祝 亮,陳建偉,李 楠

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081）

0 引言

速調(diào)管放大器是一種常用的高功率微波放大器,在需要大功率發(fā)射的場(chǎng)合發(fā)揮著不可替代的作用。速調(diào)管是速調(diào)管放大器的核心部件,負(fù)責(zé)射頻信號(hào)的末級(jí)功率放大。為了保證速調(diào)管可靠工作,延長(zhǎng)其使用壽命,系統(tǒng)必須對(duì)其工作狀態(tài)及供電系統(tǒng)的各種參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視并實(shí)施有效控制以避免速調(diào)管受到損壞。

隨著近年來電子技術(shù)的飛速發(fā)展,速調(diào)管放大器的控保電路已經(jīng)由分立器件、運(yùn)算放大器及邏輯電路等構(gòu)成的純硬件系統(tǒng)升級(jí)為以可編程邏輯器件和微控制器為核心,通過監(jiān)控軟件采集速調(diào)管放大器的各項(xiàng)工作參數(shù)并進(jìn)行分析和處理,實(shí)現(xiàn)了更加完善的功能,同時(shí)提高了系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性?，F(xiàn)今速調(diào)管放大器的控保電路具備工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示、快速保護(hù)、故障存儲(chǔ)、軟件校準(zhǔn)、遠(yuǎn)端監(jiān)控等智能化功能。

1 速調(diào)管的工作特性

1.1 基本電路構(gòu)成

1kW速調(diào)管放大器中末級(jí)功率管采用恒磁聚焦式五腔速調(diào)管。速調(diào)管陰極產(chǎn)生的電子在電子槍的作用下形成均勻的電子束,通過速度調(diào)制、群聚,激勵(lì)諧振腔,再調(diào)制、再群聚、再激勵(lì)的過程后,電子束的部分能量就轉(zhuǎn)換成了射頻能量,剩余的能量在轟擊收集極時(shí)轉(zhuǎn)換成了熱能。速調(diào)管的功能就是通過電子束與磁場(chǎng)之間的相互作用而將電源直流能量變換為射頻能量。

速調(diào)管及外圍單元的典型構(gòu)成電路如圖1所示,主要包括射束電源、燈絲電源、射束電壓檢測(cè)、射束電流檢測(cè)、腔體電流檢測(cè)、射頻輸入功率檢測(cè)、射頻輸出功率檢測(cè)和反射功率檢測(cè)電路。

圖1 速調(diào)管典型外國(guó)電路

1.2 控保的方法與措施

速調(diào)管放大器必須設(shè)計(jì)完善的自動(dòng)控保電路以保證速調(diào)管可靠工作。所有設(shè)定的工作保護(hù)點(diǎn)需要參照速調(diào)管生產(chǎn)廠家給定的極限參數(shù)值,否則會(huì)大大縮短速調(diào)管的工作壽命甚至造成管體的永久損壞。

速調(diào)管放大器有嚴(yán)格的加/退電順序,這樣才能保證速調(diào)管工作在最佳狀態(tài)。在加電初期,只有當(dāng)冷卻系統(tǒng)工作正常且燈絲預(yù)熱時(shí)間超過5min后系統(tǒng)才允許加射束高壓的操作。在退電時(shí),由于速調(diào)管收集極工作在高溫狀態(tài),如果立刻讓冷卻系統(tǒng)停止工作,速調(diào)管收集極溫度會(huì)急劇升高,所以正確的退電順序是斷開射束電源高壓后繼續(xù)保持冷卻系統(tǒng)再工作5min以充分排出速調(diào)管收集極和機(jī)箱內(nèi)部剩余熱量。

雖然速調(diào)管的控保項(xiàng)目很多,但就其工作實(shí)質(zhì),可分為以下2類項(xiàng)目的檢測(cè),現(xiàn)分別予以分析。

（1）模擬量檢測(cè)

模擬量檢測(cè)給出的是電壓或電流的連續(xù)變化范圍?？乇ｋ娐沸枰獧z測(cè)的項(xiàng)目由表1列出。針對(duì)1kW速調(diào)管的工作參數(shù),表1中給出了各參數(shù)的保護(hù)點(diǎn)和需要采取的保護(hù)措施,并給出了測(cè)量分辨率,這是控保電路最重要的設(shè)計(jì)依據(jù)。

表1 速調(diào)管的模擬檢測(cè)項(xiàng)目

表1中速調(diào)管的反射功率是影響速調(diào)管使用安全的重要項(xiàng)目,必須進(jìn)行及時(shí)檢測(cè),反射功率過大可導(dǎo)致速調(diào)管輸出陶瓷窗口損壞。一般反射功率保護(hù)不必切斷射束電源,在30ms內(nèi)將輸入功率降低30dB以上就能夠有效的保護(hù)速調(diào)管。

（2）狀態(tài)量檢測(cè)

狀態(tài)檢測(cè)量給出高低電平的變化或開關(guān)通斷信號(hào)?？乇ｋ娐沸枰杉乃僬{(diào)管工作狀態(tài)有收集極溫度、冷卻系統(tǒng)工況和門開關(guān)狀態(tài)。速調(diào)管收集極內(nèi)設(shè)計(jì)有常閉型溫度節(jié)點(diǎn)開關(guān),當(dāng)收集極溫度達(dá)到250℃～270℃時(shí)節(jié)點(diǎn)斷開。1kW速調(diào)管的收集極采用強(qiáng)迫風(fēng)冷設(shè)計(jì),冷卻風(fēng)量必須實(shí)時(shí)檢測(cè),如果軸流風(fēng)機(jī)損壞或風(fēng)道堵塞導(dǎo)致風(fēng)量不足,系統(tǒng)應(yīng)立即切斷射束電源并給出告警信號(hào)。需要特別注意的是,為了防止高壓觸電,速調(diào)管放大器在正常工作時(shí)所有面板是不允許打開的。除了粘貼高壓警告標(biāo)志外還必須設(shè)計(jì)門開關(guān)聯(lián)鎖裝置切斷射束電源來主動(dòng)保護(hù)操作和維修人員的安全。

根據(jù)黃桂東和Xia K的[16,17]方法，將不同冷藏時(shí)間的面團(tuán)烘烤，冷卻至室溫，切成2 cm厚薄片，用物性儀測(cè)定硬度和彈性，每個(gè)樣品重復(fù)3次。程序參數(shù)設(shè)定條件如表1。

1.3 檢測(cè)量的可靠獲取

由于速調(diào)管工作電壓高,微波輸出功率大,控保電路容易受到來自機(jī)內(nèi)各種電磁信號(hào)的干擾。狀態(tài)量屬于開關(guān)信號(hào),轉(zhuǎn)換成TTL電平由監(jiān)控采集,在軟件處理時(shí)可合理應(yīng)用去抖動(dòng)方法有效消除干擾,獲取正確的工作狀態(tài)。模擬量屬于連續(xù)變化量,采集處理過程會(huì)產(chǎn)生累計(jì)誤差,必須控制在一定范圍才能保證檢測(cè)精度。

取樣電路、電壓放大器和ADC構(gòu)成了模擬量檢測(cè)電路,它們對(duì)最終結(jié)果帶來誤差。以采樣射束電流Ic為例,設(shè)取樣電阻Rc誤差為x1,電壓放大器電壓增益G誤差為x2,ADC引入轉(zhuǎn)換誤差為x3。檢測(cè)射束電流引入的累計(jì)誤差如下:

由式（1）可知,各部分電路誤差對(duì)最終結(jié)果均產(chǎn)生影響。由于電壓放大器不會(huì)對(duì)取樣誤差進(jìn)行G倍放大,所以為了減小串聯(lián)取樣電阻對(duì)速調(diào)管收集極回路的影響,阻值可以適當(dāng)取小,提高電壓放大器增益來滿足ADC的輸入特性。另外由于模擬量的取樣電壓非常小,取樣電纜需采用屏蔽措施以減小外界干擾。

2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

早期的速調(diào)管放大器對(duì)模擬量采用指針式表頭指示,顯示精度較低,尤其是射頻功率取樣表頭為非線性刻度,低功率時(shí)讀取比較困難?？乇ｋ娐窂谋眍^兩端進(jìn)行電壓取樣,在電路上多采用通用型運(yùn)算放大器、RS觸發(fā)器和邏輯數(shù)字電路進(jìn)行設(shè)計(jì),系統(tǒng)的復(fù)雜性和調(diào)試難度較大。

本設(shè)計(jì)采用大規(guī)模FPGA和高時(shí)鐘頻率的單片機(jī)構(gòu)成1kW速調(diào)管放大器的控保系統(tǒng)。模擬量和狀態(tài)量經(jīng)過各自端口采集后轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)流進(jìn)行處理。監(jiān)控單元根據(jù)控保項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行軟件編程,實(shí)現(xiàn)軟件的控制流程。模擬檢測(cè)量通過高精度ADC采集,在LCD上直接顯示,減少了硬件設(shè)計(jì)的難度,增加了系統(tǒng)的可靠性。

2.1 系統(tǒng)組成

1kW速調(diào)管放大器的控保單元工作原理框圖如圖2所示。各路模擬量經(jīng)過數(shù)據(jù)選擇器后送ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)由單片機(jī)進(jìn)行采集處理。

FPGA可以擴(kuò)展單片機(jī)接口,負(fù)責(zé)采集各路開關(guān)量并送單片機(jī)處理,同時(shí)FPGA給出控制信號(hào)通過接口控制板對(duì)射束電源進(jìn)行控制。采用數(shù)據(jù)選擇器的優(yōu)點(diǎn)是只需使用一個(gè)ADC就可以采集多路模擬量數(shù)據(jù)。單片機(jī)和FPGA還負(fù)責(zé)速調(diào)管放大器內(nèi)其它工作狀態(tài)的監(jiān)控、鍵盤、LCD顯示和遠(yuǎn)端通信。

圖2 控保單元組成框圖

2.2 取樣放大電路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

速調(diào)管放大器中射束電源輸出電壓高達(dá)7kV,射頻連續(xù)波輸出功率達(dá)1kW,所以設(shè)備內(nèi)部的電磁環(huán)境非常惡劣。模擬取樣電路對(duì)檢測(cè)量進(jìn)行取樣放大,工作在小信號(hào)狀態(tài),很容易受到來自機(jī)內(nèi)的各種干擾甚至損壞。以下措施可改善控保性能。

（1）加入箝位電路

箝位電路是防止取樣電路輸入端損壞的有效措施。TVS二極管響應(yīng)速度快,箝位電壓穩(wěn)定,適用于電壓敏感器件的保護(hù)。壓敏電阻屬于電壓限幅型,抗浪涌能力強(qiáng),通流量大,失效模式為短路,二者結(jié)合設(shè)計(jì)可以有效保證取樣前端電路的安全工作。

（2）隔離放大

為了進(jìn)一步加強(qiáng)隔離,采樣的電壓信號(hào)先經(jīng)過1:1隔離放大器,再經(jīng)過運(yùn)算放大器進(jìn)行電壓放大。隔離放大器采用美國(guó)ADI公司的AD629,輸入端共模、差模電壓可耐受±500V。

（3）合理使用運(yùn)放

取樣放大電路的精確度與溫漂指標(biāo)對(duì)數(shù)據(jù)采集的精度有很大影響,因此選用具有低噪聲、低溫漂性能的儀表放大器AD620用于電壓信號(hào)的采集放大。AD620的差分放大倍數(shù)G僅由一個(gè)外部的電阻決定,計(jì)算公式為:

為了保證采樣精度須選擇合適的RG,采用高精度電阻減小AD620電壓增益誤差。取樣電壓的值設(shè)計(jì)高些,可以降低放大電路的增益,對(duì)運(yùn)放工作穩(wěn)定性有利。實(shí)際中對(duì)于射束電壓、燈絲電壓等模擬量的取樣,AD620的增益設(shè)置為3～5。對(duì)于射束電流、腔體電流等模擬量取樣,為了減小串聯(lián)的取樣電阻影響,AD620的增益設(shè)置為10～20。

對(duì)于模擬量顯示的校準(zhǔn)采用軟件參數(shù)校準(zhǔn)。由于電位器阻值變化大,AD620的增益電阻不可采用電位器,否則數(shù)據(jù)采樣的精度無法保證。

2.3 ADC的選取

各路模擬檢測(cè)量經(jīng)過取樣電路放大到合適電平由ADC采樣輸出至監(jiān)控單元。由圖2可知,ADC在同一時(shí)間只能采樣一路數(shù)據(jù),完成所有數(shù)據(jù)的采樣需要8倍以上的采樣時(shí)間,所以選用的ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間應(yīng)盡量短。

ADC的位數(shù)決定了采樣的分辨率。表1中各模擬量的分辨率指標(biāo)是選擇ADC位數(shù)的依據(jù)。如果選擇10位ADC,分辨率為VFS/210,其中VFS是ADC滿刻度時(shí)的電壓值,在功率檢測(cè)時(shí),由于檢波電壓與微波功率的非線性關(guān)系,在輸出的高端很難滿足分辨率指標(biāo)。實(shí)際采用12位高速ADC,可使所有檢測(cè)項(xiàng)目中動(dòng)態(tài)最大的輸出功率的采樣分辨率達(dá)到5W,那么其他檢測(cè)量分辨率指標(biāo)均能得到滿足。

2.4 二次過荷功能軟件化

二次過荷保護(hù)功能是為了避免干擾信號(hào)影響整機(jī)的工作,在模擬量檢測(cè)中較多采用。二次過荷保護(hù)功能部分的軟件流程如圖3所示。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)第一次故障并且又很快消失（故障持續(xù)時(shí)間小于2s）時(shí),控保電路會(huì)立刻切斷高壓然后又自動(dòng)恢復(fù),如果在10s內(nèi)該故障第二次出現(xiàn),控保電路將再次立刻切斷高壓,且為永久性切斷高壓并給出告警信號(hào)。

圖3 二次過荷保護(hù)功能流程圖

傳統(tǒng)的硬件電路也可實(shí)現(xiàn)該功能,采用單結(jié)晶體管觸發(fā)電路產(chǎn)生10s間隔脈沖觸發(fā)計(jì)數(shù)器復(fù)位,計(jì)數(shù)器用于記錄故障次數(shù)。該電路比較復(fù)雜,由于觸發(fā)時(shí)間由RC時(shí)間常數(shù)決定,所以定時(shí)精度不高。

采用程序流程來實(shí)現(xiàn)該功能,不但簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì),而且提高了應(yīng)用的靈活性,不易受到干擾,定時(shí)準(zhǔn)確,而且易于實(shí)現(xiàn)多次過荷保護(hù)功能。

3 結(jié)束語

應(yīng)用新型元器件,在提高電路的抗干擾性能的基礎(chǔ)上,盡量縮短控制響應(yīng)時(shí)間,提高檢測(cè)精度與準(zhǔn)確度;對(duì)于無人值守站,遠(yuǎn)程監(jiān)控是速調(diào)管控保電路的一項(xiàng)重要功能。根據(jù)速調(diào)管給定的工作參數(shù),在借鑒國(guó)內(nèi)外成熟技術(shù)及電路的基礎(chǔ)上,以微控制器和FPGA為核心器件實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì),簡(jiǎn)化了硬件電路,可以對(duì)采集的模擬量合理運(yùn)用大數(shù)判決、多次采樣等提高可靠檢測(cè)的技術(shù)措施,降低虛警概率,對(duì)速調(diào)管的控保更加全面。

[1]王福瑞.單片微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)大全[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1999:9-36.

[2]雷霖,謝文楷.大功率微波發(fā)射機(jī)控保系統(tǒng)的研究[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),1999,28（5）:536-539.

[3]何其文,張建華.S波段高功率速調(diào)管發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代雷達(dá),2007,29（5）:93-96.

[4]董立橋.關(guān)于C51中斷功能實(shí)現(xiàn)的討論[J].無線電工程,2002,32（3）:56-59.