張劍 宋越 周明

摘 要本文主要介紹了寬帶柵控脈沖行波管發(fā)射機(jī)保護(hù)措施的重要性和必要性以及一些保護(hù)措施的實(shí)現(xiàn)方法。

【關(guān)鍵詞】脈沖行波管 發(fā)射機(jī) 過流 反射駐波 保護(hù)電路

脈沖行波管發(fā)射機(jī)屬于高增益、高電壓、高功率設(shè)備，其主要功能是對工作頻段內(nèi)的射頻小信號進(jìn)行放大并輸出，通過天線輻射到空間。發(fā)射機(jī)中，脈沖行波管屬于核心器件，價(jià)格昂貴，其性能直接決定了發(fā)射機(jī)的性能以及系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，因此保護(hù)功能的設(shè)計(jì)主要是圍繞著行波管開展的。本文結(jié)合某型寬帶脈沖行波管發(fā)射機(jī)為例，介紹了整機(jī)保護(hù)功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)控制及故障信號傳輸

1.1 系統(tǒng)控制

發(fā)射機(jī)的系統(tǒng)控制主要是完成發(fā)射機(jī)的對外通信、開/關(guān)機(jī)控制、實(shí)時(shí)進(jìn)行工作狀態(tài)的監(jiān)測與故障檢測、判定和處理。出現(xiàn)異常時(shí)可自動(dòng)斷電，保護(hù)行波管。

柵控脈沖行波管發(fā)射機(jī)有嚴(yán)格控制要求，需合理設(shè)計(jì)控制電路，保證柵控行波管的加電順序：

（1）加?xùn)艠O負(fù)偏壓和燈絲電壓，達(dá)到預(yù)熱時(shí)間要求，各種參數(shù)正常后；

（2）加行波管各極高壓；

（3）加?xùn)艠O調(diào)制脈沖；

（4）加射頻激勵(lì)。

關(guān)電時(shí)則順序相反。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，首先需及時(shí)關(guān)斷柵極調(diào)制脈沖，使柵極處于截止?fàn)顟B(tài)，然后切斷高壓，發(fā)送故障狀態(tài)指示和故障類型。

1.2 故障信號傳輸

行波管的工作電壓通常在幾千伏到十幾千伏，而發(fā)射機(jī)的控制保護(hù)電路則工作在低壓狀態(tài)。為了減少控保電路受到的干擾，通常故障檢測電路與控保電路之間需采取必要的隔離措施，而對懸浮在高壓上的故障信號的傳輸還須具備高壓隔離能力，一般可采用光纖傳輸、高壓光耦或振蕩器加脈沖隔離變壓器等。后者成本較低且簡單易行，可靠性較高，得到廣泛應(yīng)用。

2 故障保護(hù)功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 行波管燈絲電流的檢測與保護(hù)

行波管的燈絲用于為行波管陰極加熱，使陰極以需要的速率發(fā)射電子；并且燈絲是有壽命的，要盡量避免其受到較大的電流沖擊。但是冷態(tài)的燈絲具有低阻特性，因此需要限制剛接通時(shí)的浪涌電流，一般不超過額定電流的1.5倍；當(dāng)行波管工作時(shí)，若燈絲電流欠流，則易導(dǎo)致行波管打火，若燈絲過流，則易使陰極壽命縮短。因此燈絲電流檢測保護(hù)非常重要，在燈絲電源啟動(dòng)時(shí)，需采取限流措施，當(dāng)燈絲進(jìn)入熱態(tài)后，燈絲電源進(jìn)入穩(wěn)壓狀態(tài)，需實(shí)時(shí)檢測燈絲電流，以便出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)采取有效的保護(hù)措施，避免行波管因長期工作在過流狀態(tài)而受到損傷。

本例發(fā)射機(jī)采用的是直流燈絲電源，燈絲電流檢測電路見圖1。使用霍耳傳感器將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，送至開關(guān)電源控制芯片的誤差放大器，通過控制電路起到恒流作用；同時(shí)將信號與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較器，判定是否故障，進(jìn)行故障保護(hù)處理。

2.2 行波管螺旋線電流檢測與保護(hù)

螺旋線過流保護(hù)是發(fā)射機(jī)行波管保護(hù)電路中最基本也是最重要的保護(hù)，其基本原理是當(dāng)螺旋線電流超過預(yù)設(shè)值時(shí)，立刻切斷柵極調(diào)制脈沖和高壓。

對于柵控脈沖行波管，加電工作處在放大狀態(tài)時(shí)，電子注總流一部分流向螺旋線，一部分流向收集極，但由于電子能量交換的效率、相速變化等原因，在調(diào)制脈沖開通和關(guān)斷瞬間，會(huì)產(chǎn)生散焦現(xiàn)象，導(dǎo)致螺旋線電流過流。而螺旋線耐功率能力有限，過流會(huì)燒毀螺旋線，因此需對螺旋線電流進(jìn)行檢測，檢測電路示意圖見圖2。

通過串聯(lián)電阻R1可將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并與基準(zhǔn)電壓比較，判定是否過流，將故障信號輸出至控保電路，如圖2（a），該電路出現(xiàn)異常響應(yīng)速度快，但取樣與控制電路不隔離，行波管打火時(shí)過大的尖峰電壓會(huì)造成控保電路損壞，因此可以采用繼電器和光耦將取樣信號隔離后傳送至控制保護(hù)電路，如圖2（b），此種方式響應(yīng)時(shí)間受限于繼電器的吸合時(shí)間。

2.3 駐波反射檢測與保護(hù)

行波管發(fā)射機(jī)損壞的重要原因之一就是輸出反射功率過大，導(dǎo)致行波管輸出窗損壞。當(dāng)行波管輸出鏈路阻抗不匹配時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)反射駐波過大的情況，如果反射功率過大會(huì)引起電子注散焦將導(dǎo)致螺旋線過流燒毀，也會(huì)是輸出同軸線的內(nèi)導(dǎo)體發(fā)熱損壞輸出窗，因此必須采取措施進(jìn)行保護(hù)。本例發(fā)射機(jī)是寬帶脈沖行波管發(fā)射機(jī)，而寬帶的隔離器和環(huán)形器較少且其插損和駐波等技術(shù)指標(biāo)參數(shù)通常無法滿足要求，因此采用雙定向耦合器和檢波器實(shí)現(xiàn)駐波檢測和保護(hù)功能。

圖3中通過耦合器的反向耦合端檢測反射功率的峰值，送入檢波電路與基準(zhǔn)門限比較，當(dāng)反射功率達(dá)到或是超過設(shè)定門限時(shí)，即判為反射功率故障，由控保電路關(guān)斷行波管柵極正偏并切斷高壓。門限的確定取決于發(fā)射機(jī)輸出功率和負(fù)載駐波比ρ。發(fā)射機(jī)輸出饋線系統(tǒng)的駐波比一般在1.5～2之間，取ρ=2，假設(shè)發(fā)射功率為2kW，反射系數(shù)K =（ρ-1）/（ρ+1）=0.33，反射功率P=P×K =217.8W。經(jīng)過耦合器反向耦合40dB衰減后，反射功率為21.78mW，轉(zhuǎn)換為13.3dBm，由此可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整保護(hù)門限。使用雙定向耦合器還可以同時(shí)對行波管輸出功率進(jìn)行檢測，原理相同。

2.4 調(diào)制脈沖檢測與保護(hù)

柵控脈沖行波管的工作比和最大脈寬都有限制，一旦發(fā)生過脈寬或過工作比現(xiàn)象，輕則影響發(fā)射機(jī)的性能；重則損壞行波管，導(dǎo)致發(fā)射機(jī)無法工作，因此在使用中對調(diào)制脈沖的寬度和工作比是必須加以實(shí)時(shí)監(jiān)控和保護(hù)的。

圖4是調(diào)制脈沖寬度和工作比檢測原理圖，本例采用意法半導(dǎo)體公司的STM32F10X系列ARM微控制器，其通用定時(shí)器具有輸入捕獲功能，可以用于測量輸入信號的脈沖長度，再通過計(jì)算，可以求得脈沖占空比，輔之以簡單的外圍電路，即可實(shí)現(xiàn)脈沖信號的脈寬和占空比的測量與保護(hù)處理。圖5是脈沖檢測與保護(hù)的邏輯關(guān)系圖。

3 結(jié)束語

本文以寬帶柵控行波管發(fā)射機(jī)為例，分析了保護(hù)措施的重要性和必要性，并介紹了保護(hù)電路的實(shí)現(xiàn)方法。除上述以外，對發(fā)射機(jī)的保護(hù)還有很多方面，如脈沖行波管的工作各極工作電壓的檢測和保護(hù)、行波管過熱保護(hù)、發(fā)射機(jī)散熱系統(tǒng)的檢測與保護(hù)等。

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作者簡介

張劍（1978-），男，山東省青島市人。現(xiàn)為中國電子科技集團(tuán)公司第51研究所設(shè)計(jì)師。研究方向?yàn)榘l(fā)射技術(shù)。

作者單位

中國電子科技集團(tuán)公司第51研究所 上海市 201802