W波段大功率發射機的設計與研究

張建華,王旭明,高仲輝,黃興玉,蘇 濤,汪 軍,徐玉存

(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥230088;2.安徽四創電子股份有限公司,安徽合肥230088)

0 引言

常規天氣雷達一般工作在微波頻段,其波長在3～10 cm之間,適于探測直徑大于幾百微米的質點,這些質點通常是形成降水和風暴的主要成分。但在對云、霧探測和研究降水形成與發展的整個微物理過程上,常規微波雷達顯得無能為力,而毫米波(MMW)雷達則具有這方面的明顯優勢。相對于微波而言,MMW對細微粒子具有更強的散射特性,進入21世紀以來,在氣象探測領域各國紛紛發展MMW雷達,以提高雷達對云霧的探測能力、對氣象目標形成的微物理過程的認識。W波段測云雷達無疑是一個典型代表,近10年來,多個國家在W波段研發了MMW雷達,應用于各種平臺下的天氣探測。

本文介紹的W波段大功率MMW發射機應用于機載W波段雙極化測云雷達,該雷達是國家863計劃“機載氣象雷達云雨探測系統”項目的重要組成部分。

1 W波段發射機設計要求

1.1 發射機的要求

該發射機采用主振放大式體制,末級放大管為W波段分布作用速調管[1-2](EIK),將頻率源產生的W波段MMW脈沖信號放大到需要的功率電平,經饋線、天線定向輻射到空間。對發射機的指標要求如下：

工作頻率 W波段

發射功率 ≥1.2 kW(峰值)

脈沖寬度 0.2μs,0.5μs

重復頻率 2～12 k Hz

1.2 EIK的工作特點及要求

在W波段,對于輸出功率達到1.5 kW的發射機,根據目前的技術水平,如果采用全固態方案,不僅成本極高,而且也不太現實。性價比較高,且可行的方案是采用真空管作為末級放大器,可供選擇的大功率真空管有回旋管和EIK兩種類型,通?；匦艿墓β屎艽?在本系統中采用有大材小用之嫌,也不經濟,最終選用EIK作為末級放大管。

按照傳統的微波電子管設計理論,進入MMW頻段,電子管設計者將會面臨來自微小精細部件的制造、工作在更高電壓、控制大電流密度電子束的挑戰,這些問題是MMW磁控管、TWT和速調管所面臨的共性問題。

而在MMW速調管方面,CPI加拿大分部利用高阻抗的“階梯”(Leader)電路作為諧振慢波結構的一部分,結合永磁鐵,在較低的工作電壓下,獲得更高的互作用效率,在25～220 GHz頻段產生2 kW～40 W的高功率,已有近40年的EIK研制歷史,在W波段可輸出1.8 kW。

在EIK中,由諧振慢波電路代替了傳統速調管每個諧振腔的單間隙,其射頻(RF)電路由一些裝入可調腔中的長、短狹槽組成。圖1給出了2個腔的示意,而在典型的EIK中有5～6腔。

圖1 EIK結構及其配電示意圖

狹槽的寬度決定EIK的工作頻率,而其高度由希望或必需的工作電壓決定。電子束沿著狹槽和階梯中隧道聚焦。

電子束的速度由所加的電子束電壓調整,當特定的電子通過電路中的每個縫隙時,以相同的相位經歷RF場,這樣由電子束所體現的總的阻抗是縫隙阻抗和縫隙數量的乘積。根據傳統的電子光學,所產生的高的互作用阻抗提供高功率和增益。EIK的腔體可以在類似于速調管腔體的單個縫隙上交錯調諧,以獲得最大增益、帶寬性能。

以上所描述的RF電路通常稱為階梯電路,如圖2和圖3所示。

圖2 EIK單腔中的RF電路(階梯)

圖3 EIK的RF電路(階梯)

與其他線性束真空電子器件一樣,EIK也依靠將電子束由速度調制變成密度調制,隨后在分布作用輸出腔轉換為RF功率。由輸出腔耦合到波導來獲取功率,圖4給出了EIK中電子束的群聚過程的示意。

圖4 階梯中的群聚過程

在EIK的設計中,聚焦和電子束的控制具有挑戰性,需通過高度精確的計算機建模、精確的組裝工藝及高性能的陰極和磁場來完成。其目的是形成具有最小起伏、大約0.25 mm的電子束直徑,并促成電子束盡可能通過電子束隧道而不被截獲,在一定的、主要由RF損耗加熱的銅質電路的熱容量下,獲取最大RF功率。

EIK的工作和加電過程與柵控TWT和聚焦極控制多注速調管相似。首先需要加熱燈絲,在加熱燈絲的同時,聚焦極調制器提供截止偏壓給EIK的聚焦極,保證加熱過程中,電子束處于受控截止狀態;在燈絲預熱好之后,根據需要可以加陰極高壓;陰極高壓加上之后,根據需要開啟調制脈沖指令,此時聚焦極脈沖調制器在調制脈沖同步信號的控制下,送出一定重頻及脈寬的調制脈沖信號到EIK的聚焦極,控制EIK電子束的通斷。

在EIK的應用中,有兩個問題值得注意：一是多數EIK可能采用一級降壓收集極,即VK=VC+Vb,VK是陰極電壓,VC是收集極電壓,Vb是管體電壓,如圖1所示;而我們所選擇的EIK的Vb=0 V,即VK=VC,收集極與管體同電位。二是對于EIK的聚焦極來說,其開啟脈沖電平和截止偏壓均為負電平(相對于陰極),這一點與傳統的柵極浮動板調制器有所不同,通常柵極浮動板調制器的開啟脈沖電平為正電平,因此,該聚焦極脈沖調制器的電路拓撲與傳統的柵極浮動板調制器的有所不同。

2 W波段發射機的研制

2.1 W波段發射機的工作參數

為保證EIK能夠正常工作,并提供1.2 kW的RF功率,根據所采購的EIK的典型工作參數要求,發射機應為EIK提供符合表1要求的陰極電源和聚焦極調制脈沖。

表1 EIK通用工作參數及W波段發射機______EIK典型工作參數

各個電源和調制脈沖按照前文所述嚴格的加電順序加電或關電。

2.2 發射機的實現

根據EIK的特性和發射機的設計要求,研制的主要內容為聚焦極脈沖調制器、陰極高壓電源、監控電路及燈絲電源等部分的工程設計分析與實現。設計的原則是兼顧EIK的通用工作范圍,工作于典型參數。

EIK與各部分電路的連接如圖5所示。EIK的管體接地;收集極通過管體電流檢測電路接地(即管體),處于虛地電位;陰極電源的正端接到收集極,負端接到EIK的陰極;聚焦極調制器[3]浮在陰極電位上,RF發射期間提供-40 V的開啟脈沖給EIK的聚焦極,其余時間給聚焦極提供-3 k V的截止偏壓;燈絲電源為直流電源,通過高電位隔離電路浮在陰極電位上,正極接到EIK的陰極,負極接到燈絲。

圖5 W波段EIK發射機原理簡圖

2.2.1 聚焦極脈沖調制器

EIK的聚焦極脈沖調制器是一個浮動板調制器,在同步脈沖的控制下,開啟開關S1和截止開關S2有序開關,最終提供-3 000 V(相對于EIK的陰極)的截止偏壓和-40 V(相對于EIK的陰極)的開啟脈沖到EIK的聚焦極,控制EIK電子束的通斷。

與傳統的浮動板脈沖調制器不同,其開啟脈沖電平為-40 V,而不是正電平,因此其電路拓撲有所不同,如圖5所示,S1是開啟開關,R1是限流電阻,E1是開啟電源,D1是隔離二極管,S2是截止開關,E2是負偏電源,R2是箝位電阻,RFo是聚焦極限流電阻。

除了EIK工作期間的脈沖狀態,調制器一直輸出-3 000 V的負偏到EIK的聚焦極,這個狀態從給EIK預熱開始。當EIK預熱好之后,在發射系統連接正確,且沒有故障的情況下,可以加上陰極電源高壓,之后S1在開啟脈沖信號的同步下導通,開啟電源E1通過D1、R1、S1形成回路,同時,截至期間EIK陰極K和聚焦極Fo之間的分布電容CKFo所充的3 000 V電壓也通過R1、S1、RFo放電,將EIK的陰極K箝定在E1的正電位,而EIK的聚焦極Fo被箝定在E1的負電位,若E0為40 V,即為EIK的Fo提供了-40 V的開啟脈沖,調整E1的電平,可以實現開啟脈沖電平的調整;開啟脈沖過后,S1關斷,同時截止開關S2導通,D1反偏,截止電源E2通過S2、RFo向CKFo充電到3 000 V電壓,使EIK的陰極K箝定在E2的正電位,而聚焦極Fo被箝定在E2的負電位,即為EIK的Fo提供了-3 000 V的截止偏壓,EIK截止,截止脈沖過后,S2關斷,E2通過R2維持-3 000 V的偏壓,直至下一個開啟脈沖的到來,又重復上述過程,實現EIK的脈沖工作。

S1和S2承受的最大截止電壓為3 000 V,分別采用6個MOSFET串聯組成,浮于陰極電位,S1和S2的驅動分別通過一個脈沖變壓器饋送,每個變壓器的初級處于低電位,次級有6個繞組,均處于陰極電位,相互隔離,每個繞組對應一個MOSFET。對于由6個MOSFET串聯構成的開啟開關和截止開關,要解決好均壓和觸發的一致性問題。

2.2.2 輔助電源

輔助電源主要包括開啟電源E1、截止電源E2和燈絲電源EF,其中E1和E2是聚焦極脈沖調制器的組成部分,由于這三個電源同處于陰極電位,可以統一進行設計。

如圖6所示,3個電源的低壓部分共用,采用高頻穩壓電源,經高電位隔離變壓器的3個隔離繞組分3路隔離輸出,經整流濾波、穩壓或逆變等,分別形成E1、E2、EF。其中高頻穩壓電源工作于30 k Hz,輸出24 V的方波,穩壓精度在1%以內,既減小了高電位隔離變壓器的體積、重量 ,又為輔助電源提供了穩定的輸入;高電位隔離變壓器既提供了地電位與EIK陰極電位的隔離,又將輔助電源分成隔離的3路。

圖6 輔助電源的實現

(1)開啟電源E1

E1最高輸出為60 V,電流數十毫安,正端接陰極。由高電位隔離變壓器的一個繞組(相對于初級為升壓,變比為3),經整流濾波后,再經線性穩壓處理,輸出在10～60 V范圍可調的穩定電壓。

取E1的平均電流為100 m A,變壓器輸出為72 V,則E1的最大功耗為7.2 W。

(2)截止電源E2

E2最高輸出為3 500 V,電流數毫安,正端接陰極。由高電位隔離變壓器的一個繞組(相對于初級為升壓,變比為3),經整流濾波后,采用諧振逆變變換器進行升壓、閉環穩壓處理,并實現2 800～3 500 V的調壓范圍。EIK的聚焦極與陰極間的分布電容約為150 p F,外電路的分布電容約為200 p F,則總的分布電容CKFo約為350 p F,截止電壓U按3 000 V,最大脈沖重復頻率PRF按12 k Hz計算,則E2的功率P2為

考慮效率等各種因素,取E2的功率為30 W/10 m A。

對于EIK來說,不能過寬和過工作比工作,必須在開啟同步信號的控制下受控工作,之后要快速有效地截止,因此E2的輸出電壓必須達到額定值,如果損壞或輸出電壓下降,EIK的聚焦極將會因為過流而燒毀,因此要對E2的輸出電壓進行檢測、設置欠壓保護。而E1無輸出或輸出電壓下降雖然不至于損壞EIK,但也會影響其射頻輸出信號的質量和輸出功率,所以對E1的輸出也設置了欠壓故障保護。

(3)燈絲電源EF

燈絲電源以高頻穩壓電源的輸出作為輸入,經過線性穩壓后,浮在陰極電位上,給EIK燈絲供電,電源的正極接到陰極,負極接到燈絲,燈絲電壓為6.5 V±0.5 V,電流約為1 A,燈絲功率約為7 W,考慮到低壓穩壓直流電源的效率及控保電路的功耗等,燈絲電源模塊的功率按15 W設計。為了防止燈絲電源對EIK燈絲的沖擊,對燈絲電源進行限流控制,最大電流限定值為1.2 A。燈絲電源設置輸出欠壓和過流故障保護。

2.2.3 陰極高壓電源

為使高壓電源具有快速調整能力,采用基于諧振電容電壓箝位的移相控制串聯諧振變換器[4],其電路拓撲如圖7所示。

變換器工作在100 k Hz左右的固定工作頻率,通過調整開關(VS1～VS4)的導通角,形成移相控制來實現電源的穩壓,尤其是槽路結構的設計,使得在負載極輕載、超出導通角調整范圍時,將槽路電容電壓箝位到變換器初級的電源電壓,從實現對輸出電壓的穩定,解決了通常的變換器此時導通角極窄不易控制的困難,非常適用于脈沖雷達高壓電源脈間輕載狀態的穩壓控制;在重載時變換器又與通常的串聯諧振變換器無異,具有抗短路的能力;固定工作頻率的采用使得濾波電路的設計相對簡單,只需針對單一的頻率進行設計。

圖7 變換器電路圖

這種變換器以固定的開關頻率工作,通過控制逆變開關的相移來控制每次諧振的輸出能量,其特點是：高壓電源的紋波頻率固定,易于獲得良好的高壓濾波效果;單次傳輸能量可控,使得高壓紋波跳動更為平穩,輸出電壓更穩定;再加上對諧振電容的電壓有箝位限制,限制了最大輸出功率和電流,特別是在打火的情況下,輸出的最大能量受限。因此,這種電源不僅兼具SRC電路的特點,易于升壓,而且輸出電壓具有更大的調整范圍、更高的調整精度,適合脈沖負載,在負載寬范圍變化(從空載到滿載)情況下,可實現輸出電壓的全程控制。

高頻變壓器的初級由兩個相同的繞組串聯構成,次級有四個相同的繞組,輸出的高頻交流經整流后串聯疊加[5],逆變器典型的電流波形(初級)如圖8所示。

圖8 初級工作電流波形

3 研制結果

利用EIK所研制的W波段發射機已用于民用測云雷達,經測試其脈沖輸出功率達到1.5 kW,可在要求的重頻和脈寬條件下工作,頻譜對稱、光滑、零點清晰,經測試0.3μs脈寬的射頻包絡如圖9所示,1.5μs脈寬射頻的頻譜如圖10所示。

圖9 0.3μs射頻包絡

圖10 射頻頻譜

4 結束語

隨著技術的發展,W波段毫米波技術正從研究階段邁向實用階段,各國紛紛在通信、主動拒止武器、大氣探測和近距離物體分析等領域采用W波段毫米波技術,該W波段發射機的研制成功,為我國云目標探測和大氣科學研究等工作提供了更加有效的新手段。

[1]ROITMAN A,HOROYSKI P,HYTTINEN M,et al.Wide Bandwidth,High Average Power EIKs Drive New Radar Concepts[C]//1st IEEE International Vacuum Electronics Conference,Monterey,CA,USA：IEEE,2000：3-5.

[2]HOROYSKI P,BERRY D,STEER B.A 2 GHz Bandwidth,High Power W-Band Extended Interaction Klystron[C]//8th IEEE International Vacuum Electronics Conference,Kitakyushu,Japan：[s.n.],2007：151-152.

[3]滿海峰.一種寬脈沖高重頻浮動板調制器的設計[J].雷達科學與技術,2013,11(1)：82-86.MAN Hai-feng.Design of a Wide-Pulse and High-Frequency Floating Deck Modulator[J].Radar Science and Technology,2013,11(1)：82-86.(in Chinese)

[4]汪軍.脈沖行波管雷達發射機高壓電源設計[J].電力電子技術,2008,42(2)：36-37.

[5]徐曉榮,王一農.一種K波段電磁兼容測試發射機的設計[J].雷達科學與技術,2013,11(1)：92-96.XU Xiao-rong,WANG Yi-nong.Design of a K-Band TWT Transmitter for EMC Test[J].Radar Science and Technology,2013,11(1)：92-96.(in Chinese)