吳亞中，張 科

(南京電子技術(shù)研究所，南京 210039)

0 引言

近些年，毫米波測云雷達成為天氣雷達的研究熱點。隨著信號處理技術(shù)和接收技術(shù)的發(fā)展，雷達系統(tǒng)克服了磁控管頻率不穩(wěn)定問題，使毫米波磁控管測云雷達得以實現(xiàn)[1]。目前，毫米波微波功率器件有行波管放大器、固態(tài)放大器以及磁控管，相比較而言，行波管放大器、固態(tài)放大器價格比較昂貴，磁控管則具有發(fā)射功率大、價格低等特點。

本文介紹了一種毫米波測云雷達用小功率8 mm磁控管發(fā)射機。該發(fā)射機采用回掃充電線性調(diào)制器，通過放電開關(guān)的選擇以及人工線與脈沖變壓器匹配問題的有效解決，優(yōu)化調(diào)整高壓調(diào)制脈沖波形，進而生成較好的功率輸出檢波波形。同時，有效減小體積，提高可靠性，采用封閉式結(jié)構(gòu)設(shè)計，適應(yīng)發(fā)射機天線安裝全天候運轉(zhuǎn)的要求。

1 主要技術(shù)指標(biāo)與系統(tǒng)組成

1.1 主要技術(shù)指標(biāo)

輸入:220 V/50 Hz±10%(交流)

輸出:峰值功率25 kW，脈沖寬度200 ns，重復(fù)頻率4 kHz，占空比小于1‰，調(diào)制脈沖15 kV/10A。

1.2 系統(tǒng)組成

發(fā)射機由幾個基本的功能模塊組成，分別是控保組件、低壓電源、燈絲電源、回掃充電線性調(diào)制器和磁控管等，如圖1所示。

圖1 發(fā)射機功能模塊簡圖

控保組件完成發(fā)射機內(nèi)部的定時信號輸入、各個組件的狀態(tài)監(jiān)控以及與外界的通訊工作;低壓電源將交流220 V交流電經(jīng)直流-直流(DC-DC)模塊統(tǒng)一變換為各組件需要的低壓電源信號;燈絲電源將24 V直流電源經(jīng)過半橋變換器逆變?yōu)榻涣餍盘柡?，再通過燈絲隔離變壓器耦合傳輸至磁控管燈絲;回掃充電線性調(diào)制器根據(jù)輸入的定時信號，對交流220 V交流電進行變換，對調(diào)制器的人工線進行充電，并產(chǎn)生放電開關(guān)的觸發(fā)信號控制放電開關(guān)，將人工線的儲存能量通過脈沖變壓器升壓后，產(chǎn)生符合要求的調(diào)制脈沖波形送至磁控管陰極，使磁控管正常工作，同時對充電電流、放電電流、調(diào)制電流進行實時采樣監(jiān)測保護，發(fā)現(xiàn)過流后切斷觸發(fā)并報警。

1.3 高壓線性調(diào)制器[2-3]

回掃充電線性調(diào)制器具有電路簡單、可靠性高、抗打火能力強等特點。圖2為回掃充電線性調(diào)制器原理框圖，其電路簡單分為充電部分和放電部分。

圖2 回掃充電線性調(diào)制器簡圖

電路中，交流220 V通過整流濾波變換為直流電，作為充電電壓源。充電部分是一種類似于單端反激式開關(guān)電源的電路拓?fù)湫问?。控制電路根?jù)系統(tǒng)定時產(chǎn)生充電觸發(fā)信號，經(jīng)驅(qū)動器放大后控制充電開關(guān)管V1和V2;充電開關(guān)管導(dǎo)通期間，整流濾波得到直流電的能量并送至反激式充電變壓器T1，由于充電二極管V7的反向阻斷作用，能量儲存在變壓器勵磁電感中，如圖2中電流I1所示;當(dāng)充電開關(guān)管關(guān)斷后，充電變壓器儲能換向，能量由充電變壓器通過充電二極管V7向人工線PFN充電;當(dāng)充電變壓器中的能量全部轉(zhuǎn)換為人工線儲能后，進入放電等待狀態(tài)，如圖2中電流I2所示。放電部分是包含人工線、放電開關(guān)管、脈沖變壓器等的標(biāo)準(zhǔn)放電電路?？刂齐娐犯鶕?jù)系統(tǒng)定時產(chǎn)生放電觸發(fā)信號，觸發(fā)SCR放電開關(guān)管V9;放電開關(guān)管導(dǎo)通后，人工線上儲存的能量在很短的脈沖時間內(nèi)通過脈沖變壓器T2，升壓變換后送至磁控管陰極，完成陰極調(diào)制過程，如圖2中電流I3所示。放電結(jié)束后，人工線反向電壓為零，SCR放電開關(guān)管V9恢復(fù)關(guān)斷狀態(tài)，完成一次充放電過程。

2 發(fā)射機的設(shè)計難點

磁控管的工作方式是自激工作模式，對調(diào)制脈沖的前后沿要求很高，尤其是調(diào)制脈沖的前沿，波形的前沿過快和過慢都會引起磁控管工作不穩(wěn)定，出現(xiàn)磁控管打火現(xiàn)象[4]。

2.1 放電開關(guān)選擇

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，線性調(diào)制器的放電開關(guān)基本都實現(xiàn)了固態(tài)化，使用SCR作為放電開關(guān)[2]。中大功率線性固態(tài)調(diào)制器一般均采用多只SCR管串聯(lián)的方式，組成較高耐壓放電開關(guān)組件[5]，器件使用耐壓1800 V的KG200A/1800 V或耐壓1200V的KG200A/1200V。本發(fā)射機屬于小功率范疇，調(diào)制器充電電壓可適當(dāng)降低，進而減少器件的使用，充電電壓確定為2500V，采用SCR串聯(lián)技術(shù)需要2～3只常用SCR管實現(xiàn)串聯(lián)。為進一步簡化設(shè)計，本設(shè)計采用了耐壓達3300V的DYNEX公司的ACR300SG33作為放電開關(guān)。相對于2500V的充電電壓，單管就可實現(xiàn);相對于SCR串聯(lián)技術(shù)，避免了浮動電位器件的散熱，使放電開關(guān)的散熱更容易實現(xiàn)，可省略SCR管之間的均壓電路，觸發(fā)電路也減少到一個，能有效簡化電路并減小體積。該器件為快速可控硅，開通上升時間可達到50ns，遠(yuǎn)小于8mm磁控對脈沖前沿90ns～120ns的要求，為人工線與脈沖變壓器調(diào)整匹配、調(diào)制脈沖波形調(diào)整保留了余量。

2.2 調(diào)制脈沖波形調(diào)整

線性調(diào)制器的人工線的參數(shù)直接決定了調(diào)制脈沖。大功率線性調(diào)制器的人工線的參數(shù)量級較大，脈沖變壓器的漏感和放電回路長度對調(diào)制波形影響較小。而本發(fā)射機屬于小功率范疇，調(diào)制脈沖功率等級僅為15 kV/10 A，同時功率輸出波形較窄，僅有200 ns。這就決定了其人工線的參數(shù)量級很小，人工線的儲能電容值僅需幾十nF，人工線的電感量僅需幾百nH，要想通過對人工線參數(shù)的調(diào)整有效控制調(diào)制波形，從而實現(xiàn)調(diào)制波形優(yōu)化，就必須嚴(yán)格控制脈沖變壓器的漏感和放電回路長度，盡可能減小其對調(diào)制波形的影響。本設(shè)計優(yōu)化了脈沖變壓器的參數(shù)設(shè)計，盡可能減小脈沖變壓器初級漏感，把初級漏感控制在100 nH以內(nèi)，同時通過放電開關(guān)使用單管、人工線采用干式、合理布局有效減小放電回路長度等優(yōu)化措施，再經(jīng)過人工線參數(shù)的調(diào)整，使調(diào)制脈沖的前沿滿足要求，功率輸出檢波也得到較好的波形。

圖3給出了該發(fā)射機的調(diào)制脈沖電壓波形(1路)和電流波形(2路)，實際8 mm磁控管工作于13 kV/9 A。圖4給出了功率輸出檢波波形，從檢波波形中可以看出頂部沒有振蕩，非常平坦。

圖3 調(diào)制脈沖波形圖

圖4 功率輸出檢波包絡(luò)

3 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了毫米波測云天氣雷達使用的一種小功率毫米波磁控管發(fā)射機，通過嚴(yán)格器件選型、優(yōu)化脈沖變壓器參數(shù)和放電回路、調(diào)整人工線參數(shù)等方法，實現(xiàn)對調(diào)制脈沖波形和功率輸出檢波波形的優(yōu)化調(diào)整。該發(fā)射機體積小巧、工作可靠、成本低、性能可靠、故障率低，滿足天氣雷達全天候24小時運轉(zhuǎn)要求。該發(fā)射機在功率密度方面還有提高的空間，可運用一體化設(shè)計，進一步減小發(fā)射機的體積，實現(xiàn)發(fā)射機的整體模塊化。

[1]許致火，何建新.8 mm脈沖磁控管測云雷達測速多普勒化[J].電訊技術(shù)，2010，50(9):97-101.Xu Zhihuo，He Jianxin.Dopplerizing an 8 mm pulsed magnetron cloud radar[J].Telecommunication Engineering，2010，50(9):97-101.

[2]鄭 新，李文輝，潘厚忠.雷達發(fā)射機技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2006.Zheng Xin，Li Wenhui，Pan Houzhong.Radar transmitters technology[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2006.

[3]韓 博，戴廣明，吳亞中.回掃充電調(diào)制器的應(yīng)用分析[J].現(xiàn)代雷達，2009，31(8):77-79.Han Bo，Dai Guangming，Wu Yazhong.Analysis of application of fly-back charging modulator[J].Modern Radar，2009，31(8):77-79.

[4]強伯涵，魏 智.現(xiàn)代雷達發(fā)射機的理論設(shè)計和實踐[M].北京:國防工業(yè)出版社，1985.Qiang Bohan，Wei Zhi.Theory design and practice of modern radar transmitters technology[M].Beijing:National Defense Industry Press，1985.

[5]何秀華.一種新型天氣雷達發(fā)射機的設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代雷達，2011，33(8):69-71.He Xiuhua.Design and application of new meterological radar transmitter[J].Modern Radar，2011，33(8):69-71.