一种宽带行波管发射机可靠性的提高

【摘要】本文以一种宽带行波管发射机为例，通过分析其结构组成论证如何使得行波管发射机的设计与配置达到最合适最可靠的效果。确保行波管能够工作在最佳的理想状态进而达到提高发射机可靠性的目的。

【关键词】发射机；行波管；可靠性

1.引言

行波管作为微波式真空电子器件当中的一种常见管型，具备高功率、大增益、宽频带与低噪声等各种实际特点，能够广泛地运用在雷达、电子对抗与通信等各个重点工程领域。然而因为行波管的构造与相应的供电电路具有复杂、电压高及功率大的特点，实质的应用环境通常为恶劣的状况，所以行波管发射机的可靠性已经视为一个相对复杂的实际问题。

2.行波管发射机的结构组成

行波管发射机通常由宽带行波管、各级电源系统、调制器、控保电路与冷却系统等部分构成，假如其中的任意一个电路或者元器件失效就可能引起整个发射机的故障发生。所以其相应的可靠性模型表现为串联系统的形式，失效率λ应为各个实质单元的失效率λi的和，即表示为λ=∑λi。

3.行波管发射机可靠性的提高方法

行波管是整个发射机的关键元器件，行波管设计的可靠性很大程度上决定了发射机工作的可靠性。本文所提的行波管发射机应用于一种电子对抗设备，要求行波管能在宽频段、大占空比（90%）的条件下进行工作。发射机的全部设计工作都应当围绕着行波管而实行的，即怎样为行波管配置最合理可靠的各个电极电源、完善高效的控制保护与理想的热环境设计，确保行波管工作于最理想状态进而提升行波管的可靠性。

3.1 高压电源系统

本发射机的高压电源系统（包括整流电源、逆变电源、高压电源）采用相控整流方式+全桥串联谐振变换器电路。由于开机时会产生很大的浪涌电流，因此采用相控整流方式实现缓冲开机，以减少浪涌；由于高压电源的功率较大，采用全桥电路，桥路电流及工作频率都不是很高，有利于电源的热设计。降压收集极行波管的螺旋线高压和收集极高压的供电采用了行波管串联供电方式简化了发射机的电路，提高了可靠性。

加高压时当调制开关刚开通，正偏电源加载在行波管上时，发射机高压就跳闸。分析认为：收集极电源此时由空载突然变成满载，引起储能电容电压下降，由于采用的是串联供电方式，导致阴极电压随之下降造成欠压保护。总之，是储能电容容量不够和高压电源瞬间无法适应从空载到满载的快速变化导致的。增大了储能电容又有可能在行波管打火过程中产生放电能量过大而出现行波管烧坏的问题。最终我们在高压储能电容器和行波管之间串联RY型金属氧化膜电阻作为限流电阻以限制打火时的能量，很好的解决了这一问题。

3.2 各级辅助电源

灯丝电源采用恒压、限流工作，其正极接行波管的阴极，负极接行波管的灯丝。由于行波管灯丝在冷态时的阻抗很低（约为热态时的五分之一），为确保在每次开机工作时，避免灯丝过电流而产生过热冲击，灯丝电源采用限流工作方式。

阳极电源供给行波管阳极的电源，该电源为高压小电流电源，其技术指标为：电压：-1500～0V，电流是?A量级。由于阳极电源变化时行波管的输出功率会发生变化，要求稳定度高，采用高频高压开关电源。

正负偏电源要求输出电压为2.0KV，输出功率为30W。若采用Boost电路来实现，则主电路开关管的耐压问题不好解决，故决定采用电路简单的单端式隔离电源。

3.3 调制器

对于行波管，如果施加高压而不存在负偏电压时，行波管有可能发生毁坏。所以无论出现哪种故障都不可以切断负偏电源，应当确保负偏电源始终维持在工作状态。调制器采用能输出理想波形的MOSFET浮动板调制器，它既可实现脉冲重复频率的大范围变化，又能实现脉冲宽度的大范围变化，具有脉冲波形前、后沿好，驱动电流小，驱动电路简单，能够实现复杂脉冲波形的快速转换等优点。

3.4 控制与保护设计

根据发射机实际情况，选用OMRON公司的CJ1型工业控制器（以下称PLC）作为逻辑控制器，该PLC选用模拟量输入模块，主控需要的模拟量信号通过通讯口送出，在近距离的情况下PLC与主控通过RS422串行接口通讯。监控保护电路本身可靠，故障判断和定位准确，能及时保护贵重元器件（如行波管等），避免虚假的动作，确保每步动作准确有效。

3.5 合理的结构、热与环境适应性设计

行波管发射机相应的高压、高热耗与恶劣的工作环境，促使结构设计、热设计与环境适应性设计显得非常重要。整个发射机柜密封，对散热的要求很高，采用了二次冷却的方式，在机柜的后面装上换热器，通过风扇将机柜内的热风抽到换热器内，使热风和换热器内的散热翅片进行热交换，最后通过水冷将翅片上的热量带走。水冷系统设计成当高温时能够给换热器提供冷水，提高发射机箱的散热效率；当低温的时候能够给换热器提供热水，给发射机箱快速的加热，保证发射机内的关键器件如：PLC、相控整流模块等的正常工作，其中水冷系统能够自动检测水温和环境温度。

4.结束语

本文在提高发射机可靠性的措施从以下几方面着手：完善了密封发射机柜的热设计，降低了器件的结温，提高了行波管和高压电源系统的散热效率；采取适度的功率器件降额使用，提高了冗余度，同时限制打火的能量和电源快速保护，降低打火后对发射机电路产生的应力确保在发生打火后发射机能够重新恢复开机。

参考文献

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作者简介：张伟（1981—），男，贵州毕节人，大学本科，工程师，现供职于中电科第38研究所，研究方向：真空发射技术。