大功率固态发射机控保监测系统的设计

2022-12-08迟青松

装备制造技术 2022年9期

迟青松

（青海省广播电视局566台，青海西宁 810001）

0 引言

发射机技术在不断发展，其中固态发射机以其独特的优势被越来越广泛的使用。与传统的电子管发射机相比，固态发射机采用全固态晶体管或场效应管作为放大器，此类器件由于所需的工作电压低，在系统设计时对器件的耐压要求不高，所以可靠性大大提高。通常单个固态放大器的功率很小，所以在大功率输出时采用多个功率模块合成的方式，这种方式的优势在于用于功率合成的功率模块发生个别故障时不影响整体发射机的工作，同时由于功率模块具有可互换性，提高了系统的可维修性。

固态发射机由众多的功率模块组件和开关电源模块组件构成，当所需的合成功率很大时，组件数量也相当可观，作为发射机的控制保护监测系统，当功率模块或电源模块发生故障时，要能精确定位至故障模块，进行相应的故障判定，执行相应的故障操作。目前，控保系统采用的控制方式大致有3类：PLC、CPLD/FPGA、单片机[1]。其中，PLC由于其抗干扰性强的独特优势，几乎是所有高功率电子管发射机控保系统的首选；CPLD/FPGA多用于监测量大、输出控制量大的固态发射机控保系统，使用比较灵活；单片机多用于监测量不高的场合，有接口齐全，设置灵活的优势[2-3]。

1 固态发射机系统组成

本固态发射机系统组成框图如图1所示，它由前级放大功分组件、末级功放组件、八路功率合成器、控制保护监测电路、电源分配组件、冷却系统等组成。

图1 发射机系统组成框图

1.1 前级放大功分组件

前级放大功分组件实现了输入微波信号的初步放大功能，同时经过八路功率分配器输出8路微波信号用于推动末级功放组件。该组件集成了微波电路部分、电源部分、调制器电路等多种功能。

其中微波电路部分采用了单路放大链式设计，并设计有输入、输出耦合电路，用于检测输入、输出功率是否正常。

1.2 末级功放组件

末级功放组件是发射机系统最基本组成部分，同时也是发射机系统最关键的核心部分。末级功放组件的性能直接影响到整个发射机的输出性能。在整个发射机系统中，采用了8个相同的末级功放组件，实现了固态发射机的模块化、通用化设计。末级功放组件内部包含了微波电路部分、电源电路、监测保护电路。其中微波电路由两级共5只相同的微波功率管级联放大、合成而成。电源部分的输入为380 V交流电源，在组件内部完成AC-DC、DC-DC、二次稳压的变换，提供微波晶体管的工作电压。输入适当的激励功率，末级功放组件即可输出不小于1 kW的微波峰值功率。末级功放组件电路原理图如图2所示。

图2 末级功放组件电路原理图

在末级功放组件中，需要将40 W左右的输入信号放大到1 kW以上。具体实现方式是，首先对输入的微波信号进行初步放大，然后将放大后的信号进行1∶4功分，分别推动4只微波功率管，最后进行4路合成。

1.3 功率分配器/合成器

本发射机的脉冲输出功率达5 kW以上，即使末级功放组件的输出功率也在1 kW以上，在L波段，靠单个功率源和单路功率放大很难获得如此高的功率，这就需要采用微波功率合成技术。在理想情况下，总输出功率等于各末级放大器输出功率之和。但实际上，由于功率合成器存在损耗，各路的幅度和相位不可能完全一致，输出总功率比理想情况要小。为了获得较高的合成效率，功率分配器和合成器的各路幅度和相位一致性必须很好，且要求损耗小，各端口应当具有足够的隔离作用，使得各路放大器互不影响。在前级放大功分组件和末级功放组件中均采用了功率分配器和功率合成器。由于该波段中微波信号的1/4波长较长，为了节省空间，分配器以及合成器均采用威尔金森电路，并根据不同情况进行了变形处理，同时在microwave office软件仿真的基础上进行优化设计。在前级放大功分组件和末级功放组件中采用微带形式的功分器和合成器，在八路功率合成器中采用带状线式功率合成器。

该波段发射机中单个末级功放组件的输出功率在1 kW以上，为了实现总输出功率不低于5 kW，采用了带状线式八路功率合成器。通过Ansoft HFSS软件仿真，电气性能满足要求。

1.4 控保监测系统

发射机系统控保电路实现与发射机主控计算机通信，接收来自系统的指令和将发射机的工作状态报告给系统，另一方面实现发射机可更换单元的监测保护，同时实时传送发射机系统输出功率电平值。整个控保组合基本上可分为控制加电部分和监测通讯部分。控制组合实物如图3所示。

图3 控制组合实物图

1.4.1 控保监测电路的作用

（1）控制加电部分：按一定的时序完成发射机的加/断电控制，分为本地/遥控状态。雷达系统加电后，控保电路开始工作，首先风机加电，在收到发射机加电27 V指令后，功放模块加电，在工作电压加电正常后，才允许加调制脉冲；

（2）保护取样部分：完成各信号的取样（控保自身、风机工作电流正常、功放模块工作电压、电流正常、功率模块温度正常、功放模块输出功率正常，功放模块驻波正常），在故障发生时对发射系统进行保护，并且根据设定门限（可调）判断，低于功率门限或在故障发生时对发射系统部分进行保护。体现在一体化末级功放组件中电源部分的过流、过压以及过占空比保护；

（3）监测部分：完成发射机各部分工作状态的监测，并执行与雷达系统的通信任务，接收控制字，回送发射系统的工作状态。监测每个末级功放组件的工作状态，并且送到显控台。同时通过输出功率定向耦合器耦合功率检波，再辅以检波处理电路，实时回报发射机系统输出功率值。

控保电路以可编程控制器为核心，与相应的接口电路配合，实现发射机控制保护和检测显示及通信高度智能化和自动化。

1.4.2 控保监测系统的功能组成

控保监测系统要完成的功能有：开关机的时序加电控制、功率模块的故障监测、电源模块的故障监测、冷却系统的故障监测等。在该发射机系统中由于末级单个功率模块的输出功率很大，其电源模块的脉冲电流也非常大。为了有效抑制大脉冲电流对控保系统的干扰，采用了PLC加PC104的控保体制，在具体的工作中以PLC加电控制为主，PC104监测显示为辅，考虑到监测量数量太多，传统的发光二极管显示和数码管显示方式连线多，硬件设计复杂，可更改性差，本系统采用了液晶屏进行发射机系统状态和故障的显示，因为是用软件编程实现的界面，可更改性大大加强。系统构成如图4～图5所示。

图4 控保系统构成图

图5 PLC控制系统实物图

1.5 技术特点

由于单个功率模块和电源模块的功率很大，模块能否有效散热和对模块的温度监测十分必要，为此在发射机系统设计中共配备了几十个风机和几十个温度继电器用于散热和温度报警，加大了控保系统的控制和监测量；对功率模块的故障监测和判别，要根据同步脉冲、电源状态及功率检波输出进行综合判定；PLC系统与PC104之间采用的通讯接口和协议形式；PC104的数据处理与液晶屏上界面的编程。

2 控保系统设计思路

随着电子技术的发展，当前数字系统的设计正朝着速度快、容量大、体积小、重量轻的方向发展。推动该潮流迅猛发展的就是日趋进步和完善的ASIC设计技术。该发射机控保系统采用的就是PLC可编程器件作为控制核心，其所有的设计过程都可以用计算机来自动完成，这样可缩短系统的设计周期。

输入输出电路采用光耦隔离以抑制发射机系统产生的干扰，电流较大的输出信号采用继电器输出，继电器采用数量尽量少，以保证系统的可靠性。

控制芯片、输入输出电路、时钟电路做在一块印制板电路上，提高了抗干扰能力；状态、故障信号均在面板显示，方便系统调试；电源模块采用朝阳电源模块，体积小，安装简便；继电器安装在同一块金属板上，与控制芯片隔开，不但减小了干扰，而且提高可维性。经过精心策划、反复修改，完成了结构设计。该结构具有下列特点：

（1）布局合理，结构紧凑；

（2）具有良好的散热通路，保证组合有良好的工作环境；

（3）电磁兼容性好。

3 控保系统的具体设计

以某大功率固态发射机为例，说明整个控保监测系统的设计。

（1）硬件构成

该控保监测系统主要检测固态功率模块N个，检测开关电源模块N个，风机M个，温度2N个。系统由PLC组件（含输入输出模块、通讯模块、接口模块等）、接口板、通讯板、PC104主板、液晶屏等组成。

（2）软件设计

软件主要由两个部分组成：PLC控制软件和PC104显控软件。PLC控制软件的编程可以采用梯形图编制，对PC104的控制和界面的编程采用C语言实现。软件界面如图6、图7所示。

图6 监控系统主界面操作图

图7 监控系统模拟量界面图

4 关键技术

4.1 控制程序

控保系统的主要功能就是控制和保护，都是靠烧制在芯片中的控制程序来实现的。发射机开、关机的各种时序关系复杂，发生故障时连锁保护要迅速，因此在程序设计时兼用了图形描述和VHDL语言描述。图形描述的好处是一目了然，各种逻辑关系非常清晰，因此程序的顶层采用图形描述，VHDL语言描述方便形成子模块，而且实现功能强大，将各个功能集成在子模块中后，用图形描述将其联结，就形成了一个完整的控制程序。