C波段多注速调管发射机电子与通信工程专业毕业论文.docx
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C波段多注速调管发射机电子与通信工程专业毕业论文
ABSTRACT
ABSTRACT
AlongwithMulti-BeamKlystron(MBK)technologyintroducefromRussiaandrealizemadeinourcountrylastcentury,Thenewtypepowerdevicealreadyextendedradar、electron-war、telemetry、communicationindustry,MBKisadoptedMulti·Beamtechniquedevelopment,improveefficiencybandwidthproductandreducetheoperatingvoltagegreatly,MBKhasalotofcharacters,such硒broadband、highgainandefficiency,lowoperatingvoltage,lightweight,smallsize,controlgnd,Performanceindexhasmanyadvantagescomparedwiththesinglebeamldystron,SOthat
transmitterschoosemulti-beamklystronasthelastamplifierhavingvarious
performancesasbroadbandandhi曲efficiency.
Thispaperintroducesakindoftransmitterusingmulti-beamklystron.Peakoutputpower160kW、workpulsewidth0.51xs-400ps、repetitionfrequencies50Hz-20kHzvariations.Thefirst,thisarticleentirelyintroducestheradartransmitterdesignprinciple,specialemphasisWasgivenmicrowavetubeandmodulatorprinciple,MBK’Sorigin、developmentactuality.Thesecondpartbasedonthesystemtechnic
targetTheemployingofMBK、high·voltagesupplypower、gridmodulator、charging
circuit、watercoolingsystem、controlcircuitsaredescribedinthepaper,specialemphasisweregivenpowerandmodulator.TheⅡlirdpartbasedonthesystemtechnologyconditionmanufacturedtransmittermanyexperimentations,givingthetestingresults.ThefourpartpoilltedoutitsdeepeetandpresentedsomerecommdatiOIlS.
Thesubjectmostlykeytechnologiesarelistedasthefollowing:
1、TheinvestigationofMBK’Sapplication:
thecharacteristicof咖d、gain、
bandwidth、suppressionstrike、mountandemploy
2、Theseriesconnectionofhighfrequencyswitchingpowersupplyand
commonhi曲voltagepowersupply
3、Thehi.ghvoltage、hi曲frequencyFloatingPlateHardTubeModulator
Thesubjectmostlyinnovation:
1、FirstlyusingMBKintheproduct
2、Themethodofseriesconnectionofhighfrequencyswitchingpowersupply
andcommonhi曲voltagepowersupply
3、Givingoutthemethodofhighfrequency舒dModulator
Ⅱ
ABSlRACT
Keywords:
radartransmitter,Multi-BeamKlystron,Highvoltagepowersupply,GridModulator,PLCprotection
III
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的
。
说明并表示谢意。
关于论文使用授权的说明
本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。
本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
(保密的学位论文在解密后应遵守此规定)
签名:
豹·岁彳.L^导师签名:
日期:
2。
口7年f旧/日
第一章绪论
第一章绪论弟一早瑁T匕1.1微波管雷达发射机介绍
雷达是利用物体对电磁波的反射特性来发现目标并测定目标的距离、方位、高度及速度等参数n’,工作时要求发射一种特定的高频大功率无线电信号,雷达发射机就是为雷达提供这样的载波受到调制的大功率射频信号,经过收发开关和馈线送至天线,由天线聚成波束向空间辐射出去。
1.1.1发射机的特性
发射机的基本组成部件包括射频功率源、调制器和电源三部分瞳1,根据载波产生的不同方法,可以将发射机分成单级自激振荡式和主振放大式两种,根据调制方式的不同,可以分成脉冲式和连续波方式,现按照第一种分类进行叙述。
单级自激振荡式是功率振荡器产生一个受到调制的高功率射频信号并直接送至天线,比较简单,只用于那些性能要求不高的雷达。
主振放大式又可分为级联放大式和功率合成式(或称组合结构放大式),主振放大式发射机的射频链路由小功率的主振荡器和大功率的放大器两部分组成,主振荡器通常采用高稳定的晶体振荡器、频率合成器和直接数字频率合成器产生,可输出频率稳定、信号形式变化灵活、相干性强的射频信号,在现代雷达要求功能越来越多的情况下,有时必须采用主振放大式发射机,本课题采用的就是这种形式,其主要优点总结如下璐1:
(1)由于整个雷达的信号形式统一由信号发生器决定,与发射信号、回波信号以及系统时基信号都有很强的相干性,因此,它有利于区分有用信息和杂波信息,提高雷达的探测能力,同时也有利于采用多只低功率微波管达到高功率合成的目的。
(2)由于主振荡器信号是用低电压小功率数字电路产生的,脉冲宽度、脉冲重复频率、射频瞬时带宽、射频调制方式或射频相位调制方式等信号形式都可以很方便灵活地变换,且其变换速度很快(变换时间可小至11S级),有利于实现雷达的多功能模式。
(3)由于通过提高微波管发射机的性能和提高微波管的各种供电电源的稳定性指标,就可提高发射信号的稳定性,减小杂散输出信号,这有利于提高雷达
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在强背景杂波中检测弱小动目标的能力,获得较高的动目标改善因子。
(4)由于采用脉冲压缩方法易实现宽瞬时带宽,宽脉冲,低峰值功率工作
模式,这有利于减少馈线的高功率打火问题,同时也容易满足高分辨率合成孔径雷达,目标识别雷达、反隐身雷达和雷达抗干扰的诸多要求。
1.1.2发射机的发展
大多数地面雷达是在微波频段按脉冲方式工作的,微波源器件的发展对雷达发射机的形式和电路结构产生深刻影响,上世纪四十年代是雷达发展初期,大功率微波源的器件只有静电控制的三、四极管和磁控管,这个时期单级振荡式发射机占有统治地位,五十年代后由于对雷达测量目标的精度、分辩力和容量的要求更高,促使微波源不仅要提高输出功率,还要适应脉内调频、调相等复杂信号,此时主振放大式发射机有了新发展,主振放大式发射机容易实现脉冲编码(含频率或相位编码)、频率捷变、功率合成等脉冲间全相参性能,而振荡管发射机则不能。
因此主振放大式发射机能用于检测强背景杂波中的微弱动目标信号,可供多种雷达使用;六七十年代,随着各种微波功率晶体管相继问世和集成电路性能日益提高,以微波晶体管为骨干的微波频率合成器在雷达发射机中使用了,在P、L波段出现了全固态的微波雷达发射机,它采用积木式结构,可在开机状态下更换微波发射组件,使雷达的可靠性得到提高。
从现代雷达的需要来看,发射机的发展很大程度上依赖于微波功率器件的进步和成熟,现代雷达有向宽频范围、宽瞬时带宽、低截获概率、长波长、高功率以及多种平台、多应用领域方向发展的趋势,为此要求发射技术固态化、T/R组件化、宽带、多模等多种工作模式,且要求波形捷变、频率捷变等,对于隐身目标除增大探测功率外,还要求大幅度提高信号的质量。
雷达发射机今后的发展方向:
1、继续提高发射机的功率和效率;2、解决宽脉冲和宽频带工作问题3、进一步提高发射机的可靠性、可维性、可用性。
1.2微波真空管的特性和工作特点
发射系统中最主要的部分就是射频功率源,对于脉冲发射机来说就是射频管,射频管按工作原理的不同区分,有静电控制的微波三、四极管,直线电子注微波管(O型管)和正交场微波管(M型管)三种,目前用于发射机的栅极静电控制微波三、四极管工作频率都在1000MHz以下,并且逐渐被微波固态功率器
2
第一章绪论
件所取代;O型管和M型管都属于动态控制的微波电真空器件,该种特性的微波管具有工作频率高、输出功率高、增益高、频带宽、能耐高低温、抗核辐射等优点,它们都包括电子枪(或阴极)、相互作用区间和收集极三部分,O型管的特点是电子枪所产生的电子注呈直线状,在相互作用区间与输入射频信号所形成的射频场相互作用,高频信号对速度均匀的电子注进行速度调制,继而转化成密度调制,使电子群聚,最后使电子群与输出腔中的高频电场进行能量交换,群聚的电子注把从直流场取得的能量交给射频场,使射频信号得以放大,交出能量的电子注以一定的速度打到收集极,被它吸收,而M型管的特点是在管内有彼此正交的直流电场和直流磁场,二者转换能量的方式不同,O型管将电子注的动能转换成射频能量,M型管是将电子注的位能转换成射频能量,由于多注速调管属于直线电子注微波管,现将介绍该类型管的主要性能。
1.2.1直线电子注微波管等效负载特性
在该类型电子注微波管中,由于电子是由电子枪阴极产生的,以直径很细的注流形式从阴极直线高速传播到收集极。
在二极管(阴极调制管)电子枪中,电子注电压与电子注电流呈3/2次方定律关系变化,可表示为:
I=pV3坨(卜1)
式(1.1)中,I为电子注电流,单位为A;P为导流系数,单位为up;U为
阴极对阳极间的电压(注电压),单位为V。
直线电子注微波管的等效负载特性是随阴极电压的增加而减小的,表达式为
RL=l/p.√l-V(1-2)
式(1.2)说明,当导流系数为恒定值,且阴极电压为零时,线性电子注管的等效负载阻抗为无穷大(开路),随着阴极电压的升高,其等效负载阻抗逐步降低,且与电压的平方根成反比。
在控制电极调制的线性电子注微波管中,注电流在零和最大值间变化(注流为截止状态和完全导通状态),即线性电子注管的等效负载特性阻抗呈非线性突变,因此给线性电子注管提供注电压的直流高压电源必须具有很强的负载调节能力以适应这种负载的变化特点。
1.2.2直线电子注微波管分类
电子科技大学:
1i程硕十论文
直线电子注微波管按作用区间的不同可以分为速调管、行波管、行波速调管三种。
速调管是微波管输出功率最高的器件,它的相互作用区间是由若干个分立的腔体组成,腔体之间为漂移空间,腔体通常可调,且具有高的Q值,这种相互作用区间对电子注呈现的耦合阻抗随距离的变化具有脉冲状,速调管具有高的增益,但频带却受到影响,其发展主要在扩展频带和提高效率上。
我国在90年代末在800kw二1MW功率水平上,S波段带宽达到了10%,在高功率单注速调管中,由于阴极电压很高(1MW的单注速调管需90kV左右的注电压),如果在90kV高电位上采用浮动板栅极脉冲调制器,其体积庞大,绝缘和保护困难较大。
所以,.高功率单注速调管大都采用最简单的阴极调制形式,但是这将增加调制脉冲对阴极分布电容的充放电损耗,从而降低调制器效率,尤其在高重复频率工作时更为严重,因此高功率单注阴调速调管大都用在较低脉冲重复频率下。
为了适应灵活多变的信号形式、更高的脉冲重复频率和更高的调制器效率,有时也采用电压较低的阳极调制(阳极放大系数u较大)或栅极调制。
行波管的相互作用区间具有随距离变化的耦合阻抗,其值比速调管低的多,频带宽,带内噪声比较低,但效率低,工作电压比较高,相位调制灵敏度大。
结构上分为螺旋线(含环围、环杆等)和耦合腔两种,耦合腔行波管功率量级可在100kW-200kW之间,螺旋线行波管优势主要体现在宽带,近二十年里,它是发展最快、应用最广的一种器件,在宽频带至倍频程、高效、功率输出和等方面都取得了显著进展。
对于大多数行波管发射机,由于峰值功率较低(200kw以下),工作电压不太高(50kV以下),可采用各种控制电极以获得好的调制波形、复杂多变的信号形式和极小的调制功率。
在大平均功率的耦合腔行波管中,由于栅极的热容量较小,在冷却不太方便的条件下,一般采用阳极调制或聚焦电极调制形式。
在中小功率行波管中,采用阴影栅极调制的较多。
而在小型或微型行波管中,由于栅网很小,加工制作比较困难,因而常采用结构简单的聚焦电极调制形式。
行波速调管具有速调管的输入部分和行波管的输出部分,具有两者的优点,效率较高,通常用于要求功率电平很高而又宽频带的场合。
1.3脉冲调制器的原理和特性
脉冲调制器是发射机的另一重要组成部分,它的主要作用是控制微波管电子注的通断和提供微波管的脉冲能量,控制或激励微波管工作,从而产生所需要的
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第一章绪论
各种脉冲微波源。
为了实现信息保密和提高信号的抗干扰能力,调制信号的形式可以多种多样,如幅度调制、相位调制、频率调制、时间调制以及它们的组合。
在现代雷达发射机中,较多采用频率或相位调制,以便在宽脉冲低峰值功率条件下增加信号带宽以提高距离分辨率。
下面介绍脉冲调制器的主要特点、基本类型和组成H】。
1.3.1脉冲调制器的基本类型及用途
由于各种雷达发射机所选用的微波管种类繁多,相对应的脉冲调制器的种类也比较多,从其工作机理来分,大致可以分成这样两类:
一类是“控制极脉冲调制器",用来控制微波管电子注的:
i影断和调制电子注束流,通常将微波管的栅极、阳极或聚焦极也就通称为控制极,而栅极调制、阳极调制或聚焦电极调制等靠改变微波管控制极的电场来控制电子束的通/断的调制方式就叫做“控制极调制’’,当然,其调制器也就通称为“控制极脉冲调制器’’,这类调制器往往提供调制脉冲
的电流很小,所提供的能量也较小。
采用控制极调制方式工作微波管主要是线性
电子注类微波管,如行波管和速调管等,通常控制极调制器不仅浮在阴极高电位上,而其控制极调制电平以微波管的阴极为参考电平,受控或高、或低的变化,相对于阴极上下浮动,相应地控制极相对于阴极的电场或正偏、或负偏,形成微波管的驱动电压和截止偏压,使电子注导通或截止,所以这类调制器也被称为浮动板调制器。
浮动板调制器输出脉冲波形可以做得很好,前沿和后沿与脉冲宽度无关,脉冲顶降小,可工作在负载脉冲编码或极高脉冲重复频率下,本课题采用的就是该类型调制器。
另一类是“阴极脉冲调制器’’,它一方面调制微波管的电子注,产生射频输出脉冲信号,另一方面提供很高的脉冲功率,为电子注提供能量。
这类调制器通常用于以阴调方式工作的行波管、速调管等线性电子注微波管和磁控管、正交场微波管,这类调制器的特点是需要供较大的功率。
对于确定的微波管而言,选择何种脉冲调制器,完全取决于微波管本身所具有的工作方式。
比如微波管是栅极调制(或是阳极调制、聚焦极调制等控制极调制)的,则应选择控制极脉冲调制器。
该类调制器仅仅控制电子注的通/断,而电子注的能量则由微波管阴极的直流高压电源提供。
1.3.2直线电子注微波管的调制特性
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直线电子注微波管的各种调制电极的性能和调制参数可从表1一l中看出佑1。
在有控制电极(栅极或调制阳极或聚焦电极)的电子枪中,电子注电流不仅受阴极电压的影响,还受各控制电极电压的影响。
表1—1直线电子注微波管各种调制电极性能和参数比较
工作参数阴极调阳极调聚焦电极调控制栅极调截获栅极调阴影栅极制制制制制调制
注流导通电100%UkO0060—400200—500
压(V)
注流截止电0—0.33Ⅸ一一O.I/Z一-0.—0.3£“一O.—-60-—-500—200--500
压(V)一Ⅸ5以4Ⅸ
注流导通放l1-32—102—530-7530—75
大系数
注流截止放01—32—102~530—15030—250
大系数
极电容范围100-5003050一10050~10010-2030—50(pF)
注电流的截0O010%~20%O.1%~1%
获系数
极电容充放最大大较大较大小小电损耗
耐功率极限最大大大大55
(W)
对注电流散无不明显不明显不明显较明显较明显焦影响
寿命长不影响寿不影响寿命易打火,有影受阴极蒸发限受阴极蒸发命响制限制
运用CCTWT,K仰r.KEYTWT,l仍KTWTTWT.01"
LYKLY
1.4多注速调管
1.4.1多注速调管思想
多注速调管是在单注速调管的基础上发展起来的∞1,它的思想起源于法国,随着输出功率的不断提高,单注速调管的效率与电子注的导流系数有近似反比的经验关系,若采用很大的电子注电流,整管效率将太低以致无法工作,所以为了保证一定的效率,减轻管体和收集极的散热压力,单注速调管必须采用越来越高的工
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第一章绪论
作电压,通过提高电子注的加速电压来提高输出功率,但电子注的加速电压又不能无限制的增大,否则电子枪内和输出腔间隙处的电场强度太强会导致击穿,因此,工作电压的提高受到一定的限制,只能采用很高的电子注电流(有些达500A)才能得到很高的输出功率,如何克服很大的电子注电流与高效率之间的矛盾就成为了最关键的问题。
若要大幅提高速调管的效率带宽乘积,就必须在保证不降低群聚效率的情况下大幅提高电子注直流电导,为了解决这一矛盾,多电子注技术的思想就应运而生了。
多电子注技术的思想是采用多个电子注穿过各自独立的通道进行并联工作,其目的就在于既能提高总的电子注导流系数,同时又不会使总的群聚效率下降。
因为虽然很多个电子注的总导流系数很大,但单个电子注的导流系数并不大,这样按照导流系数与效率之间的经验关系,每个电子注的注波转换效率都比较高,从而使整管的效率也比较高。
多电子注技术明显地提高速调管的效率带宽乘积,大幅地降低工作电压,使得多注速调管具有频带宽(8%一15%),增益高(40—50dB),效率高,电压低(约为同等功率单注速调管的1/3—1/2)哺1,重量轻,体积小(由于电压低及可采用永磁聚焦),可栅控工作等一系列优点,其综合性能指标明显优于同等功率电平的宽带速调管,适合于在高机动雷达(如机载雷达)中使用。
图1.1是一种典型的C波段宽带多注速调管结构图曲3,主要包括以下几个部分:
1一电子枪组件;2.输入腔;3.注波互作用段;4。
输出腔;5一收集极;6.输出窗;7.输出滤波器结构;8.输入窗;9.聚焦磁钢组件;10一钛泵。
●●I‘
9
图卜1C波段宽带多注速调管结构图
1.4.2多注速调管的发展过程
60年代初,美国通用电气公司开始研制X波段连续波多注速调管,没有成
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功;前苏联在60年代末,ISTOK和TORY两个机构针对多电子注技术展开深入研究,研制出从L波段到x波段一系列多注速调管n们,但直到90年代才公布其研究成果,后来法国、日本、美国等国相继投入资金和人力开始研究,我国在1992年由中科院电子所开始研制,在1994年研制出S波段大功率宽带多注速调管。
近十年中,借助计算机软件和计算方法的优化设计,多注速调管的效率、功率、带宽等进一步提高,向着超高功率宽带、连续波方向不断发展,表1.2是国内外几种多注速调管的资料u¨。
表1-2国内外几种多注速调管的参数
波段/型号峰值功率平均功率带宽(%)效率生产单位
(kW)(kW)
S波段/KC.572003.58.535%北京电子所C波段/KC.67502.52.135%北京电子所C波段/KC.79200105.225%北京电子所
C波段/KC.921208730%北京电子所C波段/KC.602007.57.335%北京电子所C波段/VE.11191603.2630%北京十二所S波段/vE.111875O.26.325%北京十二所S波段6509lO30%俄罗斯ISTOK
S波段800141230%俄罗斯ISTOK
C波段500174.530%俄罗斯ISTOK
C波段200113.230%俄罗斯ISTOK
1.4.3多注速调管发射机的发展现状
多注速调管发射机的发展与多注管的状况紧密相关,可以说主要由它决定整个系统的设计。
国外如俄罗斯、法国、美国的管子总体水平高于我国,使整个发射机的水平较高,而我国对大功率微波真空管的发展原则是立足于国内,尽量实现国产化,即使在某些指标方面降低要求也很有意义,所以我们在选取微波真空管时以国内现有的、已较为成熟的或已基本成形的型号为主,然后围绕它进行合理的设计,在充分发挥其性能的前提下高效、低成本的研制出发射机。
国内研制多注速调管发射机的厂家主要有南京14所、航天部23所、786厂、724所等单位。
发射机的高压电源一般采用高频开关电源并联输出,调制器为全固态开关管的栅调或阴调,随着现代电力电子器件的技术发展,特别是IGBT
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