唐鈺，付泳

（1 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068；2 火箭軍駐燕山電子設(shè)備廠(chǎng)軍代室，北京 100192）

0 引言

羅蘭C大功率發(fā)射機(jī)作為長(zhǎng)波陸基導(dǎo)航授時(shí)系統(tǒng)的核心設(shè)備，在整個(gè)系統(tǒng)中起到舉足輕重的作用，由于羅蘭C發(fā)射機(jī)的頻率與帶寬的特殊性，其功率合成技術(shù)已經(jīng)成為關(guān)鍵性的技術(shù)難點(diǎn)。本文通過(guò)數(shù)學(xué)公式模型的推導(dǎo)與仿真，詳細(xì)描述了羅蘭C高功率發(fā)射機(jī)的半波產(chǎn)生、功率合成與波形調(diào)制原理，并對(duì)影響波形的相關(guān)電路的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了分析。

1 羅蘭C高功率發(fā)射機(jī)原理簡(jiǎn)介

如圖1所示，羅蘭C功率發(fā)射機(jī)包含控制單元，半波產(chǎn)生單元、功率合成單元、耦合輸出單元以及塔式天線(xiàn)等[1]。

2 各部分功能模塊分析

2.1 負(fù)載分析與等效電路模型

400英尺塔式天線(xiàn)作為羅蘭C高功率發(fā)射機(jī)的負(fù)載，根據(jù)頻率與阻抗的關(guān)系，在100 kHz中心頻率下的等效電路模型如圖2所示，其為一個(gè)串聯(lián)諧振模型，電流與頻率的關(guān)系如式（1）、式（2）所示。由于天線(xiàn)阻抗的動(dòng)態(tài)變化，增加可調(diào)電感作為反饋調(diào)制以保證阻抗匹配[4]。

2.2 半波功率產(chǎn)生模塊原理

半波功率產(chǎn)生模塊如圖3所示，實(shí)際上的功能是產(chǎn)生一個(gè)正弦半周波形。理論上的公式如式（1）、式（2）所示：

圖1 羅蘭發(fā)射機(jī)原理圖

圖2 羅蘭發(fā)射機(jī)天線(xiàn)等效電路模型

圖3 半波產(chǎn)生器原理圖

其中：E0表示由于前級(jí)的電容器C形成的虛擬電壓源電壓；L表示電感；R表示理想情況下的電阻（不包含Rsw）。

理論上，當(dāng)XC/R為無(wú)窮大時(shí)，即Ef/E0等于1時(shí)（其中Ef表示電感充電電動(dòng)勢(shì)），半波形為一個(gè)理想的正弦波。但實(shí)際工程應(yīng)用中，我們一般按0.3效率值進(jìn)行計(jì)算推導(dǎo)，如式（3）所示。這樣我們就推導(dǎo)出實(shí)際半波峰電流與電壓的關(guān)系。

2.3 功率合成網(wǎng)絡(luò)

多個(gè)半周合成如圖4所示，這里產(chǎn)生若干個(gè)前面所述的半波產(chǎn)生器，其相位相差180°，通過(guò)一定時(shí)序開(kāi)關(guān)控制不同數(shù)量的半波產(chǎn)生器，在功率合成結(jié)點(diǎn)形成正負(fù)相位的波形，其幅度由各組參與的半波發(fā)生器的個(gè)數(shù)決定[3]。

圖4 半波位置關(guān)系與合成

2.4 耦合輸出網(wǎng)絡(luò)

為了能夠單獨(dú)調(diào)節(jié)功率合成點(diǎn)的阻抗與帶寬，如圖5（b）所示，這里增加一級(jí)變壓器以保證整個(gè)節(jié)點(diǎn)的并聯(lián)電容與電感值的動(dòng)態(tài)可調(diào)從而實(shí)現(xiàn)阻抗與帶寬的調(diào)節(jié)。

圖5 耦合輸出網(wǎng)絡(luò)

Vg與ig的公式如下所示：

其中：i2p表示天線(xiàn)的瞬時(shí)峰值電流；X2表示天線(xiàn)在100kHz頻點(diǎn)的容抗；X1為功率合成結(jié)點(diǎn)在100kHz頻點(diǎn)的容抗；f0為100kHz；tp為峰值電流時(shí)間；K12為雙調(diào)諧電路耦合系數(shù)；Q1為功率合成諧振器Q值；Q2為諧振天線(xiàn)的Q值。

3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)與仿真

前面我們分析羅蘭發(fā)射機(jī)的各部分功能與實(shí)現(xiàn)電路，這里我們假設(shè)需要的電流為

如圖5(b)所示，簡(jiǎn)單的基爾霍夫定理已經(jīng)無(wú)法完成功率合成結(jié)節(jié)的電路計(jì)算，這里我們通過(guò)對(duì)電流式（5）進(jìn)行分析，不難發(fā)現(xiàn)三個(gè)變量決定了整個(gè)電流的波形，它們分別是d1、d2、k12。

·由于羅蘭發(fā)射機(jī)的天線(xiàn)的帶寬是非常窄的，所以諧振天線(xiàn)的Q2值是非常高的，工程上我們一般按數(shù)十倍計(jì)算，所以

·同樣的道理，Q1表示功率合成點(diǎn)衰減系數(shù)，實(shí)際應(yīng)用中我們也是希望功率合成的能量損失的越小越好，工程上這個(gè)值一般在50～60左右，所以

·最后，由于k12=K12f0tp，可以發(fā)現(xiàn)最終影響天線(xiàn)電流波形的是雙調(diào)諧電路耦合系數(shù)（K12），也就是耦合網(wǎng)絡(luò)中的磁線(xiàn)圈系數(shù)。如圖6所示，通過(guò)仿真我們也證明這點(diǎn)。當(dāng)k12=7.0時(shí)，電流波形失真度最小。

圖5 k12=7.0電流波形

圖6 k12＝1.1電流波形

圖7 k12＝0.7 電流波形

4 結(jié)論

本文通過(guò)羅蘭C大功率發(fā)射機(jī)各個(gè)功能模塊的數(shù)學(xué)模型的分析與推導(dǎo)，以及相關(guān)的仿真結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：在功率與頻點(diǎn)一定的情況下，真正影響整個(gè)羅蘭波形質(zhì)量的是d1,d2,k12三個(gè)參數(shù)，而實(shí)際工程中，在d1,d2采用經(jīng)驗(yàn)值取值情況下，真正影響羅蘭波形的關(guān)鍵參數(shù)為k12（雙調(diào)諧電路耦合系數(shù)）。所以在變壓器的參數(shù)一致性以及材料的選擇和工藝上需要嚴(yán)格的把控。