一種寬帶幅相一致脈沖MPM的研究

朱利超，劉　昊，鮑秋香

(1.海軍裝備采購中心,北京 100071;2.海軍裝備研究院航空所,上海 2004363；3.中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

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一種寬帶幅相一致脈沖MPM的研究

朱利超1，劉昊2，鮑秋香3

(1.海軍裝備采購中心,北京 100071;2.海軍裝備研究院航空所,上海 2004363；3.中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

摘要：介紹了一種寬帶幅相一致脈沖微波功率模塊(MPM)，該MPM包含脈沖高壓電源、行波管和固態放大器。該MPM輸出功率大于300 W，占空比大于50%，效率大于30%，重量小于2 kg。測試表明該MPM具有體積小、重量輕、效率高、保護措施完善、具備自動檢測功能等特點，適用于艦載和機載應用場合。

關鍵詞：幅相一致；體積??；高效率；微波功率模塊

0引言

與傳統的行波管放大器相比，寬帶幅相一致脈沖微波功率模塊(MPM)具有頻帶寬、效率高、噪聲系數低、體積小、重量輕、可組陣使用等特點[1]。鑒于MPM的特點，在要求苛刻的機載、星載等平臺，包括無人駕駛飛行器、衛星通信、電子對抗、相控陣對抗設備等領域有著廣泛的應用。MPM的設計應綜合考慮器件選型、材料選擇、結構熱設計、控制保護設計和冗余設計等方面。上述要求的實現，需要MPM的3個組成部分(脈沖高壓電源、行波管和固態放大器)進行一體化設計，將3個部分集成為一個整體，形成寬帶幅相一致脈沖MPM。行波管通常采用多級降壓收集極來提高行波管的效率，目前高效率行波管已實現4級甚至5級降壓收集能力，收集極效率達到70%以上[2]。為了實現MPM高指標要求，脈沖高壓電源輸出至行波管的各極電壓必須具有良好的穩定度和較低的紋波[3-4]。固態放大器采用單片微波集成電路(MMIC)實現，為行波管提供進過均衡的激勵信號。通過MPM 3個部分效率的提高，尤其是脈沖高壓電源和行波管效率的提高，為MPM的熱設計減輕了壓力，進而可以實現MPM的一體化緊湊設計，并可大幅度提高MPM的可靠性。

1主要技術指標

通過一體化集成方式將行波管和高壓電源集成為一個整體，通過優化電源的參數實現行波管、脈沖高壓電源和固態放大器的最佳匹配，最終實現體積小、重量輕、效率高和穩定可靠的寬帶幅相一致脈沖MPM。本文介紹寬帶幅相一致脈沖MPM，其主要指標如下：電源為直流電源，電壓270 V；激勵功率為0～5 dBm;脈沖輸出功率≥300 W；脈沖重復頻率為100 kHz；最大工作比為50%；工作脈寬為0.5～50 μs；脈沖前后沿≤50 ns；幅度一致性為±1.5 dB；相位一致性為±20°；效率≥30%；尺寸≤200 mm×160 mm×35 mm；重量≤2 kg。

2MPM的組成與工作原理

寬帶幅相一致脈沖MPM的主要功能是將射頻輸入信號經過固態放大器均衡后，輸出至行波管輸入端，再經行波管進行放大，形成高功率輸出。MPM主要由三大部分組成：脈沖高壓電源、行波管和固態放大器，脈沖高壓電源產生行波管各級所需的電源和為固態放大器供電。構成框圖如圖1所示。

高壓逆變電路產生行波管各極電壓，通過穩定陰極電壓，實現各收集極電壓的0.5%從屬輸出穩定，低壓逆變電路產生輔助電源和柵極導通、截止電源，實現各低壓供電，低壓逆變電路產生的輸出需進行二次穩壓。行波管電子注通斷采用典型的柵極調制開關電路實現。

圖1　寬帶幅相一致脈沖MPM組成框圖

MPM接受外部控制，實現MPM的正常開關機時序和異常情況下的關機時序。開機時，低壓逆變電路啟動，同時產生燈絲電壓、柵極開啟電壓、柵極關斷電壓和輔助供電部分，此時行波管處于截止狀態；隨后啟動高壓逆變電路，同時產生行波管陰極和各收集極電壓；最后開啟脈沖高壓電源柵極調制器，控制行波管電子注的通斷，行波管開始工作。MPM的關機時序或異常情況下關機時序與上述過程相反。

2.1高壓逆變電路設計

脈沖高壓電源是MPM的關鍵組成部分，本文選擇移相全橋軟開關拓撲，可實現脈沖高壓電源的高效率、小體積和高可靠性等。該拓撲采用零電壓開關(ZVS)和零電流開關(ZCS)技術，可實現約96%的效率，構成框圖如圖2所示。

高壓逆變電路占脈沖高壓電源約2/3的體積，因此高壓逆變電路開關頻率的提高對于減小脈沖高壓電源的體積和重量尤為重要，通過將高壓逆變電路的開關頻率設定為150 kHz和采用串聯饋電技術，可大幅度減小脈沖高壓電源的體積。

圖2　移相全橋軟開關原理框圖

開關頻率設定為150 kHz，通過匹配高壓逆變電路的諧振環路，可實現低壓側的金屬-氧化物半導體(MOS)管零電壓導通和高壓側整流二極管的零電流導通；與此同時,如此高的開關頻率可明顯減少磁性器件和濾波電路的體積。串聯饋電指的是利用一個高壓逆變電路同時產生陰極高壓和收集極高壓，采用串聯饋電技術實現陰極和各收集極饋電，通過變壓器的設計和穩壓環路可以實現陰極電壓及各收集極電壓的穩壓。采用倍壓整流的方式減小高壓變壓器變比，避免高壓變壓器分布參數對高壓電源的影響。本文所涉及的高壓電源輸出電源高達6 kV，紋波優于0.5‰，陰極電壓穩定度優于0.1‰，其它各極電壓穩定度優于0.5%，滿足幅相一致性對電源的要求。

2.2低壓逆變電路設計

該部分功率約為20 W，為簡化變壓器設計，采用單端反激拓撲結構。燈絲、柵極導通、截止電源和輔助電源由低壓逆變電路產生。燈絲的穩壓通過高壓浮動調節實現，其它從屬輸出需進行二次穩壓。該拓撲結構線路簡單，元器件較少，在中小功率電源中應用廣泛。單端反激逆變拓撲原理如圖3所示。

圖3　單端反激逆變原理框圖

2.3柵極調制器電路的設計

柵極調制器應具有實現大工作比、高重復頻率和脈沖寬度連續可調的能力，本文涉及的柵極調制器包括前后沿分離電路、隔離變壓器、脈沖整形單元、MOS管和電阻。開啟開關管V1導通，行波管工作。開啟開關管V1關斷，截尾開關管V2導通，實現行波管快速關斷。開啟開關管V1的導通由前后沿分離電路分離的前沿實現，開啟開關管V1的關斷和截尾開關管的V2開通由前后沿分離電路分離的后沿實現。通過主開關管V1和截尾開關管V2的導通和關斷實現行波管電子注的通斷。柵極調制器的原理框圖如圖4所示。

圖4　柵極調制器原理框圖

2.4保護與控制電路

控制部分以FPGA為核心，包含電源管理電路、外圍接口電路和瞬變抑制電路等部分。FPGA響應外部指令，實現MPM的控制和保護?？刂颇K電路示意圖如圖5所示，其中虛線內為FPGA的內部電路，其它部分為外部分立芯片。該部分電路主要完成以下功能：

(1) 完成MPM所需的開關機指令及控制時序，確保MPM開關機時序正確；

(2) 異常情況下，保證MPM能按設定程序關機和復位開機；

(3) 監視MPM的工作狀態，如螺旋線電流監視、輸入總線電流監視、保護狀態監視等。

圖5　控制與保護電路框圖

3結構設計

MPM由脈沖高壓電源、行波管和固態放大器組成，結構的設計主要針對高壓電源。高壓電源結構采用鋁合金材料，表面涂層采用特殊材料，使輻射系數大于0.85。高壓電源內部采用模塊化整體設計方式，由低壓電路、高壓電路、調制器電路等三部分組成，各個部分相互獨立，可獨立拆卸。內部連接采用微型連接器實現，各部分電路采用厚膜工藝進一步集成。脈沖高壓電源高壓部分采用絕緣高導熱材料整體灌封工藝，發熱器件均貼底板安裝。設計完成后，MPM的體積為：200 mm×160 mm×35 mm。由于脈沖高壓電源、行波管和固態放大器效率均較高，脈沖高壓電源效率高達96%，行波管效率達35%以上，固態放大器效率達20%以上，熱功耗較小，冷板上散熱可保證MPM安全可靠地工作。

4實物測試

對MPM進行完整測試，并進行了長時間連續工作，性能穩定，指標滿足要求，并且相位一致性優于±20°，幅度一致性優于±1.5 dB，各副特性指標如脈內噪聲功率譜密度、脈間噪聲功率譜密度、脈間相位誤差等均滿足整機指標要求。

5結束語

本文介紹了一種寬帶幅相一致脈沖MPM，該MPM包含脈沖高壓電源、行波管和固態放大器3個部分。高壓電源輸出最高電壓為-6 kV，最大輸出功率為500 W，效率可達96%，與行波管匹配可實現行波管35%以上的效率。行波管采用四極降壓收集極，輸出峰值功率大于300 W，諧波抑制和雜散抑制分別優于-6 dBc、-20 dBc，MPM其它副特性指標均滿足要求。測試結果表明該MPM具有效率高、體積小、重量輕、保護措施完善和副特性指標好等特點，滿足艦載和機載應用條件。

參考文獻：

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Research into A Wideband Amplitude-phase Coherence Pulse MPM

ZHU Li-chao1,LIU Hao2,BAO Qiu-xiang3

(1.Naval Equipment Procurement Center,Beijing 100071,China;2.Aviation Institute of Naval Equipment Academy，Shanghai 200436,China;3.The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

Abstract:This paper introduces a kind of wideband amplitude-phase coherence pulse microwave power module (MPM),which consists of pulse high-voltage power supply,traveling wave tube (TWT) and solid-state amplifier.Its output power is over 300W,duty-cycle is higher than 50%,effeciency is more than 30% and weight is lower than 2 kg.The test results show that the MPM has the features of small volume,low weight,high effeciency,perfect protection measures and automatic test function etc.,is suitable for applications to ship-borne and airborne platforms.

Keywords:amplitude-phase coherence;small volume;high efficiency;microwave power module

收稿日期:2015-09-07

中圖分類號：TN12

文獻標識碼：A

文章編號：CN32-1413(2016)02-0082-04

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.02.021