2.4　高功率微波管发射机设计

在L波段以上，瞬时带宽在10％以下，峰值功率在1MW以上，平均功率在10kW以上的中远程固定式雷达发射机设计中，一般选用阴极脉冲调制形式的真空微波管，如速调管、耦合腔行波管或回旋管，也可采用中功率发射机与微波功率合成技术来实现其大功率。调制器一般选用线型脉冲调制器（或组合式的线型调制器），有时也采用大功率刚管脉冲调制器。调制器开关应尽量选用固态开关，如SCR、RBDT和IGBT。高功率长寿命的电真空开关管，如氢闸流管、真空三极管、四极管也是一个不错的选择，但由于它们需要灯丝电源、偏置电源和高电压驱动脉冲等，因此导致电路复杂，可靠性低。

2.4.1　阴极调制微波管发射机的设计

阴极调制微波管发射机的设计在方案论证阶段，已确定了适用的微波管及发射机的类型；而在工程实施方案中，主要是考虑如何设计组成发射机的各个子系统，以全面达到所需的技术指标要求。

1.发射机的设计要求

根据设计任务书或合同中的技术要求，发射机设计要求一般应包括：

（1）工作模式（应注明是单级自激振荡式还是主振放大式）；

（2）工作频率（应包括频率范围、变频方式、变频速度和瞬时带宽）；

（3）输出射频功率（应包括峰值功率、平均功率和带内功率起伏）；

（4）增益；

（5）射频包络（包括脉冲宽度 τ 、上升时间 τ _r 、下降时间 τ _f 和顶部不平度）；

（6）信号形式（包括脉冲宽度、重复频率、工作比和它们的变化范围、变化方式）；

（7）平均故障间隔时间（MTBF）和平均维修时间（MTTR）；

（8）结构形式、质量和效率 η ；

（9）电源的电压、频率、功率及变化范围和制式；

（10）环境要求（包括温度、湿度、海拔高度、振动冲击和含腐蚀气体浓度等）。

2.发射机各部分指标的计算与分配

1）对微波管的要求

方案论证所选用的微波管，当没有定型管时，应提出供微波管设计的技术指标，包括：

（1）微波管类型；

（2）工作频率（包括频率范围、瞬时带宽、变频方式和变频速度）；

（3）输出功率（包括峰值、平均值和带内起伏）；

（4）最大工作脉冲宽度和最高脉冲重复频率；

（5）增益（包括带内增益起伏）；

（6）效率（输出基波功率与微波管输入总功率之比）；

（7）调制方式（阴极调制、阳极调制、聚焦电极调制、栅极调制、熄灭电极调制中的某一种方式）；

（8）工作电压、电流（包括电压、电流值及变化范围）；

（9）各电极的电压或电流的相位调制灵敏度；

（10）杂散输出限制（包括谐波、寄生调制和噪声）；

（11）冷却方式（包括传导冷却、强迫风冷却和液体冷却）；

（12）工作环境（包括海拔高度、温度、湿度和振动冲击强度）；

（13）使用寿命；

（14）结构形式和质量；

（15）输入/输出形式。

2）指标计算与分配

（1）确定电源或调制器参数。根据微波管的输出功率 P _out 、效率 η _e 和导流系数 ρ _e ，计算电源、调制器等有关参数。根据式（2.3）计算出微波管的主要工作参数：

工作电压

（2.7）

工作电流

（2.8）

工作点的等效阻抗

（2.9）

电源或调制器的脉冲功率

（2.10）

射频激励功率

（2.11）

式（2.11）中的 G 是微波管的饱和增益（单位为dB）。

（2）分配稳定性指标。根据任务要求的改善因子、微波管的相位调制灵敏度和放大链中各部分的难易程度，计算和分配系统下属各分机的稳定性指标。

影响发射机稳定度的因素很多，各种因素的影响程度和计算方法也不相同，表2.3中列出了几种主要参数的改善因子计算公式，供设计时参考。当然，不是每种发射机的稳定度都受表中各种因素的影响，具体设计时只需选择表中有关的项目即可。

表2.3中，Δ f 为脉间的射频变化， τ 为发射脉冲宽度， T 为雷达与目标间电波的往返传播时间，Δ φ 为脉间射频相位变化，Δ t 为脉冲定时抖动，Δ A 为脉间的脉冲幅度变化，Δ τ 为脉冲宽度抖动， A 为脉冲幅度， B τ 为脉冲压缩雷达的脉冲宽度与带宽的积，未编码的脉冲，其 B τ =1。

对于一个由以固态放大器为驱动级，高功率速调管放大器为末级组成的放大链，由于固态放大器的稳定度较易达到高指标，分配指标时应适当从严（设其 Δ ₁ 不稳定性的相位差为Δ φ ₁ ，幅度差为Δ A ₁ ）；而要使速调管放大器实现高稳定度的难度较大，分配指标时应适当放宽（设其 Δ ₂ 不稳定性的相位差为Δ φ ₂ ，幅度差为Δ A ₂ ）。它们的关系可由下列公式表示，即

（2.12）

（2.13）

（2.14）

式（2.14）中， 为该发射机的不稳定值，它与改善因子 I ^′ 的关系为

（2.15）

根据经验，在相位稳定度满足要求的情况下，一般都能满足幅度稳定度的要求，因此在初步计算中，可以不考虑幅度稳定度指标的分配问题，只分配并计算相位稳定度指标即可，即

（2.16）

（2.17）

在每级放大器中，影响输出信号稳定度的具体因素又有许多项，就速调管放大器而言，其影响因素可包括阴极调制脉冲幅度稳定度、灯丝电源电流稳定度、磁场电源电流稳定度和射频驱动信号稳定度等项。这些项中的每项都可能引起总的相位失真和幅度失真，设计时应根据它们的难易程度，参照各级电压调制灵敏度，进行仔细权衡和反复计算来分配指标。粗估时，也可以以相位为主来进行估算。各电极电压的相位调制灵敏度，可在微波管的使用参数表中查出。设计时各极电压的调制灵敏度可参考如表2.4所示的经验数据，来计算各电极电压的稳定度。

以速调管发射机为例，下面介绍一下计算微波管各电极电源电压稳定度的方法。

用 表示速调管各电极电源的总改善因子，并用 表示速调管输出信号的相位变化，对应各电极电源引起速调管输出信号的相位变化分别是：Δ φ _c 为阴极电压引起的相位变化，Δ φ _f 为灯丝电源引起的相位变化，Δ φ _m 为磁场电流引起的相位变化，Δ φ _r 为驱动信号引起的相位变化，则Δ φ ₂ 、 应满足下式要求

（2.18）

（2.19）

设灯丝电源的相位调制灵敏度为 M _f ，磁场电源的相位调制灵敏度为 M _m ，驱动信号的幅相转换为 M _r ，则可分别计算出各电极电源电压（电流）引起速调管输出相位变化和各电极电源的电压（电流）稳定度要求。因为Δ φ _c 表示以弧度为单位的相位变化，而每弧度等于57.3°； M _c 为速调管阴极电压的相位调制灵敏度，表示电压或电流每变化1％时所引起射频输出信号的相位变化量或者以输入驱动信号每变化1dB时所引起的射频输出信号的相位变化量，则计算阴极调制脉冲电压的稳定度公式为

（2.20）

计算灯丝电源的稳定度公式为

（2.21）

计算磁场电流的稳定度公式为

（2.22）

计算驱动信号的稳定度公式为

（dB）（2.23）

（3）粗略计算和分配MTBF。根据雷达分配给发射机的MTBF，设组成该发射机各分机的可靠性模型为串联模型，则有

（2.24）

式（2.24）中， λ _i 为第 i 个分机的失效率。在发射机中，设调制器和高压电源的失效率为 λ ₁ ，控制保护系统的失效率为 λ ₂ ，冷却系统的失效率为 λ ₃ ，高频系统的失效率为 λ ₄ 。它们的具体数值应根据各分机所用元器件的基本失效率、可靠性模型、降额因子和环境系数计算求得，然后将其具体数值代入下式并求系统的总失效率，即

（2.25）

（2.26）

进行可靠性指标分配时，不能采用平均的分配方法，应根据各种分机插件的重要性和复杂程度，经权衡后进行合理分配。

（4）用电量的计算与分配。大功率线型调制器的常规效率（设带降低 Q 值的充电电路的充电效率为 η ₁ ，放电效率为 η ₂ ，电源效率为 η ₃ ）确定后，高压电源的输入功率 P _h 可按下式计算

（2.27）

式（2.27）中， P _out 和 η ₀ 分别为微波管的输出功率和效率。

估算出聚焦电源所需的输入功率 P _聚焦 、冷却系统的水泵和风机所需功率 P _冷却 （未考虑冬天加热和环境空调的功率）、速调管灯丝功率 P _灯丝 、控制保护及辅助电源功率 P _其他 后，再与高压电源的输入功率 P _h 一起，按下式求出发射机所需的总输入功率 P _Tin ，即

（2.28）

已知射频输出功率和总输入功率，便可求出发射机的总效率 η 为

（2.29）

3.提出各组成单元的设计要求

阴极调制大功率速调管发射机由高压电源、调制器、高频放大器系统和系统监控系统等几部分组成，其系统框图如图2.11所示。

高压电源包括配电装置、电源控制、电压调节、电压转换装置、储能与滤波装置和电压分压器六部分；调制器包括充电控制器、脉冲形成网络、放电开关和脉冲及灯丝变压器四部分；高频放大器系统包括微波管灯丝电源、磁场电源、冷却子系统和速调管放大器及各种微波元器件；系统监控包括系统工作状态的控制与指示，参数的监视与测试，故障状态的隔离、指示与保护，同时还要与总系统进行通信。

以上各部分的详细介绍可在以后各章中去查阅。

根据统一设计规范的要求和发射机各组成部分的计算数据，便可对发射机所属的主要部分（①高压电源；②调制器；③高频放大器系统；④系统监控；⑤微波管灯丝电源；⑥冷却子系统；⑦系统结构等）提出设计要求。发射机所属部分设计要求如表2.5所示。

4.系统设计中应注意的问题

系统设计就是根据方案论证所确定的方案，采用具体电路和结构形式将整个发射系统组合起来，以形成一个完整的系统。为了能使发射系统全面达到指标要求并确保其稳定可靠地工作，应注意处理好下面的几个设计问题。

1）微波管与调制电路的接口设计

大功率线型脉冲调制器或刚管调制器与微波管接口，应根据不同的工作电压和不同的调制方式，采用不相同的接口方式。当电压很高（50kV以上）时，一般不采用直接接口，而是在调制器和微波管之间加入一台脉冲变压器，以提升电压和实现阻抗的变换与匹配。

在线型脉冲调制器中，由于高变比脉冲变压器的漏感和分布电容较大，会使脉冲前、后沿变差。为了获得好的输出脉冲和减小低阻抗脉冲形成网络（PFN）的设计难度，脉冲变压器的升压比不能太高。对线性电子注管负载而言，脉冲变压器的漏感和分布电容对脉冲前沿 τ _r 的影响可用下式进行估算

（2.30）

式（2.30）中， L ₁ 为漏感， C _d 为微波管的分布电容折算到初级的值， C ₁ 为折算到初级的变压器分布电容值。

当脉冲电压很高时，为了使脉冲变压器缩小体积又能确保在较恶劣环境中（潮湿、低气压）安全可靠地工作，脉冲变压器与速调管的阴极油箱，应一体化设计，以便使高压脉冲引线在绝缘强度很高的油中传输和转接。

采用脉冲变压器耦合方式的阴极调制发射机，灯丝电源通常通过脉冲变压器的次级双绕组馈给，以解决灯丝供电的高压隔离问题。为减小次级双绕组上通过的灯丝电流，一般在脉冲变压器次级双绕组的低压端输入较高的灯丝电压，在高压端放置一台自耦式降压灯丝变压器用于降压，其连接方式如图2.12所示。

为了确保双绕组间的脉冲电位相等或尽可能接近，应分别在双绕组间的低压端和高压端接入适当的脉冲旁路电容 C ₁ 、 C ₂ 、 C ₃ ；为了减小电容的分布电感，一般采用两个电容并联，其中一个为低电感电容。

2）微波管与微波电路间的接口设计

组成放大链的大功率速调管发射机高频系统通常由图2.13所示的末级射频放大器与各种微波元器件所组成。

由该图可见，末级射频放大器输入端的微波组件一般包括射频保护控制开关、射频驱动放大器、增益均衡器（或可变衰减器）、级间铁氧体隔离器和输入定向耦合器；末级射频放大器输出端，一般应有输出定向耦合器、打火检测装置、充气波导和密封窗（视需要而定）、大功率带通滤波器、大功率环流器、大功率微波开关及假负载等。

为方便对微波元器件的选用，将各微波元器件的作用和要求介绍如下。

（1）射频保护控制开关有机电开关和电子开关之分。机电开关利用电磁能使开关通/断，其速度较慢，一般为ms级，但通过功率较大；电子开关则用加电控制PIN二极管实现微波的通/断，其速度很快，一般在ns~μs级，但通过功率较小。它的作用是当大功率波导系统驻波过大或打火时用于快速切断输入射频信号，以保护贵重的微波管。在控制电极调制的线性电子注管放大器中，射频开关除在输出打火时能及时关断射频激励以保护微波管外，还能降低脉间噪声。除此之外，还有铁氧体开关也经常使用在中、小功率场合。

（2）射频驱动放大器为末级放大器提供足够的驱动功率。

（3）增益均衡器（或可变衰减器）为末级放大器提供最佳的激励放大状态，以防止过激励和欠激励。

（4）级间铁氧体隔离器对反射功率有20dB以上的衰减和隔离作用，它对前级放大器能够起到保护作用。

（5）定向耦合器是作为射频入射功率和反射功率的采样器件，用于监测发射机的工作状态和保护微波管。要求定向耦合器不仅有准确的耦合度和定向性，还要求它的插入损耗要小且其端口驻波要小。

（6）打火检测装置用来采集馈线中微波打火时的光信号，以便对微波管实施快速保护。由于馈线有折弯问题，所以采样光信号应避免死区。

（7）大功率带通滤波器用于衰减发射管非线性特性所产生的谐波或带外杂散输出，以减小发射机的射频干扰和提高系统的电磁兼容能力。它对带内信号的衰减很小，对谐波或带外杂散输出的衰减很大。

（8）大功率环流器用于隔离天线及转动铰链驻波过大或打火时对发射系统的影响，也给接收机提供一条低损耗的回波通道。

（9）充气波导和密封窗的作用是为提高馈线系统的耐功率能力而用于馈线内部的增压和防潮。

（10）大功率微波开关及假负载是专用于发射机调机或自检的，在系统运行时并不用。因此，移动式系统一般不使用它们。

为了确保高频系统可靠、稳定地工作，对设计的各微波元器件必须在工作频带内满足以下要求：

（1）输入/输出驻波必须符合设计要求；

（2）插入损耗必须小于规定值（与馈线长短和工作频率有关）；

（3）功率容量要求满足在所需工作环境内，发射机在最大输出功率下，各微波元器件不发生电晕打火现象；

（4）微波的泄漏必须小于规定值；

（5）满足气密的要求，以增压和防潮；

（6）定向耦合器的定向性或隔离器的隔离度应满足所要求的值。

5.安全与防护

在高功率速调管发射机中，由于工作电压很高（输出1MW时需要80kV左右的脉冲电压），输出射频峰值功率很大（一般在1MW以上）。当高电压下的高速电子打在速调管的收集极上时，容易产生很强的射线（主要是X射线），也容易在高压电极周围产生电晕或形成电弧放电，这不仅会损伤人的身体，也将影响周围电子设备的正常工作和安全；同时，发射机输出的高功率微波还会在天馈系统中因驻波过大而产生打火现象，其过大的反射功率也会危及微波管的安全。因此，必须注意高功率发射机的安全设计和安全防护设计。

1）防止馈线系统打火

在变化较大的环境中使用的高功率发射机，一定要对馈线进行密封和充气，防止馈线系统打火或反射功率过大，并且适时检测输出功率和反射功率，以便对微波管实施快速保护，避免当馈线打火或电子注散焦时损坏微波管。

2）防X射线

当电压超过30kV的高速电子打在金属上时，会产生较强的X射线。因此，应该用铅板（铅屏蔽罩）来屏蔽能产生X射线的微波管（以收集极为主）。工作电压越高，其射线越强，要求铅屏蔽罩越厚。

（1）X射线的危害：X射线会对生物造成不可逆的伤害，剂量越大、时间越长，伤害越严重。它对人身体的主要影响如下：

①加速衰老；

②引起白内障；

③损坏细胞；

④对生殖细胞有伤害。

（2）安全剂量：为了安全，X射线的辐射剂量应在安全值以内。对于离设备（辐射源）5cm的操作者来说，其剂量不能超过如下规定值：

①1小时以内应小于2mR（毫伦）；

②连续7天以内应小于100mR；

③对人体的重要器官，每季度的剂量应小于125mR，每年的剂量应小于500mR。

装上铅屏罩后，应确保操作人员及设备工作在安全剂量范围内。如果超出规定值（2mR/h）时，应关断设备电源，采取进一步措施以确保操作人员的身体健康。

3）其他安全防护措施

发射机的高压区域也是一个危险的地方，也应注意安全设计。除防止电晕和打火放电危及机器安全外，还必须确保操作者的绝对安全。因此，在高压区除应设有明显的标记外，还应设置必要的安全保护罩、安全连锁装置和高压泄放装置。凡是危及人身安全的高压部件，都应置于安全保护体之内，以免工作时被人体触及。同时，设置的开机连锁装置要能使保护体未关闭时，无法加高压，而当保护体关闭后，开机连锁装置才允许加高压。为了确保检修高压元器件人员的安全，所有高压储能组件都应设置自动电能泄放装置；当开启保护体的门时，泄放开关即自动接通并及时泄放。

为确保机器的工作安全，所有高压部位还应具有防尘、防潮和增压的功能，以避免因高压电晕或打火而缩短机器寿命。

2.4.2　真空微波管发射机的功率合成

为适应雷达对发射机输出更高功率的要求，当采用单个真空微波管功率不够时，一种方法是用多个末级管进行微波功率合成来实现；另一种方法则是将多部发射机输出的微波功率经天线辐射进行空间合成，如相控阵的T/R组件、行发射机就属这一类。

1.微波功率合成的方式

为了有效地进行微波功率的合成，要求各发射机的输出功率应满足一定的要求，按照矢量叠加的方程式，两部发射机的合成功率可表示为

（2.31）

式（2.31）中， P _out 为合成输出功率， P ₁ 为第一部发射机的输出功率， P ₂ 为第二部发射机的输出功率， φ 为两部发射机输出射频信号间的相位差。

从式（2.31）可以看出，只有当两部发射机输出信号的幅度相等、相位相同时，才能获得最大的合成输出功率，其最大合成输出功率为2 P ₁ （或2 P ₂ ）。

1）对微波系统的要求

功率合成系统中的各发射机的高频系统的性能，对合成效率影响很大，应严格控制各发射机高频系统中各微波元器件的机械长度、端口驻波和插入损耗，使它们尽可能地保持一致，但实际上这是十分困难的。为了消除它们的加工和装配误差，常常采用垫片、延迟线和移相器来微调补偿，以便使它们在带内尽可能减小相位偏差。每路高频系统及其微波元器件应在高频系统输入端增加一台移相器，以便调节两部发射机间的射频相位。

通道中的有源微波元器件（微波管、电调衰减器和PIN开关）中影响相位的因素较多，这不仅与它们的电长度有关，还与它们的工作状态有关。为了获得较高的合成效率，除尽量选择相位一致性好的微波管（各管的尺寸、磁场、增益、相位灵敏度等参数应一致）外，还应确保微波管的工作状态、工作环境尽量相同。

在各种真空微波管中，速调管和行波管由于其电长度较长，输出相位的差异较大；而前向波管因电长度最短，对相位的影响最小，因此最适合于用作微波功率合成，如AN/SPY-1A雷达的末级就是由16个SFD-261前向波管并联合成的。

2）对供电设计的要求

微波功率合成真空管发射机的供电方式既可以是集中统一馈电，也可以是分散馈电。不同的馈电方式，其效果有所不同。集中统一馈电可以保证各个微波管各对应电极上的电压相同，且起伏变化规律也一致，这就确保了各微波管射频输出特性的一致性，也有利于进行高效微波功率的合成。但是在大功率系统中，尤其当大功率直流高压电源储能电容很大时，万一并联支路中有一个微波管打火，该打火微波管就必须迅速脱离总电源，以防止发生灾难性故障。灯丝、偏压等电源因电压低、功率小，虽然不会因某一路出现故障而引起灾难性的事故，但也得采用隔离措施，才能确保其他未出故障的单元正常工作。

分散供电可使每个发射单元成为一个独立的系统，且互相牵连小，并可减小故障概率，提高可靠性；但要确保微波功率合成的各发射机输出信号幅度或相位的一致性，以前难度较大。不过在功率电子电路日趋完善的今天，各组电源的输出控制在较高精度范围内已不是可望而不可即的事情。

以上两种馈电方式，在全固态发射机中都有许多成功运用的例子。在真空微波管功率合成的发射机中，也可以根据需要来选择其中的一种。

为了减小微波系统的体积，也可以只把微波系统与接收机组装在一起，将所有行波管的电源采用集中统一的供电方式。美国在20世纪60年代中期研制的多功能相控阵雷达MAR-1的发射系统就采用了这种形式。它将824个峰值功率为5kW的阳调行波管，分别与有关的微波元器件（驱动衰减器、移相器、输出隔离器、滤波器）组装在一起，再分别插入一个平面阵列天线中，其电源就是集中统一分区供电的。

2.T/R组件的空间合成形式

在S波段及以下频段，用固态功率放大器作为T/R组件的例子已经较多，由于它的单管功率和效率较高，所以应用得较为普遍。但是在C波段及其以上频段，应用固态T/R组件做大功率相控阵时因为其组件数太多，给系统调校带来一定困难，同时由于单管固态放大器的功率和效率较低，且频率越高，难度越大。为了解决这一困难，利用单管功率大、效率高的行波管作为发射机的T/R组件是一个较好的选择。尤其是已成熟的微型、高效、高可靠行波管，更适合于T/R组件用，比如用MPM就可以很灵活地组成如图2.14~图2.16所示的多种相控阵雷达的阵列结构。