一種星載脈沖行波管放大器的設計

　　本文介紹了一種星載脈沖行波管放大器的設計方法，主要內容為脈沖高壓電源的設計和系統的集成設計，并研制出一款X波段星載脈沖行波管放大器。該脈沖行波管放大器1GHz帶寬內輸出功率大于800W，占空比大于20%，效率大于42%，重量小于4kg。經(jīng)過(guò)測試表明，該X波段星載脈沖行波管放大器具有體積小、重量輕、效率高，保護措施完善，具備自動(dòng)檢測功能等特點(diǎn)，適用于星載應用場(chǎng)合。

　　星載脈沖行波管放大器對體積、效率、重量和可靠性等方面要求苛刻，設計時(shí)應綜合考慮器件選型、材料選擇、結構熱設計、控制保護設計和冗余設計等方面。實(shí)現上述要求，需要行波管和高壓電源同時(shí)達到甚至超過(guò)上述要求，并將兩個(gè)部分集成為一個(gè)整體，形成行波管放大器。

　　行波管(Traveling　Wave　Tube)是一種廣泛使用的功率放大器器件，其主要特點(diǎn)為：功率大、工作頻帶寬寬、增益高和副特性指標易實(shí)現等，尤為重要的是行波管可以具有很高的效率。通常采用多級降壓收集極(Multistage　Depressed　Collector)來(lái)提高行波管的效率，目前歐美等發(fā)達國家及我國都已實(shí)現五級降壓收集極的行波管，收集極效率達到70%以上，行波管的效率從單級降壓收集極的10%左右提升至五級降壓收集極的60%左右。

　　為了保證行波管放大器具有體積小、重量輕、效率高和可靠性高等特點(diǎn)，與行波管配套的高壓電源重要性不言而喻。為了實(shí)現行波管放大器高指標要求，高壓電源輸出的各極電壓必須具有良好的穩定度和較低的紋波。脈沖高壓電源必須具有效率高，有利于減輕脈沖高壓電源的熱設計壓力，為體積和重量的減小提供了可能，隨之可以大大提高脈沖高壓電源的可靠性。星載脈沖高壓電源因其特殊的應用背景，在設計時(shí)需要考慮的問(wèn)題更趨復雜化，例如：交叉調整率，適應脈沖負載特性，抗短路特性等。

1、主要技術(shù)指標

　　星載脈沖行波管放大器作為一種特殊用途的微波功率模塊，有著(zhù)苛刻的指標和環(huán)境適應性要求，通過(guò)一體化集成方式將行波管和高壓電源集成一個(gè)整體，通過(guò)優(yōu)化電源的參數實(shí)現行波管和高壓電源的最佳匹配，最終實(shí)現體積小、重量輕、效率高和穩定可靠的脈沖行波管放大器。與此同時(shí)，脈沖行波管放大器應具備長(cháng)期在軌工作能力和狀態(tài)實(shí)時(shí)回報功能。本文介紹的星載脈沖行波管放大器，其主要指標如表1所示。

表1　星載脈沖行波管放大器主要指標

2、放大器的組成與工作原理

　　脈沖行波管放大器主要功能是將射頻前端輸出的恒激勵信號進(jìn)行放大，形成高功率輸出。放大器主要由兩大部分組成：脈沖高壓電源和脈沖行波管，脈沖高壓電源主要由控保電路、逆變電路和柵極調制器電路等組成，形成行波管各級所需的電源。行波管采用的是四級降壓收集極，陰極采用特殊工藝實(shí)現長(cháng)壽命，通過(guò)加載和雜波注入等方式實(shí)現良好的雜波抑制。星載脈沖行波管放大器構成框圖如圖1所示。

圖1　星載脈沖行波管放大器組成框圖

　　行波管采用串聯(lián)饋電方式，簡(jiǎn)化高壓電路的設計難度，陰極和各收集極電壓由高壓逆變電路產(chǎn)生，通過(guò)穩定陰極電壓，實(shí)現各收集極電壓的穩定，收集極電壓穩定度控制在0.5%左右，陽(yáng)極電源、輔助電源和柵極導通、截止電源由低壓逆變電路產(chǎn)生，低壓逆變電路產(chǎn)生的輸出需進(jìn)行二次穩壓，形成放大器各部分低壓電路和柵極調制器供電。行波管電子注通斷采用典型的柵極調制開(kāi)關(guān)電路實(shí)現。

　　控保電路接受外部控制，按設定程序完成放大器開(kāi)關(guān)機。開(kāi)機時(shí)，低壓逆變電路開(kāi)始工作，先進(jìn)入燈絲預熱狀態(tài)，此時(shí)陽(yáng)極電源、柵極截止電源和輔助供電部分開(kāi)始工作。3min后，高壓逆變電路開(kāi)始工作，同時(shí)產(chǎn)生行波管陰極和各收集極電壓。高壓建立后，柵極調制器開(kāi)始工作，啟動(dòng)行波管。另外，在工作過(guò)程中，放大器實(shí)時(shí)監控工作狀態(tài)，實(shí)現過(guò)欠壓和過(guò)溫保護、高壓電源輸出各極間打火保護、過(guò)脈沖寬度保護、過(guò)占空比保護和螺旋線(xiàn)過(guò)流保護等。

3、高壓逆變電路設計

　　高壓電源是脈沖行波管放大器的關(guān)鍵組成部分，選擇一種合適的拓撲結構，實(shí)現高壓電源的高效率、小體積和高可靠性等顯得尤為重要。為了達到上述目的，高壓電源設計采用基于一種改進(jìn)后的電流饋電型推挽DC-DC拓撲。該拓撲采用主動(dòng)嵌位和零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)技術(shù)可實(shí)現高達94%的效率。圖2為高壓逆變拓撲圖。

圖2　高壓逆變拓撲圖

　　為減小高壓電源的體積和重量，將高壓電源開(kāi)關(guān)頻率設計為100kHz，以減小磁性器件和濾波電路的體積；采用串聯(lián)饋電技術(shù)實(shí)現陰極和各收集極饋電，串聯(lián)饋電指的是利用一個(gè)變換器同時(shí)產(chǎn)生陰極高壓和收集極高壓，由于高壓電源的輸出反饋取樣只針對陰極電壓，其它收集極電壓均是由陰極電壓中間抽頭產(chǎn)生。多收集極行波管高壓電路的設計還應考慮各個(gè)收集極電流的差異和收集極電壓對行波管效率的影響，適當設計變壓器，電壓要求敏感的，需與初級保證較好的耦合。

　　本例所涉及的高壓電源輸出電源高達8kV，高壓變壓器的變比較高，為盡量避免高壓變壓器分布參數對高壓電源的影響，次級采用倍壓整流的方式減小高壓變壓器變比。

4、低壓逆變電路設計

　　低壓逆變電路產(chǎn)生燈絲、柵極導通和截止、陽(yáng)極電源、輔助電源。燈絲采用浮動(dòng)穩壓技術(shù)實(shí)現穩壓，其它輸出均為從輸出，需進(jìn)行二次穩壓。該部分功率約為20W，為簡(jiǎn)化變壓器設計，采用半橋諧振拓撲結構，輸出電壓較高的柵極電源和陽(yáng)極電源采用倍壓方式實(shí)現。該拓撲結構線(xiàn)路簡(jiǎn)單，元器件較少，在中小功率電源中應用廣泛。低壓逆變電路拓撲圖如圖3所示。

圖3　低壓逆變拓撲圖

5、柵極調制器電路的設計

　　柵極調制器采用浮動(dòng)板調制器，包括信號產(chǎn)生單元、隔離變壓器，脈沖整形單元和MOS管組成，主開(kāi)關(guān)管V1控制信號的前沿控制主開(kāi)關(guān)管V1的導通，導通后通過(guò)V1的寄生電容C1保持高電平，以維持主開(kāi)關(guān)管的導通，后沿控制主開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷。截尾前沿控制主開(kāi)關(guān)管V1的關(guān)斷和截尾開(kāi)關(guān)管V2的導通。通過(guò)主開(kāi)關(guān)管V1和截尾開(kāi)關(guān)管V2的導通和關(guān)斷實(shí)現行波管電子注的通斷。柵極調制器的原理框圖和電路圖如圖4、圖5所示。

圖4　柵極調制器原理框圖

圖5　柵極調制器電路圖

6、控制與保護的設計

　　控制模塊以一片FPGA、電源管理電路、外圍接口電路和瞬變抑制電路組成，其中FPGA 為核心，解析外部指令，控制EPC工作�？刂颇�塊電路示意圖如圖6所示，其中虛線(xiàn)內為FPGA 的內部電路，其它部分為外部分立芯片。該部分電路主要完成以下功能：①完成行波管工作所需的開(kāi)關(guān)機時(shí)序動(dòng)作，保證在開(kāi)關(guān)機時(shí)序正確；②實(shí)現供電欠壓保護，高壓欠壓、過(guò)壓保護，母線(xiàn)加反保護，行波管打火保護，過(guò)功率保護，過(guò)脈沖寬度保護，螺流過(guò)流保護，占空比保護等功能；③輸出行波管放大器的狀態(tài)信息，如螺旋線(xiàn)電流遙測、輸入總線(xiàn)電流遙測、保護狀態(tài)遙測等。

圖6　控制模塊電路框圖

7、結構設計和熱設計

　　星載脈沖行波管放大器由高壓電源和行波管組成，結構的設計主要針對高壓電源。高壓電源外殼采用鋁合金材料，表面涂層采用特殊材料，使輻射系數大于0.85。高壓電源內部采用模塊化設計，分為低壓控制電路、低壓逆變電路、高壓逆變電路、浮動(dòng)燈絲柵極調制器電路等四部分，各個(gè)部分相互獨立，內部連線(xiàn)采用焊接方式提高功率密度，部分高低壓電路采用厚膜工藝集成。高壓電源內部高壓部分采用絕緣高導熱材料整體灌封工藝，發(fā)熱器件均貼底板安裝。設計完成后，高壓電源的體積為280mm×60mm×100mm，行波管體積為280mm×30mm×40mm。在熱設計方面，行波管為四級降壓收集極，效率高達50%以上，高壓電源效率為90%以上，熱功耗較小，安裝在冷板上散熱即可。

8、測試數據與實(shí)物

　　星載脈沖行波管放大器進(jìn)行了完整測試，并進(jìn)行了長(cháng)時(shí)間連續工作，性能穩定，指標滿(mǎn)足要求，并實(shí)現了脈內噪聲功率譜密度小于-20dBm/MHz，脈間噪聲功率譜密度小于-100dBm/MHz，脈間相位誤差小于5°等指標。放大器樣品實(shí)物見(jiàn)圖7。

圖7　星載脈沖放大器樣品實(shí)物圖

9、結束語(yǔ)

　　本文介紹了一種星載脈沖行波管放大器，該放大器有高壓電源和行波管兩個(gè)部分組成。高壓電源輸出最高電壓為-8kV，最大輸出功率為400 W，效率可達90%以上，各收集極空滿(mǎn)載電壓變化率小于5‰。行波管采用四級降壓收集極，輸出峰值功率大于800W，效率可達50%以上，諧波抑制和雜散抑制分別為-20，-40dBc，行波管放大器其它副特性指標均滿(mǎn)足要求。測試結果表明該星載脈沖行波管放大器具有效率高、體積小、重量輕、保護措施完善和副特性指標好等特點(diǎn)，滿(mǎn)足星載應用條件。