張 登

（船舶重工集團公司723所，揚州 225001）

0 引 言

行波管具有峰值功率高、瞬時帶寬寬、增益高、噪聲低等特點，在當代雷達發(fā)射機中得到了廣泛的應用。行波管是發(fā)射機的核心器件，它能否可靠穩(wěn)定地工作直接關系到發(fā)射機乃至整個雷達系統(tǒng)的性能［1］。

柵控行波管所需的電源較多，且各電源有著嚴格的加電順序［2］。在發(fā)射機的設計中，應設計合理的控制電路，保證柵控行波管的加電順序，即首先加鈦泵電壓、柵極負偏壓、燈絲電壓，達額定的預熱時間后加高壓，最后加柵極調(diào)制脈沖；關電順序相反。

此外，還應充分考慮行波管的保護電路。對行波管的保護有多種情況：（1）加低壓電后，檢測相關參數(shù)，若有異常，應送出故障信號，并采取必要的措施；（2）加高壓前檢測各極電壓和電流是否正常，若有異常，應及時送出故障信號，確保高壓不會啟動；（3）加高壓、脈沖后，若行波管各極電源電壓（電流）出現(xiàn)故障，或行波管自身出現(xiàn)打火、過流等問題時，應在第一時間切斷調(diào)制脈沖和高壓。

本文以柵控行波管為例，分別從行波管各極工作電流和工作電壓2個方面介紹了發(fā)射機行波管的保護措施，分析了保護措施的重要性，并介紹了保護電路的實現(xiàn)方法。

1 行波管工作電流的故障檢測與保護

1.1 燈絲電流的檢測與保護

行波管的燈絲是有壽命的，因此要避免燈絲受到較大的電流沖擊；燈絲是確保行波管陰極工作溫度的重要部件，過高的燈絲電流也會縮短行波管陰極的壽命。因此在燈絲電壓啟動時，必須對其采取限流措施，穩(wěn)態(tài)后也要實時檢測，以便出現(xiàn)故障時采取及時、有效的保護措施，避免行波管因長期工作在高燈絲電流狀態(tài)而受到損傷。

對于行波管燈絲，既要求燈絲浪涌電流不超過額定負載電流的1.5倍，又要保證規(guī)定時間內(nèi)預熱效果最佳。所以燈絲電源通常先以額定電流的1.5倍恒流啟動，當燈絲進入熱態(tài)后，燈絲電源再進入穩(wěn)壓狀態(tài)。下面以直流燈絲為例，介紹2種應用廣泛的燈絲電流檢測方法。

1.1.1 電流互感器取樣法

將電流互感器的初級串聯(lián)在開關電源主變壓器次級回路中，取樣電路將互感器檢測到的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，送至開關電源控制芯片的誤差放大器，通過控制電路起到恒流作用［3］；同時再用比較器進行比較判斷，當取樣值超過相應的門限電壓時，判為故障，如圖1所示。

圖1 電流互感器取樣法

1.1.2 電阻取樣比較法

在電流回路中串聯(lián)電流取樣電阻，阻值盡量小，以減小電阻上的功率損耗，再使用運放對取樣信號進行放大后，送至開關電源控制芯片的誤差放大器，通過控制電路起到恒流作用；同時與相應的門限電壓進行比較，判斷燈絲電流是否過流。電阻取樣比較法如圖2所示。該方法具有電路簡單、響應快等優(yōu)點，應用廣泛［2］。

圖2 電阻取樣比較法

1.2 管體電流的檢測與保護

對于行波管，加高壓、脈沖工作時，電子注中絕大部分參與射頻能量交換后被收集極俘獲，但由于電子能量交換的效率、相速變化等原因，在調(diào)制脈沖開通和關斷瞬間，會產(chǎn)生散焦現(xiàn)象，很小一部分電子流向管體形成管體電流（慢波線電流）。而管體耐功率能力有限，流向管體的電流過大，會對行波管造成傷害。管體過流保護是行波管保護電路中最基本也是最重要的保護，其基本原理是當行波管管體電流超過預設值時，立刻切斷調(diào)制脈沖和高壓。預設值因行波管不同而異。

對于1.1.2中的電阻取樣比較法，由于取樣與控制電路不隔離，行波管打火瞬間，過大的尖峰電壓會造成電路損壞，不適合管體電流的檢測；稍加改進后，方法如圖3所示。

圖3 管體電流的檢測與保護

這是一種直觀、簡單的保護方法，電阻與繼電器線包并聯(lián)阻值恒定，兩端電壓與流過它們的電流成正比，當電壓達到繼電器吸合電壓時，觸點吸合；經(jīng)光耦再次隔離、比較器判斷后，將故障信號傳遞給控制電路，從而切斷脈沖和高壓。二極管V3實現(xiàn)了故障信號的自鎖。

實際應用中，繼電器兩端通常并聯(lián)瞬變電壓抑制二極管、壓敏電阻等尖峰抑制器件，有效地防止了打火尖峰對電阻和繼電器的傷害；繼電器線包與觸點的隔離以及光耦的運用實現(xiàn)了大地與控制電路的隔離，在打火瞬間保護了控制電路；該電路的保護速度主要受繼電器吸合時間的制約，保護速度相對較慢，保護時間為毫秒級，適合于對管體散焦電流（平均電流）的保護，經(jīng)典可靠，在多型雷達發(fā)射機中得到了廣泛的應用。

1.3 打火電流的檢測與保護

當行波管自身或外部原因致使其打火時，如果不迅速關斷電子注，那么電子注可能會持續(xù)打在管體、柵網(wǎng)或射頻輸入輸出窗等部件上，將對行波管造成持續(xù)、更大的損害。因此，在行波管出現(xiàn)打火時，為了更好保護行波管，應盡快切斷高壓和調(diào)制脈沖。

行波管打火瞬間，通常表現(xiàn)為陰極對地短路，行波管陰極電流和管體電流會遠超額定值。對于1.2中電路，由于保護速度較慢，無法滿足要求。在此期間通過檢測陰極電源輸出脈沖電流來實施保護是一種有效、快速的方法。

用電流傳感器來采樣陰極脈沖電流，轉(zhuǎn)換成脈沖電壓信號后送至比較器進行故障判斷，其保護速度主要取決于比較器翻轉(zhuǎn)速度，達微秒級。在行波管打火時，能快速切斷脈沖信號及高壓，可有效地保護行波管及電源的安全。

1.4 鈦泵電流的檢測與保護

鈦泵電流是衡量行波管真空度好壞的重要指標，真空度良好的行波管鈦泵電流一般不大于10μA。當鈦泵電流過大時，若加高壓，可能導致行波管打火。因此在加高壓前或加高壓后，應保持對鈦泵電流的實時檢測，確保鈦泵電流超過門限值時，高壓無法啟動或立即切斷脈沖和高壓，使行波管不受傷害。

鈦泵電流的檢測一般采用電阻直接取樣法，與1.1.2類似，較容易實現(xiàn)。

2 行波管工作電壓的故障檢測與保護

行波管的工作狀態(tài)與其各個電極上的電壓密切相關，為了確保行波管工作穩(wěn)定，各極電壓必須在規(guī)定的范圍內(nèi)。鈦泵電壓、柵極負偏壓、陰極電壓、收集極電壓是保證行波管正常工作的重要電壓，需設置必要的故障檢測與保護電路。

2.1 鈦泵電壓故障的檢測與保護

鈦泵電源用于給行波管的鈦泵供電，吸附氣體，保持管內(nèi)良好的真空狀態(tài)［2］。鈦泵電源電壓一般為3～5kV。行波管加高壓工作時，如果行波管內(nèi)的真空度較差，可能會出現(xiàn)打火現(xiàn)象。因此在加高壓前或加高壓后，應保持對鈦泵電壓的實時檢測，確保發(fā)生故障時，高壓無法啟動或立即切斷脈沖和高壓。

鈦泵電壓故障的檢測可采用電壓取樣比較法，將取樣電壓與基準電壓用比較器直接比較，其原理如圖4所示。

圖4 電壓取樣比較法

圖4中，R3至Rn串聯(lián)，獲得鈦泵電壓取樣后，與基準比較。當取樣電壓低于基準門限時，比較器輸出低電平，作為故障信號輸出［1］。

2.2 柵極負偏壓故障的檢測與保護

行波管加高壓工作時，在無調(diào)制脈沖或在脈沖間隔期間，柵極必須有足夠的截止電壓，否則會有電子從陰極逸出，輕則增大輸出脈間噪聲，重則損壞行波管柵網(wǎng)、陽極等部件。因此，應保持對柵極負偏壓故障的實時檢測，當負偏壓低于額定值時，確保高壓無法啟動或立即切斷脈沖和高壓。

由于柵極負偏壓相對于浮動地（通常為陰極電位）是負電位，顯然不能直接用2.1中的電壓直接取樣比較法，若引入負電壓的輔助電源，增加了電路的復雜性，并有降低可靠性的風險。將電源兩端接固定負載，電源電壓的變化可表現(xiàn)為負載中電流的變化，據(jù)此介紹柵極負偏壓故障檢測與保護方法：

方法一：取樣電阻與繼電器串聯(lián)，接于負偏壓電源兩端，用取樣電流驅(qū)動繼電器，當負偏壓輸出低于額定值，繼電器動作，送出故障信號。該方法存在的主要問題是繼電器的吸合與釋放電流存在差異，導致故障門限精度較低。優(yōu)點是簡單可靠，所以仍為一現(xiàn)實可行的方法。

方法二：也可選用線性隔離器件，隔離后再與基準電壓進行比較。原理如圖5所示。

圖5 選用線性隔離器件的檢測方法

圖5中，“FGND”為行波管陰極電位，RP1提供基準電壓，R5至Rn串聯(lián)，由于Rn阻值較大，取樣電流主要流過B1。當B1工作在線性區(qū)域時，比較器的反相輸入端獲得的電壓隨負偏壓的降低而降低，并與基準比較。當負偏壓低于額定值時，比較器輸出高電平，作為故障信號輸出。

方法三：還可采用中和法，如圖6所示。

圖6 中和法

當負偏壓降低時，流過R1的電流隨之減小，比較器同相輸入端的電壓隨之升高。當負偏壓低于額定值時，比較器輸出高電平，作為故障信號輸出。

除上述方法外，適當增大負偏壓電源的輸出儲能電容，在加高壓工作時，由于某種原因整機掉電時，因電容器放電回路的時間常數(shù)較大，所以儲存能量在短時間內(nèi)不易放掉，柵極也能維持一段時間的負壓，使管子免遭損壞。

2.3 陰極電壓的檢測與保護

行波管在高壓工作過程中，陰極電壓與電子注散焦密切相關，如果陰極電壓與額定值相差較大，會有過多電子注的能量積聚在收集極以外的部分，對行波管造成傷害。因此，當陰極電壓欠壓或過壓時，應立即切斷脈沖和高壓。

可采用的方法與負偏壓類似，這里不作介紹。

2.4 收集極電壓故障檢測與保護

收集極電壓是行波管工作的重要電壓，在行波管各極電源中，收集極電源功率最大。對于收集極降壓工作的行波管而言，收集極電壓偏離額定值過多，會對行波管的效率和穩(wěn)定性造成影響。

收集極電壓是以陰極為參考的電壓，采用差分取樣法可將以陰極為參考的電壓轉(zhuǎn)換成以地為參考的壓差信號，如圖7所示。

獲得壓差信號后，再進行故障判斷，電路簡單，響應速度快。

3 故障信號的傳輸

為了盡量減小其他電路對低壓控保的干擾，在故障檢測電路與發(fā)射機控保電路之間應采取必要的

圖7 差分取樣法

隔離措施，如采用光耦或變壓器隔離等方式。對浮動在陰極電位上的故障信號的傳輸，必須有足夠的高壓隔離傳輸能力，可采用光纖傳輸或振蕩器加脈沖隔離變壓器傳輸?shù)姆绞健：笳叱杀据^低且簡單易行，可靠性較高，在多型號雷達發(fā)射機中廣泛應用。

4 結(jié)束語

以柵控行波管為例，從行波管各極工作電流和工作電壓2個方面介紹了對發(fā)射機行波管的保護措施，并分析了保護措施的重要性及保護電路的實現(xiàn)方法。對行波管的保護還有很多方面，如脈沖行波管的工作比保護、行波管輸出饋線駐波的保護等。

［1］ 楊旭，裴去慶，王兆安.開關電源技術［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2002.

［2］ 鄭新，李文輝，潘厚忠.雷達發(fā)射機技術［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

［3］ Abraham I Pressman.開關電源設計［M］.王志強譯.北京：電子工業(yè)出版社，2005._____________________