及組成框圖,并對工程設(shè)計中的高壓開關(guān)電源技術(shù)、脈沖調(diào)制器技術(shù)、發(fā)射機控制及保護、高壓固態(tài)絕緣、熱設(shè)計等多項關(guān)鍵技術(shù)進行了探討并給出具體的實現(xiàn)方法,對發(fā)射機的主要設(shè)計參數(shù)進行了分析計算,結(jié)合實際的工程設(shè)計,對計算結(jié)果的工程修正原則及方法進行了探討,最后給出了該發(fā)射機的實驗熱測結(jié)果和實物照片,對該發(fā)射機的應(yīng)用前景進行了分析和預(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 機載環(huán)境下,雷達系統(tǒng)對發(fā)射機的體積

2、、重量提出了苛刻的要求。本文介紹了一種針對機載環(huán)境設(shè)計的中功率、小型化、寬帶雷達發(fā)射機。該發(fā)射機經(jīng)過機載實驗驗證,工作穩(wěn)定可靠,在機載雷達系統(tǒng)、電子對抗系統(tǒng)中具有很好的應(yīng)用前景。 發(fā)射機的結(jié)構(gòu)形式采用模塊化設(shè)計,便于批量生產(chǎn),可采用多個模塊進行功率合成,實現(xiàn)大功率的機載雷達或電子對抗設(shè)備。 2發(fā)射機系統(tǒng)組成及主要技術(shù)指標(biāo)2.1發(fā)射機主要設(shè)計指標(biāo)工作頻率:x波段發(fā)射信號脈沖寬度: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)制脈沖上升時間、下降時間:100ns輸入電源:28vdc10%重量:6kg2.2發(fā)射機組成發(fā)射機組成框圖如圖1所示,發(fā)射機主要

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)制器將主控臺送來的時序信號轉(zhuǎn)化為控制行波管通斷的聚焦極控制信號;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。控保電路進行開關(guān)機時序的互鎖控制及在故障時提供可靠保護、進行故障隔離及定位。射頻輸出部分由環(huán)行器、定向耦合器組成,環(huán)行器保證在負載失配的情況下行波管不損壞,耦合器用于發(fā)射機輸出狀態(tài)的監(jiān)測。 圖1發(fā)射機組成框圖 3關(guān)鍵技術(shù)3.1小型化、高功率密度開關(guān)電源設(shè)計為了實現(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)電路拓撲,開關(guān)管u1和u2、u3和u4分別受兩組互補的驅(qū)動信號控制,l1為諧振電感,利用l1和功率mosfet輸出電容的諧振,可使4個開關(guān)管依次在零電壓下導(dǎo)通,實現(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高壓電源實現(xiàn)原理圖在高壓電源設(shè)計中,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)實現(xiàn)。 實際使用中,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 本發(fā)射機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,并進行時序編碼,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,在行波管打火時,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電路動作階段所產(chǎn)生的能量,從而保證調(diào)制器不損壞3。 圖3調(diào)制器實現(xiàn)原理 本發(fā)射機所采用行波管聚焦極與陰極之間的分布電容約為200pf,實際使用中,調(diào)制器電路本身的分布電容有可能遠大于行波管聚焦極與陰極之間的分布電容,在本設(shè)計中,分布電容按510pf進行

7、計算,在脈沖重復(fù)頻率40khz的條件下,負偏電源所需功率為p = cu2f =30 w (3)為了保證調(diào)制器前后沿小于100ns的設(shè)計要求,要求在調(diào)制器開啟或關(guān)斷過程中負偏電源能提供較大的瞬態(tài)電流,其電流大小為ivct=6a (4)進而可以確定限流電阻r1,r2的阻值為rvi=200(5)在實際設(shè)計中,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)計負偏電源的過程中,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,在工程上負偏電源的輸出濾波電容取

8、值應(yīng)大于調(diào)制器負載電容的10倍。 3.3系統(tǒng)控制及保護 本發(fā)射機控制與保護電路采用“epld+接口電路”的方法實現(xiàn),epld主要實現(xiàn)發(fā)射機的時序控制及跟主監(jiān)控臺的通訊。發(fā)射機開關(guān)機控制信號及狀態(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。接口電路實現(xiàn)原理如圖4所示。 圖4接口電路原理 其中取樣信號與設(shè)定的基準(zhǔn)電平信號進行比較,產(chǎn)生一個狀態(tài)信號,再經(jīng)光電耦合器隔離后,轉(zhuǎn)化成ttl電平送epld進行處理。epld具有高速并行數(shù)據(jù)處理的能力,在本設(shè)計中,epld外部時鐘設(shè)置為50 mhz,在內(nèi)部經(jīng)分頻電路分頻后送各個子程序模塊。對于故障信

9、號的處理及快保電路子模塊,直接使用50mhz外部時鐘,這樣,可以大大地縮短發(fā)射機故障保護功能的反應(yīng)時間。 本發(fā)射機設(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) 在機載環(huán)境下,空氣的絕緣強度相對于地面時有所下降,在對體積有嚴(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,也是機載高壓設(shè)備主要采用的絕緣方式。本發(fā)射機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,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)對灌封件表面進行清洗,并且進行預(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強度的能力,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度,灌封理論厚度為工作電壓與灌封材料絕緣強度的比值,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。 在整個工藝過程中,重點 控制底涂處理及真空排氣兩個過程,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為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。 對于被灌封件,在電裝過程中,對焊點應(yīng)進行圓化處理,避免形成尖刺,最大限度地保證焊點處電場均布。 熱設(shè)計 本發(fā)射機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應(yīng)在保證絕緣強度的情況下盡量選擇導(dǎo)熱性能好的材料。對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、良好的機械強度、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發(fā)射機散熱量的75%以上,為了保證其可靠工作,行波管收集極采用風(fēng)冷進行冷卻。 4測試結(jié)果 發(fā)射機實物照片如圖6所示,利用微波信號源mg3692a,功率計e4