何曉毛，常壯壯，郝文東，肖振業(yè)，王晶

（中國(guó)酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，甘肅酒泉 732750）

在單脈沖雷達(dá)系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)的主要作用是將小功率的微波信號(hào)進(jìn)行功率放大和脈沖調(diào)制，為雷達(dá)系統(tǒng)提供一定脈寬、重復(fù)頻率的大功率脈沖發(fā)射信號(hào)，其輸出功率的大小決定了雷達(dá)作用的距離[1]，發(fā)射機(jī)的工作穩(wěn)定性決定了雷達(dá)遂行各種任務(wù)的能力。脈沖雷達(dá)發(fā)射機(jī)末級(jí)放大多采用單只大功率速調(diào)管，速調(diào)管的電子槍區(qū)金屬電極和電子槍絕緣陶瓷表面的電場(chǎng)強(qiáng)度很高，在長(zhǎng)時(shí)間使用之后，電極和陶瓷表面由于老化或者污染，會(huì)很容易造成打火或擊穿，導(dǎo)致速調(diào)管無(wú)法工作[2]，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞速調(diào)管。另外速調(diào)管在裝配過(guò)程中大多采用手工完成，由于加工工藝、裝配技藝等原因，在真空腔體、高壓電極及陶瓷表面會(huì)出現(xiàn)毛刺、突起或污染物，從而降低電極間的擊穿強(qiáng)度[3]，最終會(huì)引發(fā)速調(diào)管打火或損壞。另外，速調(diào)管打火還受燈絲老化、管內(nèi)真空度不夠、管內(nèi)雜質(zhì)污染、輸出窗雜質(zhì)污染、波導(dǎo)打火反饋、過(guò)激勵(lì)等因素的影響。

某型脈沖雷達(dá)由于服役時(shí)間較長(zhǎng)，其發(fā)射機(jī)系統(tǒng)在使用過(guò)程中逐漸暴露出輸出功率不滿足指標(biāo)要求，故障率較高等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了雷達(dá)在航天測(cè)控中的跟蹤測(cè)量能力。

發(fā)射機(jī)雙機(jī)熱備份是目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)雷達(dá)發(fā)射機(jī)提高設(shè)備可靠性的普遍使用手段[4-5]。工作時(shí)，兩套發(fā)射機(jī)都加高壓，其連接方式分為兩種，一種為雙機(jī)互為熱備份工作方式[6]，通過(guò)功率轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)連接，一套發(fā)射機(jī)的輸出功率送到天線，另一套則送到大功率負(fù)載，當(dāng)送天線的發(fā)射機(jī)發(fā)生故障時(shí)，可通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換，將送負(fù)載的發(fā)射機(jī)的輸出功率轉(zhuǎn)換到天線[7]。另一種為功率合成方式[8]，通過(guò)功率合成網(wǎng)絡(luò)連接，當(dāng)某一套發(fā)射機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)合成系數(shù)，使合成功率輸出不產(chǎn)生變化，其合成方法可在速調(diào)管輸出端進(jìn)行，通過(guò)微波功率合成來(lái)實(shí)現(xiàn)[5,9-11]；或者將多部發(fā)射機(jī)輸出的微波功率經(jīng)天線輻射進(jìn)行空間合成[12-13]。

通過(guò)對(duì)發(fā)射機(jī)設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行研究，并結(jié)合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展潮流，利用現(xiàn)有平臺(tái)提出了對(duì)該雷達(dá)發(fā)射機(jī)進(jìn)行雙機(jī)熱備份改造的設(shè)計(jì)方案，用于解決目前發(fā)射機(jī)功率輸出不足和因速調(diào)管打火影響雷達(dá)遂行任務(wù)跟蹤的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 脈沖雷達(dá)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

某型脈沖雷達(dá)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)主要由高壓電源、調(diào)制器、前級(jí)放大、速調(diào)管、電源以及為保障系統(tǒng)正常工作所必須的水冷、風(fēng)冷和恒溫環(huán)境保持裝置等部分組成。其各組成部件的連接如圖1 所示。

圖1 發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)布局

高壓電源為速調(diào)管提供所需高壓，主要由高壓電源控制分機(jī)、3 個(gè)逆變器分機(jī)和高壓脈沖裝置組件等組成；調(diào)制器將高壓調(diào)制成脈沖形式，主要由調(diào)制器組件板、低壓組件（包含定時(shí)驅(qū)動(dòng)板、逆變電源板、壓敏電阻板等）和儲(chǔ)能電容等組成；前級(jí)放大和末級(jí)放大形成放大鏈，主要由前級(jí)分機(jī)、控保單元分機(jī)、磁場(chǎng)電源分機(jī)、燈絲及反線包電源分機(jī)、去磁電源分機(jī)、速調(diào)管和水負(fù)載等組成；電源為系統(tǒng)提供能量，各分機(jī)采用抽屜式的單元結(jié)構(gòu)。

發(fā)射機(jī)的主要作用是將激勵(lì)源送來(lái)的脈沖射頻小信號(hào)，送至前級(jí)放大器進(jìn)行放大，之后通過(guò)可變衰減器進(jìn)行增益調(diào)節(jié)，將大小合適的前級(jí)放大器輸出信號(hào)送到末級(jí)速調(diào)管放大器輸入端，最后經(jīng)速調(diào)管放大后，輸出功率經(jīng)電弧檢測(cè)波導(dǎo)、定向耦合器、大功率環(huán)流器、饋線送至天線，將射頻脈沖發(fā)射出去。

1.2 雙機(jī)熱備份硬件設(shè)計(jì)

在雷達(dá)現(xiàn)有發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，綜合考慮發(fā)射系統(tǒng)各單元的協(xié)調(diào)配合工作，采取相同的定時(shí)和同步命令控制，采用合理的控制與保護(hù)策略，將射頻信號(hào)輸入等功率分配，經(jīng)過(guò)對(duì)發(fā)射機(jī)設(shè)備承載的研究和分析，雙機(jī)熱備份的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 中的發(fā)射機(jī)A 為原有發(fā)射系統(tǒng)，發(fā)射機(jī)B（包括高壓電源、調(diào)制器、末級(jí)放大及其他輔助供電設(shè)備單元）與合成器為新增設(shè)備。為防止兩套發(fā)射機(jī)相互牽連，設(shè)計(jì)了分散供電模式。與原有發(fā)射機(jī)不同的是，發(fā)射機(jī)B 的高壓電源模塊采用可調(diào)式高壓供電。將調(diào)制器組件與配套的燈絲變壓器和脈沖變壓器放置在高壓油箱內(nèi)，做到高壓隔離并節(jié)省空間。

圖2 發(fā)射機(jī)熱備份設(shè)計(jì)方案

1）高壓電源

目前高壓電源設(shè)計(jì)冗余，無(wú)法提供2 只速調(diào)管同時(shí)工作，因此，采用相互牽連小、可靠性高的分散供電。即新增一套高壓電源設(shè)備，具體包括高壓電源控制分機(jī)、開(kāi)關(guān)電源分機(jī)和軟啟動(dòng)電路等，為發(fā)射機(jī)B的末級(jí)放大、磁場(chǎng)反線包聚焦提供電壓和能量。新高壓電源采用可調(diào)式高壓供電，通過(guò)高壓控制按鍵人工改變高壓供電的大小，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)功率輸出的控制。

2）末級(jí)放大

末級(jí)放大包括新速調(diào)管、調(diào)制器組件、聚焦線圈、燈絲變壓器、環(huán)形器及功率合成器。高壓電源模塊采用可調(diào)的脈沖高壓為速調(diào)管供電，無(wú)需脈沖變壓裝置及去磁電源。新調(diào)制器組件、燈絲變壓器及速調(diào)管可統(tǒng)一放置于變壓油箱內(nèi)，以便達(dá)到更好的散熱，防電暈及節(jié)省空間的效果。

3）前級(jí)與電源

前級(jí)與電源包括控制保護(hù)電路、磁場(chǎng)電源、燈絲電源及反線包分機(jī)等，主要對(duì)市電進(jìn)行變換，提供各分機(jī)單元需要的電源供電。

4）激勵(lì)信號(hào)輸入

在前級(jí)固態(tài)放大器的輸出端加裝等功率分配器，將2 路等功率信號(hào)經(jīng)可變衰減器后輸入速調(diào)管A和速調(diào)管B 進(jìn)行功率放大。

5）定時(shí)輸入

采用同一定時(shí)信號(hào)源進(jìn)行2 路同步定時(shí)，經(jīng)定時(shí)器處理后，調(diào)制成所需的觸發(fā)脈沖，控制發(fā)射機(jī)A和發(fā)射機(jī)B 同步工作。

6）功率輸出

通過(guò)調(diào)節(jié)前級(jí)輸出后的可變衰減器，控制發(fā)射機(jī)A 和發(fā)射機(jī)B 功率輸出，另外，可調(diào)節(jié)高壓供電的大小來(lái)控制發(fā)射機(jī)B 的功率輸出，最后，利用功率合成器將兩臺(tái)發(fā)射機(jī)的輸出功率進(jìn)行合成之后送往天線。

7）系統(tǒng)冷卻

發(fā)射機(jī)B速調(diào)管的收集級(jí)、磁場(chǎng)線圈、鈦泵及環(huán)形器等設(shè)備新設(shè)4 條冷卻管路，利用現(xiàn)有冷卻系統(tǒng)冗余的4 路接口，并經(jīng)過(guò)理論計(jì)算，調(diào)整冷卻裝置的旁通閥，增大管理中的流量和壓力，滿足系統(tǒng)散熱需求。

8）控制保護(hù)電路

對(duì)高壓控制、磁場(chǎng)反線包、管體電流、鈦泵電流、調(diào)制脈沖、功率反射、冷卻系統(tǒng)溫度、流量及壓力等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)收集，經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換后送至PLC 進(jìn)行控制。

9）工作模式設(shè)置

在雷達(dá)主控臺(tái)上，增加了發(fā)射機(jī)工作模式選擇切換，即發(fā)射機(jī)A 獨(dú)立工作模式、發(fā)射機(jī)B 獨(dú)立工作模式及發(fā)射機(jī)A+B 同時(shí)工作模式，3 種工作模式可相互切換，但當(dāng)發(fā)射機(jī)A+B 功率合成工作時(shí)互鎖，防止2 套發(fā)射機(jī)同時(shí)滿功率輸出而損壞設(shè)備。

2 功率合成設(shè)計(jì)

2.1 功率合成工作原理

功率合成技術(shù)是實(shí)現(xiàn)雷達(dá)發(fā)射機(jī)大功率時(shí)普遍采用的方法，功率合成器是將來(lái)自發(fā)射機(jī)的大功率信號(hào)進(jìn)行合成的器件[11]，其一般由正交器、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、90°移相器等部件組成，目的是解決單個(gè)速調(diào)管功率容量有限的問(wèn)題，其工作原理如圖3 所示。

發(fā)射機(jī)A、發(fā)射機(jī)B 從正交器1 的兩個(gè)端口輸入待合成的微波信號(hào)，兩個(gè)90°移相器經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)分別設(shè)置一定角度，使兩個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)移相器后與輸出端器件正交器2 的極化方式相匹配（正交器2一般設(shè)置為45°極化），使得微波信號(hào)在正交器2 的輸出端同相疊加，而在另一端則反向相消輸出為零，完成兩路信號(hào)大功率合成[5]。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用AC220V 供電，3 種工作模式取決于兩個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)位置，角度分別為?1、?2，給定不同的?1和?2組合，可得出不同的工作模式。

圖3 功率合成器原理

2.2 功率合成效率分析

功率合成器為一四端口微波器件，其輸入端分別與發(fā)射機(jī)A 和發(fā)射機(jī)B 相接，輸出端分別連接負(fù)載和天線，其組成示意圖如圖4 所示。

圖4 功率合成器連接方法

圖4 中，a1、a2為發(fā)射機(jī)的入射微波信號(hào)，b1、b2為合成器的反射信號(hào)，b4、b3為輸出合成信號(hào)，a4、a3為天線和負(fù)載反射信號(hào)。來(lái)自發(fā)射機(jī)的入射微波經(jīng)合成器后，將在合成器輸出端形成相互垂直的橫波信號(hào)和縱波信號(hào)，橫波為雷達(dá)所需要的微波信號(hào)，送往天線，而縱波通過(guò)大功率負(fù)載進(jìn)行吸收。根據(jù)散射參數(shù)理論[14]，合成器的散射矩陣S為：

式中，Sij表示端口i到端口j的反射或傳輸系數(shù)，則有：

假設(shè)功率合成器各端口與連接器件均匹配，則端口3 和4 均無(wú)功率反射到合成器中，即a3=0，a4=0。定義功率合成效率為合成器輸出功率與輸入功率的比值[11]，即：

2.3 功率合成效率影響因素

由于發(fā)射機(jī)輸出的功率信號(hào)具有一定的幅度和相位，其形成的散射矩陣為復(fù)數(shù)形式[15]，因此用幅度、相位表示合成器的輸出信號(hào)為：

由以上結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

1）合成效率的大小取決于輸入信號(hào)的幅相一致性程度以及發(fā)射機(jī)與合成器的匹配程度；

2）由于合成器的制造工藝等原因，其內(nèi)在性質(zhì)無(wú)法更改，為使合成效率最大，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)盡量使輸入信號(hào)幅度和相位與合成器的傳輸系數(shù)具有一定的關(guān)系。

2.4 合成效率最大值條件

分析式（5）可知，通過(guò)改變輸入信號(hào)的幅度相位和設(shè)置功率合成器的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)角度，可使合成效率達(dá)到最大，即：

即合成效率最大值為散射矩陣元素S14、S24實(shí)部系數(shù)平方和。經(jīng)過(guò)推導(dǎo)，式（6）取等號(hào)時(shí)的條件為：

其中p，?為常數(shù)，其值由功率合成器的類型、制造工藝等因數(shù)決定。從推導(dǎo)可知，要使合成效率最大，對(duì)應(yīng)不同的輸入端口，要求發(fā)射機(jī)的輸入信號(hào)幅度與合成器端口的幅度傳輸系數(shù)成比例，而相位與合成器相位傳輸系數(shù)差相等，使兩套發(fā)射機(jī)合成器，相位達(dá)到完全一致，即完成波的疊加，達(dá)到最大合成效率。在實(shí)際工作中，發(fā)射機(jī)的輸出信號(hào)的幅度可通過(guò)衰減器調(diào)節(jié)，而相位可通過(guò)功率合成器旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)分別設(shè)置。

3 可靠性分析

可靠性模型是定量分析系統(tǒng)可靠性的依據(jù)，不同的可靠性模型可獲得不同的可靠性指標(biāo)。對(duì)于單套發(fā)射機(jī)而言，一般采用串聯(lián)系統(tǒng)可靠性模型進(jìn)行計(jì)算[16]。某型脈沖雷達(dá)發(fā)射機(jī)其關(guān)鍵部件平均無(wú)故障工作時(shí)間(MTBF)如表1 所示。

表1 發(fā)射機(jī)各部件可靠性預(yù)計(jì)表

對(duì)于單套發(fā)射機(jī)系統(tǒng)，采用串聯(lián)系統(tǒng)可靠性計(jì)算公式：

λi為第i單元模塊的失效率n為單元模塊總數(shù)，經(jīng)計(jì)算得出單套發(fā)射機(jī)MTBF1為1 190 h。

發(fā)射機(jī)雙機(jī)熱備份是一個(gè)冗余系統(tǒng)，其采用兩套發(fā)射機(jī)并聯(lián)進(jìn)行工作，只要有一套發(fā)射機(jī)正常工作就能保持系統(tǒng)正常工作。因此，其可靠性采用并聯(lián)系統(tǒng)可靠性模型進(jìn)行計(jì)算。

式中，N為系統(tǒng)數(shù)量。某型脈沖雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)雙機(jī)熱備份工作時(shí)，其MTBF2為1 785 h，比單發(fā)射機(jī)工作時(shí)提高了595 h。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)某型脈沖雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)備現(xiàn)狀，對(duì)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究，提出了發(fā)射機(jī)系統(tǒng)雙機(jī)熱備份方案，利用雙發(fā)射機(jī)功率合成方式，彌補(bǔ)了舊發(fā)射機(jī)輸出功率不足的缺陷，同時(shí)分析了影響功率合成的因素，推導(dǎo)了功率合成輸出效率最大化的參數(shù)設(shè)置方法；可靠性分析表明，雙發(fā)射機(jī)熱備份工作時(shí)，可有效提高系統(tǒng)的可靠性，增強(qiáng)了雷達(dá)遂行任務(wù)的能力。