紀(jì) 安,張建華,陶小輝

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,合肥 230088)

一種高功率發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)與控制方法

紀(jì) 安,張建華,陶小輝

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,合肥 230088)

重點(diǎn)介紹一種高功率雙機(jī)熱備份發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)與控制方法。該發(fā)射系統(tǒng)采用兩個(gè)完全相同的發(fā)射機(jī),分別經(jīng)過(guò)各自的輸出饋線,通過(guò)電動(dòng)波導(dǎo)開(kāi)關(guān)連接到天線,通過(guò)發(fā)射機(jī)對(duì)波導(dǎo)開(kāi)關(guān)的對(duì)應(yīng)控制從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射機(jī)的自動(dòng)切換。對(duì)發(fā)射機(jī)的雙機(jī)熱備份工程實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了分析,對(duì)波導(dǎo)開(kāi)關(guān)及其控制裝置的應(yīng)用與控制實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了介紹,最后給出了發(fā)射系統(tǒng)切換控制及其可靠性改善的效果。

發(fā)射機(jī);速調(diào)管;熱備份;大功率環(huán)行器

0 引 言

隨著國(guó)土防空情報(bào)需求的增長(zhǎng),以及大功率電子對(duì)抗技術(shù)的發(fā)展,對(duì)雷達(dá)、電子對(duì)抗等大功率國(guó)防電子設(shè)備的可靠性及長(zhǎng)期工作能力提出更高的需求。另一方面,由于大功率發(fā)射機(jī)中的功率器件因需要處理較大的功率,其可靠性受到限制,逐步成為這些裝備可靠性的瓶頸。尤其是真空電子管發(fā)射機(jī),既存在壽命問(wèn)題,又要應(yīng)用在高電壓的條件下,使得大功率發(fā)射機(jī)的可靠性成為影響雷達(dá)設(shè)備可靠性的主要因素之一,為此常常對(duì)發(fā)射機(jī)進(jìn)行備份來(lái)提高裝備的可靠性。本文介紹的發(fā)射機(jī)采用兩個(gè)相同的發(fā)射機(jī),通過(guò)波導(dǎo)開(kāi)關(guān)與天線相連,采用主振放大形式,前級(jí)采用固態(tài)放大器,末級(jí)采用單注速調(diào)管放大器。除高功率速調(diào)管外,發(fā)射機(jī)其他部分完全固態(tài)化。發(fā)射機(jī)的簡(jiǎn)化框圖如圖1所示[1]。

圖1 發(fā)射機(jī)簡(jiǎn)化框圖

來(lái)自雷達(dá)頻率源的5～15 dBmW射頻信號(hào)經(jīng)前級(jí)固態(tài)放大器放大到160 W,末級(jí)速調(diào)管放大器將射頻激勵(lì)信號(hào)放大到800 kW,并從輸出窗經(jīng)高功率隔離器、波導(dǎo)定向耦合器、波導(dǎo)切換開(kāi)關(guān)送到天線。

1 發(fā)射機(jī)主要性能指標(biāo)

(1) 輸入激勵(lì)功率:5～15 dBm

(2) 射頻輸出功率:≥800 kW

(3) 脈沖寬度:40 μs

(4) 重復(fù)頻率:275 Hz

(5) 帶內(nèi)輸出功率起伏:1.5 dB

(6) 可靠性:MTBF>2 250 h

2 發(fā)射系統(tǒng)的主要技術(shù)

2.1 固態(tài)組合調(diào)制器技術(shù)

為減小調(diào)制器的體積和重量,采用集中的充電電路形式。為達(dá)到高可靠的設(shè)計(jì)目標(biāo),在該調(diào)制器的設(shè)計(jì)中應(yīng)用了固態(tài)調(diào)制器技術(shù),不僅對(duì)調(diào)制器的充電電路進(jìn)行固態(tài)化設(shè)計(jì),而且對(duì)調(diào)制器的放電電路進(jìn)行了組件化設(shè)計(jì)。調(diào)制器的放電電路由10個(gè)放電組件組合而成。在每個(gè)放電組件中由5個(gè)可控硅串聯(lián)構(gòu)成固態(tài)放電開(kāi)關(guān),借用成熟的可控硅串聯(lián)的均壓和觸發(fā)技術(shù),使這種串聯(lián)開(kāi)關(guān)具有極高的可靠性。10個(gè)放電組件實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),采用盲配式插拔結(jié)構(gòu),相互之間完全可以互換,配備備份方便,可維修性好。圖2為固態(tài)放電組件實(shí)物照片。

圖2 固態(tài)放電組件

2.2 集中式高壓電源技術(shù)

組合調(diào)制器的高壓電源采用集中式電源方案。集中后高壓電源的平均功率可達(dá)到60 kW左右,不僅對(duì)高壓電源的研制帶來(lái)了較大困難,同時(shí)對(duì)高壓電源和充電開(kāi)關(guān)的可靠性也提出了更為嚴(yán)格的要求。在研制過(guò)程中,采用分檔加高壓的方式來(lái)減小研制的難度,高壓分為1、2、3檔,另一方面便于使用一些模塊和保護(hù)器件,以提高其可靠性。

根據(jù)調(diào)制器要求高壓電源輸出1 500 V電壓的要求,將高壓電源分為3檔,第1檔輸出900 V,第2檔輸出440 V,第3檔輸出160 V。每一檔都采用12相整流的方式。采用整流模塊,一方面減少了元器件的數(shù)量,另一方面能夠保證每個(gè)整流橋模塊內(nèi)部所用的整流管在性能上做到基本一致,有利于可靠性的提高。[2]

2.3 切換控制技術(shù)

對(duì)于真空管發(fā)射機(jī),目前最常用的備份方式是冷備份,尤其是大功率的情況下,受到器件、技術(shù)瓶頸的限制,極少采用熱備份。[3]冷備份情況下備件不能隨時(shí)進(jìn)入到工作狀態(tài),一旦正在工作的發(fā)射機(jī)或其零部件在工作中出現(xiàn)故障,需要停機(jī),換上備份的發(fā)射機(jī)或零部件,更換的過(guò)程不僅需要停機(jī),還有拆、裝的過(guò)程,尤其是更換發(fā)射機(jī)時(shí)往往還需要牽涉到波導(dǎo)、水冷系統(tǒng)的拆、裝、調(diào)試等等,而重新開(kāi)機(jī)時(shí)預(yù)熱過(guò)程也不可避免。整個(gè)過(guò)程比較耗費(fèi)時(shí)間。[4]

為了盡可能縮短更換備件的時(shí)間,提高雷達(dá)整機(jī)的可靠性和保障性,根據(jù)某雷達(dá)對(duì)發(fā)射機(jī)可靠性的要求,需要在10 s內(nèi)完成發(fā)射機(jī)的切換,實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)切換不丟空情。兩部發(fā)射機(jī)如圖3所示,分別經(jīng)過(guò)各自的輸出饋線,由同一個(gè)電動(dòng)波導(dǎo)開(kāi)關(guān)連接到天線。每個(gè)發(fā)射機(jī)都可對(duì)微電機(jī)進(jìn)行控制,進(jìn)行發(fā)射機(jī)到天線的選通,通過(guò)波導(dǎo)開(kāi)關(guān)的切換實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)主、備的切換。

圖3 發(fā)射機(jī)系統(tǒng)組成示意圖

3 切換控制的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)切換控制所涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是合理選擇和應(yīng)用好合適的波導(dǎo)開(kāi)關(guān),二是設(shè)計(jì)合理、有效的控制裝置與控制程序。

3.1 波導(dǎo)開(kāi)關(guān)合理選擇與應(yīng)用

波導(dǎo)開(kāi)關(guān)的使用,使得兩個(gè)發(fā)射機(jī)的切換極為便利,省去了更換波導(dǎo)和水冷系統(tǒng)的時(shí)間,尤其是當(dāng)兩個(gè)發(fā)射機(jī)中的A機(jī)在輸出微波功率時(shí)B發(fā)射機(jī)隨時(shí)可以開(kāi)低壓預(yù)熱。當(dāng)B機(jī)預(yù)熱好后即可關(guān)掉A機(jī)的高壓,再撤掉A機(jī)控制波導(dǎo)開(kāi)關(guān)的控制命令,之后加上B機(jī)控制波導(dǎo)開(kāi)關(guān)的控制命令,波導(dǎo)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)子立即就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng),將A機(jī)與天線脫開(kāi),切換到B機(jī)與天線相通,并送出波導(dǎo)開(kāi)關(guān)的位置已切換到B機(jī)的信號(hào)給B機(jī),表示波導(dǎo)切換完成,此時(shí)B機(jī)即再加高壓,輸出微波功率,由A機(jī)切換到B機(jī)完成,反之也可。波導(dǎo)開(kāi)關(guān)的切換過(guò)程不到1 s。經(jīng)測(cè)試,在B機(jī)提前預(yù)熱好的情況下由A機(jī)正常工作,切換到B機(jī)且B機(jī)工作正常的過(guò)程不足5 s。

功率高達(dá)MW量級(jí)的大功率波導(dǎo)開(kāi)關(guān),不僅需要耐功率能力,同時(shí)由于所在系統(tǒng)功率大,波導(dǎo)需要充氣,來(lái)提高耐功率能力,因而也兼具氣密封能力,具有較大的難度,與此同時(shí)還要能夠受控轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)隔離度達(dá)到70 dB。最終采用一種波導(dǎo)開(kāi)關(guān),兼具上述功能,為兩個(gè)發(fā)射機(jī)的微波通路提供了極好的隔離。以輸出1 MW為例,A機(jī)工作時(shí),通過(guò)波導(dǎo)切換開(kāi)關(guān)泄漏到B機(jī)微波通路的功率只有0.1 W。開(kāi)關(guān)切換時(shí)間的典型值只有0.5 s,為快速切換帶來(lái)方便。開(kāi)關(guān)切換的次數(shù)達(dá)到10萬(wàn)次,具有極好的可靠性。其耐功率能力大約1.2 MW,有4個(gè)端口,自身有設(shè)置控制電機(jī),電機(jī)受交流220 V控制,帶動(dòng)波導(dǎo)開(kāi)關(guān)組件中的動(dòng)子轉(zhuǎn)動(dòng),使微波通路切換,即1端口在2、4端口之間切換,與此對(duì)應(yīng),3端口在4、2端口之間切換(如圖3所示)。當(dāng)選擇1、2端口作為微波通路時(shí),與3、4端口形成的通道的隔離度達(dá)到70 dB。開(kāi)關(guān)具有兩個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài),其一是1、2端口接通,同時(shí)3、4端口接通;其二是1、4端口接通,同時(shí)3、2端口;處于中間狀態(tài)的時(shí)間極短,也就是切換的過(guò)程,典型值是0.5 s,其余均處于穩(wěn)定狀態(tài)。為便于區(qū)分波導(dǎo)開(kāi)關(guān)處于哪種穩(wěn)定的狀態(tài),對(duì)應(yīng)兩種狀態(tài)都給出了位置信號(hào),作為波導(dǎo)開(kāi)關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制的回饋,與發(fā)射機(jī)的控制進(jìn)行連鎖,如圖4所示。

圖4 端口切換示意圖

3.2 控制裝置與控制程序的合理設(shè)計(jì)

兩個(gè)發(fā)射機(jī)的切換必須在安全可靠的情況下進(jìn)行,確定“在非高壓的狀態(tài)下進(jìn)行切換” 的切換原則,避免有微波輸出時(shí)切換過(guò)程中由于駐波變化引起波導(dǎo)打火。同時(shí),匹配負(fù)載的功率不足以承擔(dān)滿功率微波的輸出,一旦滿功率輸出的微波切換到負(fù)載上會(huì)造成負(fù)載的損壞。

波導(dǎo)開(kāi)關(guān)組件采用交流220 V控制,其控制電路的電路圖如圖4所示。有兩個(gè)控制端(控制1、控制2)可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)?？刂贫瞬煌?電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向不同,分別是正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn),交替饋送控制電信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)開(kāi)關(guān)在兩個(gè)位置之間的轉(zhuǎn)換。由圖5可見(jiàn),開(kāi)關(guān)組件內(nèi)裝有兩個(gè)限位開(kāi)關(guān),分別用K1、K2表示。每個(gè)開(kāi)關(guān)有兩組節(jié)點(diǎn),在位置1時(shí),K1提供位置信息的節(jié)點(diǎn)為常閉節(jié)點(diǎn),K2的為常開(kāi),用K1這一組閉合信息與A機(jī)的高壓開(kāi)機(jī)信號(hào)連鎖,A機(jī)此時(shí)才能加高壓。一旦波導(dǎo)開(kāi)關(guān)在位置1的情況下,就不需要利用控制1的信號(hào)再對(duì)電機(jī)進(jìn)行向位置1轉(zhuǎn)動(dòng)的控制,所以K1的節(jié)點(diǎn)是常開(kāi)的。此時(shí)轉(zhuǎn)為用K2來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的節(jié)點(diǎn)為常閉,可控制波導(dǎo)開(kāi)關(guān)從位置1向位置2切換。當(dāng)波導(dǎo)開(kāi)關(guān)處于位置2的情況下,所有節(jié)點(diǎn)反轉(zhuǎn)。

根據(jù)切換原則和波導(dǎo)開(kāi)關(guān)控制電路的特性,為使波導(dǎo)開(kāi)關(guān)位置和發(fā)射機(jī)輸出微波準(zhǔn)確對(duì)應(yīng),杜絕紊亂造成故障,從硬件和軟件兩個(gè)方面采取措施。

圖5 波導(dǎo)開(kāi)關(guān)電路圖

在硬件上,首先在每個(gè)發(fā)射機(jī)的控制面板上增加“波導(dǎo)切換控制開(kāi)關(guān)”,只有按下開(kāi)關(guān)才會(huì)向電機(jī)發(fā)送控制信號(hào)。其次,在每個(gè)發(fā)射機(jī)的控制電路中增加互鎖繼電器K4(如圖6所示),用來(lái)對(duì)備份發(fā)射機(jī)控制電機(jī)信號(hào)進(jìn)行鎖定,即A機(jī)K4的一組常閉節(jié)點(diǎn)與B機(jī)K4線包控制線串聯(lián),一旦A機(jī)控制電機(jī),A機(jī)K4動(dòng)作,常閉節(jié)點(diǎn)斷開(kāi),B機(jī)無(wú)法對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制,反之也然。如此,在硬件上對(duì)波導(dǎo)開(kāi)關(guān)的電機(jī)控制進(jìn)行了互鎖控制,每次只能接受一個(gè)發(fā)射機(jī)的控制信號(hào)。切換時(shí),必須將處于控制地位的發(fā)射機(jī)控制面板上的“波導(dǎo)切換控制開(kāi)關(guān)”抬起,K4恢復(fù)到常態(tài),常閉節(jié)點(diǎn)接通,再按下備份發(fā)射機(jī)的“波導(dǎo)切換控制開(kāi)關(guān)”,電機(jī)才會(huì)接收到備份發(fā)射機(jī)的控制信號(hào),進(jìn)行位置轉(zhuǎn)換。

在軟件上,利用波導(dǎo)開(kāi)關(guān)組件提供的位置信號(hào)與發(fā)射機(jī)加高壓的控制信號(hào)連鎖,只有波導(dǎo)開(kāi)關(guān)的位置正確才能加高壓。與此同時(shí),另一個(gè)發(fā)射機(jī)受控不能加高壓。在加上高壓后,通過(guò)發(fā)射機(jī)的控制軟件,對(duì)該發(fā)射機(jī)的“波導(dǎo)切換控制開(kāi)關(guān)”的輸入控制鎖定,此時(shí)即使抬起面板上的開(kāi)關(guān)也不能改變波導(dǎo)開(kāi)關(guān)的位置,從而確保在高壓狀態(tài)下對(duì)波導(dǎo)開(kāi)關(guān)狀態(tài)的鎖定,避免在有微波功率輸出的情況下進(jìn)行波導(dǎo)轉(zhuǎn)換。此時(shí),只有斷高壓后才會(huì)打開(kāi)此鎖,方可進(jìn)行波導(dǎo)開(kāi)關(guān)位置的轉(zhuǎn)換。

遙控時(shí),在遙控界面上同樣設(shè)置“波導(dǎo)切換控制開(kāi)關(guān)”,發(fā)射機(jī)控制電路中的連鎖繼電器K4繼續(xù)承擔(dān)連鎖功能。控制軟件的連鎖關(guān)系與本控相同,唯一不同的是A、B發(fā)射機(jī)控制面板上的“波導(dǎo)切換控制開(kāi)關(guān)”均處于抬起(斷開(kāi))狀態(tài)。

合理的控制裝置及軟件設(shè)計(jì)使得波導(dǎo)開(kāi)關(guān)的控制安全可靠,從未出現(xiàn)失控情況。

圖6 波導(dǎo)開(kāi)關(guān)的控制互鎖

4 完備的監(jiān)控保護(hù)設(shè)計(jì)

發(fā)射機(jī)的監(jiān)控/保護(hù)系統(tǒng)能否正?？煽康毓ぷ鞑?duì)隨時(shí)可能出現(xiàn)的故障及時(shí)給予保護(hù)或告警是發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵。為此,必須對(duì)故障點(diǎn)的設(shè)置合理布局,力求完全、合理、可靠,故障定位準(zhǔn)確,做到系統(tǒng)內(nèi)90%以上的功能塊(功能插件)具有故障檢測(cè)功能。整個(gè)發(fā)射機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的故障點(diǎn)設(shè)置原則上是每個(gè)單元(分機(jī)或功能塊)設(shè)置一個(gè)故障點(diǎn)以表示各單元工作正常與否。至于各單元所產(chǎn)生的具體故障原因則依賴于單元內(nèi)部的故障點(diǎn)設(shè)置。[5]

主監(jiān)控與雷達(dá)總監(jiān)控進(jìn)行串行通訊,及時(shí)接受雷達(dá)操縱員的控制指令,完成發(fā)射機(jī)低壓、高壓3個(gè)檔位和故障復(fù)位等控制,及時(shí)傳送發(fā)射機(jī)的工作狀態(tài)和故障信息以及輸出功率、速調(diào)管總流、管體電流、高壓等工作參數(shù)。在雷達(dá)操縱臺(tái)上就能全面掌握發(fā)射機(jī)的工作情況和實(shí)時(shí)控制發(fā)射機(jī)的工作狀態(tài),真正達(dá)到發(fā)射機(jī)無(wú)人值守工作狀態(tài)。

5 結(jié)束語(yǔ)

真空管發(fā)射系統(tǒng)采用雙機(jī)備份多見(jiàn)于小功率、冷備份的方式,在國(guó)內(nèi)外的產(chǎn)品中極少見(jiàn)到功率高達(dá)MW級(jí)的發(fā)射機(jī)采用雙機(jī)備份的方式,而且是雙機(jī)熱備份。已經(jīng)在某型雷達(dá)上驗(yàn)證了發(fā)射機(jī)雙機(jī)熱備份方式及其控制的有效性,極大地提高了發(fā)射機(jī)的可靠性。本文所闡述的各種新技術(shù),所涉及的高功率切換控制技術(shù)都具有廣泛的應(yīng)用前景,如微波武器、高能物理及加速器等均有應(yīng)用。

[1] 何丁鷺飛,耿富錄.雷達(dá)原理[M].3版.西安:電子科技大學(xué)出版社,2014.

[2] 張建華.W波段大功率發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)與研究[J].雷達(dá)與科學(xué)技術(shù),2014(5):64-67.

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Design and control method of a high-power transmitter

JI An, ZHANG Jian-hua, TAO Xiao-hui

(No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088)

The design and control method of a high-power hot standby transmitter is introduced emphatically. The transmitter system adopts two identical transmitters, which can be automatically switched through controlling the waveguide switch. The output feeders of the transmitters are connected to the antenna via the electric waveguide switch. The engineering implementation of the hot standby transmitter is analyzed, and the application and control implementation of the waveguide switch and its control device are introduced. Finally, the switch control and the improvement of the reliability of the transmitter system are given.

transmitter; klystron; hot standby; high-power circulator

2016-11-23;

2017-01-20

紀(jì)安(1979-),男,工程師,研究方向:真空管雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)和固態(tài)調(diào)制器;張建華(1961-),男,研究員,研究方向:真空管雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)和固態(tài)調(diào)制器;陶小輝(1981-),男,高級(jí)工程師,研究方向:真空管雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)。

TN837

A

1009-0401(2017)02-0037-04