許 奎,王 偉,2,米正衡,張海光
(1 中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所;2 陜西省組合與智能導(dǎo)航重點實驗室,西安 710068)
傳統(tǒng)羅蘭C發(fā)射機采用磁脈沖器進(jìn)行脈沖壓縮,產(chǎn)生4個5 μs 周期的電流脈沖,電流脈沖沖擊后端的耦合輸出網(wǎng)絡(luò),輻射出標(biāo)準(zhǔn)羅蘭C電流[1],該架構(gòu)發(fā)射機受限于磁脈沖壓縮器水平和功率產(chǎn)生方法,發(fā)射機效率較低,約為70%,只能輸出標(biāo)準(zhǔn)羅蘭C電流波形。隨著碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等功率器件的發(fā)展,使用該類型功率器件的D類功放理論效率可達(dá)100%,該發(fā)射機采用基于D類功放輸出電壓的全周期合成架構(gòu),大幅提升了發(fā)射效率和功率容量,支持多種波形靈活配置,拓寬了羅蘭C發(fā)射機的使用功能和運用領(lǐng)域。
標(biāo)準(zhǔn)羅蘭C電流波形[2]定義如式(1):
式中,0A為峰值電流相關(guān)的常數(shù)(單位:A),tp為天線電流峰值點時間(單位:μs),τ為電流波形包絡(luò)的包周差(單位:μs),PC為相位編碼,對于正相位編碼PC取值為0,對于負(fù)相位編碼PC取值為π。
tp取65 μs,PC和τ取0,歸一化電流波形如圖1所示。
圖1 羅蘭C電流波形
全周期電壓合成的羅蘭C發(fā)射機產(chǎn)生激勵電壓,通過激勵后端發(fā)射天線網(wǎng)絡(luò)能夠產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)羅蘭C電流,簡要原理圖如圖2所示。
圖2 羅蘭C電流產(chǎn)生原理
其中,L、C和R為發(fā)射天線網(wǎng)絡(luò)等效參數(shù),i(t)為發(fā)射天線端羅蘭C電流,us(t)為發(fā)射機激勵電壓,函數(shù)如式(2):
取發(fā)射天線網(wǎng)絡(luò)等效電阻R為2.5 Ω,網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)因素Q值55,調(diào)諧后發(fā)射機所需激勵電壓us(t)波形如圖3所示。
圖3 激勵電壓波形
與傳統(tǒng)羅蘭C發(fā)射機產(chǎn)生4個5 μs 周期的電流脈沖波形不同,該類型發(fā)射機需要產(chǎn)生25個全周期電壓波形,且存在電壓反向現(xiàn)象,即后端網(wǎng)絡(luò)能量流向發(fā)射機,圖3所示的波形中,發(fā)射天線網(wǎng)絡(luò)Q值55,第9個周期電壓反向。
上一節(jié)給出了特定發(fā)射天線網(wǎng)絡(luò)等效參數(shù)下的激勵電壓us(t),并在等效電阻或輻射電阻上產(chǎn)生了標(biāo)準(zhǔn)羅蘭C電流。
激勵電壓us(t)可由D類功放輸出電壓進(jìn)行疊加合成,D類功放原理如圖4所示。
圖4 D 類功放原理圖
圖4所示的D類功放采用4 只MOSFET(場效應(yīng)管)組成H 橋電路[3],(a)圖中管Q1和管Q3導(dǎo)通,管Q4和管Q2截止;(b)圖中管Q4和管Q2導(dǎo)通,管Q1和管Q3截止,依次交替導(dǎo)通和截止,將輸入直流電壓轉(zhuǎn)換為正負(fù)10 μs 的電壓方波脈沖,輸出波形如圖5所示。
圖5 D 類功放輸出電壓波形
基于D類功放輸出電壓合成的發(fā)射機等效模型如圖6所示,主要由D類功放及變壓器組成。
圖6 發(fā)射機等效模型
多個D類功放通過變壓器次級串聯(lián),進(jìn)行輸出電壓的疊加合成,由圖3的激勵電壓us(t)波形及圖5的D類功放輸出電壓波形可知,每個周期輸出電壓一致,通過改變每個周期工作的D類功放個數(shù),合成可在羅蘭C全周期內(nèi)產(chǎn)生所需的激勵電壓,圖7所示是發(fā)射天線網(wǎng)絡(luò)Q值55時,羅蘭C輻射電流和所需激勵電壓波形。
圖7 羅蘭C 激勵電壓與輻射電流
上一節(jié)構(gòu)建了發(fā)射機等效模型,并給出了特定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)下的激勵電壓與輻射電流波形,實際發(fā)射機可能需要匹配不同發(fā)射天線,使用場景變化而輸出不同功率。圖2所示羅蘭C 電流產(chǎn)生的簡要原理圖中,根據(jù)基爾霍夫定律[4],電路的非齊次線性二階微分方程為:
令us(t)=us,電路激勵響應(yīng)下的非齊次線性二階微分方程為:
其全響應(yīng)為由對應(yīng)齊次微分方程的通解與微分方程的特解之和組成:
電路的固有頻率為:
標(biāo)準(zhǔn)羅蘭C電流波形對前沿階段每一個載頻的脈沖幅度有著嚴(yán)格的要求,如圖8所示為電路欠阻尼和臨界阻尼下電流波形,由圖可知只有當(dāng)式(6)的電路欠阻尼時,才能滿足電流包絡(luò)前沿規(guī)律。
圖8 電路欠阻尼和臨界阻尼下電流波形
當(dāng)發(fā)射天線網(wǎng)絡(luò)參數(shù)滿足欠阻尼條件,對于不同電路Q值,激勵電壓波形包絡(luò)也不相同,取輻射電阻為1 Ω,圖9所示的為不同電路Q值下的激勵電壓波形包絡(luò)。
電路Q值越高,產(chǎn)生相同輻射電流所需的激勵電壓越高,當(dāng)Q值等于1 時,輻射電流和激勵電壓波形包絡(luò)一致??紤]到實際發(fā)射天線的帶寬和選擇性,羅蘭C 發(fā)射天線網(wǎng)絡(luò)的Q值一般設(shè)計在20~50 之間。
發(fā)射機輸出峰值功率[5]為:
式中,Ipeak為發(fā)射天線端峰值電流,Rtotal為發(fā)射天線總電阻。標(biāo)準(zhǔn)羅蘭C 電流波形在峰值點后開始震蕩衰減,以保證后沿階段波形特性,一般在500 μs后,i(t)≤0.0014B,B為Ipeak峰值電流。
圖10所示為后沿階段有無能量回收或者損耗情況下的電流波形。可以看出無能量回收或者損耗情況下,電流波形后沿衰減緩慢,它的地波和天波后沿會干擾后一脈沖的前沿。
圖10 有無能量回收情況下的電流波形
傳統(tǒng)羅蘭C發(fā)射機通過在峰值電流時刻接通對地電阻,將天線網(wǎng)絡(luò)中存儲的能量進(jìn)行功率損耗使波形后沿達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求,無源電阻損耗降低了發(fā)射機整機效率?;谌芷陔妷汉铣傻牧_蘭C 發(fā)射機采用有源能量回收方式,通過場效應(yīng)管自帶的反向二極管,將天線網(wǎng)絡(luò)中存儲的能量整流至前端的儲能電容中,實現(xiàn)后沿能量回收,原理如圖11所示,網(wǎng)絡(luò)中的能量通過管Q1和管Q3及管Q2和管Q4自帶的反向二極管整流至電容C 中。
圖11 能量回收原理
圖12分析了天線網(wǎng)絡(luò)電路Q值分別為30、55和120 時,沒有能量回收的效率值:
式中,ES為羅蘭C 脈沖前沿階段流向天線的能量;ER為羅蘭C 脈沖后沿階段流向發(fā)射機的能量。
能量回收效率如圖12所示,其中ES表示波形過零點前階段的能量,ER表示波形過零點后階段的能量,分別對波形過零點前后進(jìn)行積分求和:
圖12 能量回收效率
即傳統(tǒng)發(fā)射機在Q值30 時,理論最大發(fā)射效率為78%,且隨著Q值越高,發(fā)射效率越低。全周期電壓合成的羅蘭C發(fā)射機理論發(fā)射效率為100%,不隨Q值變化而變化。
本文構(gòu)建了一種全周期電壓合成的羅蘭C發(fā)射機模型,在源端采用激勵電壓沖擊后端天線網(wǎng)絡(luò),能夠輸出標(biāo)準(zhǔn)羅蘭電流波形。主要分析了不同發(fā)射天線參數(shù)下激勵電壓包絡(luò)波形的特點,以及羅蘭C電流包絡(luò)前沿對發(fā)射天線網(wǎng)絡(luò)電路的要求;對比分析了兩種發(fā)射機后沿能量的處理方式,給出了沒有能量回收的最大效率值。為羅蘭C 發(fā)射機的技術(shù)發(fā)展、使用功能及運用領(lǐng)域拓展提供了思路。