楊景紅，戴廣明，何秀華，湯長嶺

(南京電子技術研究所， 南京210039)

0 引言

雷達發(fā)射機是雷達系統(tǒng)的重要組成部分，發(fā)射機性能的好壞直接影響雷達的性能和質量［1］?，F(xiàn)代雷達不僅要求發(fā)射機功率大、可靠性高，還要求發(fā)射機必須滿足多種平臺的不同技術和環(huán)境要求［2-3］。因此，研制的新一代高功率發(fā)射機，關鍵是要體積小、機動性好、效率高，并且可以滿足雷達信號形式多變和實時切換的要求［4］。

為滿足現(xiàn)代雷達要求，基于新技術和新器件，本文介紹了采用模塊化全開關高壓電源、新體制的固態(tài)剛管調制器和一體化結構設計的新一代高功率發(fā)射機。

1 系統(tǒng)組成

本文發(fā)射機采用主振放大體制，滿足全相參雷達要求。高頻放大鏈采用兩級放大，前級采用固態(tài)放大器，末級采用高功率單注速調管。發(fā)射機系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 發(fā)射機系統(tǒng)組成框圖

發(fā)射機主要組成部分包括控制保護電路、前級放大器、高壓電源、固態(tài)調制器、磁場電源、反線包電源、燈絲電源、觸發(fā)器、去磁電源、鈦泵電源、電弧反射保護電路，以及高壓油箱中的升壓整流濾波組件、脈沖變壓器等。

2 關鍵技術

2.1 模塊化高壓電源

高壓電源是高功率雷達發(fā)射機的關鍵部分［5］。全開關高壓電源技術是發(fā)射機小型化、輕型化的重要因素，也是衡量發(fā)射機先進性的重要指標［6］。考慮速調管、調制器以及脈沖變壓器的工作參數(shù)和效率，高壓電源的主要技術指標如下:

(1)輸出電壓:0 kV～2 kV(連續(xù)可調);

(2)功率:≥12 kW;

(3)電源紋波:優(yōu)于1×10-3;

(4)穩(wěn)定度(6 h):優(yōu)于1 ×10-2。

高壓電源采用相移式模塊化高壓電源方案。高壓電源主要包括軟啟動電路、諧振變換器、控制電路、故障檢測保護電路、高頻升壓整流組件等。高壓電源原理如圖2所示。

圖2 高壓電源原理圖

高壓電源的諧振變換器采用串聯(lián)諧振全橋變換器，可提高系統(tǒng)的響應速度和效率，工作穩(wěn)定可靠。高頻升壓整流組件由升壓變壓器和高壓整流硅堆組成，可以將諧振變換器輸出的高頻低壓升壓整流為直流高壓。高頻升壓整流組件采用集成化設計，可有效減小引線分布參數(shù)的影響及設備體積。高壓取樣電路對電源的輸出實時采樣，供控制電路完成對輸出電壓的調整和故障保護。

高壓電源采用單個變換器推動單個高頻升壓整流組件的方式。通過多個變換器和高頻升壓整流組件的組合，同時將高頻升壓整流組件次級串聯(lián)，即可實現(xiàn)不同功率和電壓等級的高壓電源，這樣可以適應不同的發(fā)射機功率等級要求，并且有利于變換器和高頻升壓整流組件的模塊化設計。

高壓電源采用集中驅動的方式，由集中控制器統(tǒng)一產生變換器所需的4路功率驅動脈沖，利用無源驅動技術，耦合到變換器的4個橋臂上。驅動脈沖信號采用了功率信號傳輸，有效地抑制了干擾信號，提高了控制電路的可靠性，使得整個高壓電源的可靠性大大提高。

高壓電源采用無源驅動及全開關諧振變換等技術設計，控制精度高，可實現(xiàn)多路動態(tài)控制，并且基于一推一方式，大大提高了高壓電源的模塊化和組合化;采用集成化結構設計，體積小，機動性和環(huán)境適應性好;采用基于電磁耦合的無源驅動技術，提高了電源的可靠性和維修性。

2.2 新體制固態(tài)剛管調制器

脈沖調制器為發(fā)射機的射頻放大管提供合乎性能要求的視頻調制脈沖，它在很大程度上決定了發(fā)射機輸出的射頻脈沖質量［7］。同時，脈沖調制器的體積、效率、可靠性都直接影響發(fā)射機系統(tǒng)甚至雷達系統(tǒng)的性能［8］。因此，體積小、效率高、壽命長的脈沖調制器是新一代高功率發(fā)射機的關鍵技術之一［9］。

高功率MW級發(fā)射機使用的單注速調管工作電壓一般為幾十kV，工作電流一般為幾十A。雷達要求工作波形最寬8.5 μs，重復頻率最高達1 218 Hz。調制器主要技術指標如以下四點。

(1)輸出電壓:≥80 kV;

(2)輸出電流:≥50 A;

(3)脈沖寬度:10 μs內可調(平頂最寬 9 μs);

(4)重復頻率:最高1 218 Hz。

新體制全固態(tài)剛管調制器采用單個固態(tài)開關，驅動1∶40的脈沖變壓器。脈沖變壓器初級有10個繞組，10個繞組并聯(lián)使用。調制器電路如圖3所示。

圖3 調制器電路圖

圖3中，E1為高壓電源，L1為充電電感，T1為脈沖變壓器，V1為固態(tài)開關IGBT，C1為儲能電容，RL與D2為模擬調制器負載。T1右側為高壓部分，放置在油箱中。T1左側最高電壓不超過3 kV，因此可以方便地做成模塊化組件。

組件的核心是高電壓、大電流IGBT模塊。組件電路中，D1、R1與C2組成緩沖吸收電路，與開關管并聯(lián)，用于吸收脈沖變壓器漏感和主功率回路分布電感引起的尖峰電壓，保護開關管。緩沖吸收電路的設計非常關鍵，既要降低IGBT關斷時的CE兩端的反峰電壓，又要減小IGBT導通或關斷時產生的損耗。負載發(fā)生短路時，調制器開關IGBT的集電極電流迅速增大并超過其額定工作值。因此，調制器的保護電路從過電流檢出到IGBT關斷結束的延遲時間，要盡可能的短。為此，調制器進行打火保護試驗，打火時，調制器的保護電路在2.8 μs內關斷IGBT的觸發(fā)信號，有效保護了調制器。

研制的新體制全固態(tài)剛管調制器電路拓撲結構簡單、體積小、重量輕，適合各種平臺使用;脈沖變壓器采用多個初級繞組并聯(lián);同時，組件的主功率回路元器件很少，結構設計簡單，極大地降低了調制器的分布參數(shù)，有效提高了調制器的輸出波形質量，調制器的效率較高。

2.3 一體化結構設計

采用新體制全固態(tài)剛管調制器后，調制器的初級電壓和高壓電源的輸出電壓很低，二者很容易實現(xiàn)模塊化設計;同時，高壓電源采用組合化設計，高頻升壓整流組件采用集成化結構設計，體積較小。為此，發(fā)射機采用了一體化結構設計，將脈沖變壓器、高壓電源的高頻升壓整流組件、儲能電容以及燈絲電源的整流濾波組件全部放在高壓油箱中，并將調制器與高壓油箱設計為一體，如圖4所示。

圖4 一體化結構示意圖

一體化結構設計將發(fā)射機的高壓部分全部置于高壓油箱中，首先降低了高壓絕緣耐壓設計的難度，還有利于高功率器件的散熱;其次，使得高壓大電流連接線路很短，減小了分布參數(shù)，改善了調制器的輸出波形，提高了發(fā)射機的性能;第三，將高壓部分都放在油箱中，提高了安全性、電磁兼容性和環(huán)境適應性;第四，調制器位于油箱外部，方便后期的維護與維修。

3 結束語

發(fā)射機采用模塊化高壓電源技術，提高了可靠性和維修性，方便系統(tǒng)實現(xiàn)組合化和模塊化;采用新體制固態(tài)剛管調制器技術，減小了體積，提高了效率，并滿足雷達信號形式多變和實時切換的需求;采用一體化結構設計，提高了發(fā)射機的安全性、電磁兼容性和環(huán)境適應性，同時也明顯提升了整機性能。

新一代高功率發(fā)射機采用模塊化和組合化設計，踐行了高功率發(fā)射機的“三化”設計理念，可擴展性強;同時，提高了高功率發(fā)射機的可靠性和維修性，體積小、效率高，可適應多種工作平臺，在工程應用中有很好的推廣價值。

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［2］劉 超，楊景紅，錢 錳.新型S波段高功率發(fā)射機的設計［J］.微波學報，2010，26(6):71-74.Liu Chao，Yang Jinghong，Qian Meng.Design of a novel S band high power klystron transmitter［J］.Journal of Microwaves，2010，26(6):71-74.

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［4］戴廣明.大功率雷達發(fā)射機的“三化”研究［J］.現(xiàn)代雷達，2011，33(11):1-5.Dai Guangming.A study on universalization serialization and modularization of high power radar transmitter［J］.Modern Radar，2011，33(11):1-5.

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［7］魏 智.發(fā)射機高壓脈沖調制器的設計與實踐［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.Wei Zhi.Design and practice of transmitter high voltage pulse modulator［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2009.

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