本文介紹了一種星載脈沖行波管放大器的設(shè)計(jì)方法，主要內(nèi)容為脈沖高壓電源的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)，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(nèi)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(cè)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(hù)措施完善，具備自動(dòng)檢測(cè)功能等特點(diǎn)，適用于星載應(yīng)用場(chǎng)合。

　　星載脈沖行波管放大器對(duì)體積、效率、重量和可靠性等方面要求苛刻，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮器件選型、材料選擇、結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)、控制保護(hù)設(shè)計(jì)和冗余設(shè)計(jì)等方面。實(shí)現(xiàn)上述要求，需要行波管和高壓電源同時(shí)達(dá)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(biāo)易實(shí)現(xiàn)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(jí)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(dá)國(guó)家及我國(guó)都已實(shí)現(xiàn)五級(jí)降壓收集極的行波管，收集極效率達(dá)到70%以上，行波管的效率從單級(jí)降壓收集極的10%左右提升至五級(jí)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(xiàn)行波管放大器高指標(biāo)要求，高壓電源輸出的各極電壓必須具有良好的穩(wěn)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(shè)計(jì)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(yīng)用背景，在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的問(wèn)題更趨復(fù)雜化，例如：交叉調(diào)整率，適應(yīng)脈沖負(fù)載特性，抗短路特性等。

1、主要技術(shù)指標(biāo)

　　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，有著苛刻的指標(biāo)和環(huán)境適應(yīng)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(shù)實(shí)現(xiàn)行波管和高壓電源的最佳匹配，最終實(shí)現(xiàn)體積小、重量輕、效率高和穩(wěn)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(yīng)具備長(zhǎng)期在軌工作能力和狀態(tài)實(shí)時(shí)回報(bào)功能。本文介紹的星載脈沖行波管放大器，其主要指標(biāo)如表1所示。

表1　星載脈沖行波管放大器主要指標(biāo)

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(lì)信號(hào)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(diào)制器電路等組成，形成行波管各級(jí)所需的電源。行波管采用的是四級(jí)降壓收集極，陰極采用特殊工藝實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命，通過(guò)加載和雜波注入等方式實(shí)現(xiàn)良好的雜波抑制。星載脈沖行波管放大器構(gòu)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(shè)計(jì)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(wěn)定陰極電壓，實(shí)現(xiàn)各收集極電壓的穩(wěn)定，收集極電壓穩(wěn)定度控制在0.5%左右，陽(yáng)極電源、輔助電源和柵極導(dǎo)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(wěn)壓，形成放大器各部分低壓電路和柵極調(diào)制器供電。行波管電子注通斷采用典型的柵極調(diào)制開(kāi)關(guān)電路實(shí)現(xiàn)。

　　控保電路接受外部控制，按設(shè)定程序完成放大器開(kāi)關(guān)機(jī)。開(kāi)機(jī)時(shí)，低壓逆變電路開(kāi)始工作，先進(jìn)入燈絲預(yù)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(diào)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(jiān)控工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)過(guò)欠壓和過(guò)溫保護(hù)、高壓電源輸出各極間打火保護(hù)、過(guò)脈沖寬度保護(hù)、過(guò)占空比保護(hù)和螺旋線過(guò)流保護(hù)等。

3、高壓逆變電路設(shè)計(jì)

　　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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)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(dá)到上述目的，高壓電源設(shè)計(jì)采用基于一種改進(jìn)后的電流饋電型推挽DC-DC拓?fù)�。該拓�(fù)洳捎弥鲃?dòng)嵌位和零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高達(dá)94%的效率。圖2為高壓逆變拓?fù)鋱D。

圖2　高壓逆變拓?fù)鋱D

　　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(shè)計(jì)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(xiàn)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(duì)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(shè)計(jì)還應(yīng)考慮各個(gè)收集極電流的差異和收集極電壓對(duì)行波管效率的影響，適當(dāng)設(shè)計(jì)變壓器，電壓要求敏感的，需與初級(jí)保證較好的耦合。

　　本例所涉及的高壓電源輸出電源高達(dá)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(shù)對(duì)高壓電源的影響，次級(jí)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(shè)計(jì)

　　低壓逆變電路產(chǎn)生燈絲、柵極導(dǎo)通和截止、陽(yáng)極電源、輔助電源。燈絲采用浮動(dòng)穩(wěn)壓技術(shù)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，其它輸出均為從輸出，需進(jìn)行二次穩(wěn)壓。該部分功率約為20W，為簡(jiǎn)化變壓器設(shè)計(jì)，采用半橋諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(xiàn)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)線路簡(jiǎn)單，元器件較少，在中小功率電源中應(yīng)用廣泛。低壓逆變電路拓?fù)鋱D如圖3所示。

圖3　低壓逆變拓?fù)鋱D

5、柵極調(diào)制器電路的設(shè)計(jì)

　　柵極調(diào)制器采用浮動(dòng)板調(diào)制器，包括信號(hào)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(hào)的前沿控制主開(kāi)關(guān)管V1的導(dǎo)通，導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)通。通過(guò)主開(kāi)關(guān)管V1和截尾開(kāi)關(guān)管V2的導(dǎo)通和關(guān)斷實(shí)現(xiàn)行波管電子注的通斷。柵極調(diào)制器的原理框圖和電路圖如圖4、圖5所示。

圖4　柵極調(diào)制器原理框圖

圖5　柵極調(diào)制器電路圖

6、控制與保護(hù)的設(shè)計(jì)

　　控制模塊以一片F(xiàn)PGA、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，其中虛線內(nèi)為FPGA 的內(nèi)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(jī)時(shí)序動(dòng)作，保證在開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)序正確；②實(shí)現(xiàn)供電欠壓保護(hù)，高壓欠壓、過(guò)壓保護(hù)，母線加反保護(hù)，行波管打火保護(hù)，過(guò)功率保護(hù)，過(guò)脈沖寬度保護(hù)，螺流過(guò)流保護(hù)，占空比保護(hù)等功能；③輸出行波管放大器的狀態(tài)信息，如螺旋線電流遙測(cè)、輸入總線電流遙測(cè)、保護(hù)狀態(tài)遙測(cè)等。

圖6　控制模塊電路框圖

7、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)

　　星載脈沖行波管放大器由高壓電源和行波管組成，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要針對(duì)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(shù)大于0.85。高壓電源內(nèi)部采用模塊化設(shè)計(jì)，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(diào)制器電路等四部分，各個(gè)部分相互獨(dú)立，內(nèi)部連線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(nèi)部高壓部分采用絕緣高導(dǎo)熱材料整體灌封工藝，發(fā)熱器件均貼底板安裝。設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方面，行波管為四級(jí)降壓收集極，效率高達(dá)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(cè)試數(shù)據(jù)與實(shí)物

　　星載脈沖行波管放大器進(jìn)行了完整測(cè)試，并進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，性能穩(wěn)定，指標(biāo)滿足要求，并實(shí)現(xiàn)了脈內(nèi)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(biāo)。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(jié)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(dá)90%以上，各收集極空滿載電壓變化率小于5‰。行波管采用四級(jí)降壓收集極，輸出峰值功率大于800W，效率可達(dá)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(biāo)均滿足要求。測(cè)試結(jié)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(hù)措施完善和副特性指標(biāo)好等特點(diǎn)，滿足星載應(yīng)用條件。