本文介紹了一種星載脈沖行波管放大器的設計方法，主要內(nèi)容為脈沖高壓電源的設計和系統(tǒng)的集成設計，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)過測試表明，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，保護措施完善，具備自動檢測功能等特點，適用于星載應用場合。

　　星載脈沖行波管放大器對體積、效率、重量和可靠性等方面要求苛刻，設計時應綜合考慮器件選型、材料選擇、結構熱設計、控制保護設計和冗余設計等方面。實現(xiàn)上述要求，需要行波管和高壓電源同時達到甚至超過上述要求，并將兩個部分集成為一個整體，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，其主要特點為：功率大、工作頻帶寬寬、增益高和副特性指標易實現(xiàn)等，尤為重要的是行波管可以具有很高的效率。通常采用多級降壓收集極(Multistage　Depressed　Collector)來提高行波管的效率，目前歐美等發(fā)達國家及我國都已實現(xiàn)五級降壓收集極的行波管，收集極效率達到70%以上，行波管的效率從單級降壓收集極的10%左右提升至五級降壓收集極的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，與行波管配套的高壓電源重要性不言而喻。為了實現(xiàn)行波管放大器高指標要求，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計壓力，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用背景，在設計時需要考慮的問題更趨復雜化，例如：交叉調(diào)整率，適應脈沖負載特性，抗短路特性等。

1、主要技術指標

　　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，有著苛刻的指標和環(huán)境適應性要求，通過一體化集成方式將行波管和高壓電源集成一個整體，通過優(yōu)化電源的參數(shù)實現(xiàn)行波管和高壓電源的最佳匹配，最終實現(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，脈沖行波管放大器應具備長期在軌工作能力和狀態(tài)實時回報功能。本文介紹的星載脈沖行波管放大器，其主要指標如表1所示。

表1　星載脈沖行波管放大器主要指標

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信號進行放大，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，形成行波管各級所需的電源。行波管采用的是四級降壓收集極，陰極采用特殊工藝實現(xiàn)長壽命，通過加載和雜波注入等方式實現(xiàn)良好的雜波抑制。星載脈沖行波管放大器構成框圖如圖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，簡化高壓電路的設計難度，陰極和各收集極電壓由高壓逆變電路產(chǎn)生，通過穩(wěn)定陰極電壓，實現(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，陽極電源、輔助電源和柵極導通、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)制開關電路實現(xiàn)。

　　控保電路接受外部控制，按設定程序完成放大器開關機。開機時，低壓逆變電路開始工作，先進入燈絲預熱狀態(tài)，此時陽極電源、柵極截止電源和輔助供電部分開始工作。3min后，高壓逆變電路開始工作，同時產(chǎn)生行波管陰極和各收集極電壓。高壓建立后，柵極調(diào)制器開始工作，啟動行波管。另外，在工作過程中，放大器實時監(jiān)控工作狀態(tài)，實現(xiàn)過欠壓和過溫保護、高壓電源輸出各極間打火保護、過脈沖寬度保護、過占空比保護和螺旋線過流保護等。

3、高壓逆變電路設計

　　高壓電源是脈沖行波管放大器的關鍵組成部分，選擇一種合適的拓撲結構，實現(xiàn)高壓電源的高效率、小體積和高可靠性等顯得尤為重要。為了達到上述目的，高壓電源設計采用基于一種改進后的電流饋電型推挽DC-DC拓撲。該拓撲采用主動嵌位和零電壓開關(ZVS)技術可實現(xiàn)高達94%的效率。圖2為高壓逆變拓撲圖。

圖2　高壓逆變拓撲圖

　　為減小高壓電源的體積和重量，將高壓電源開關頻率設計為100kHz，以減小磁性器件和濾波電路的體積；采用串聯(lián)饋電技術實現(xiàn)陰極和各收集極饋電，串聯(lián)饋電指的是利用一個變換器同時產(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計還應考慮各個收集極電流的差異和收集極電壓對行波管效率的影響，適當設計變壓器，電壓要求敏感的，需與初級保證較好的耦合。

　　本例所涉及的高壓電源輸出電源高達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)對高壓電源的影響，次級采用倍壓整流的方式減小高壓變壓器變比。

4、低壓逆變電路設計

　　低壓逆變電路產(chǎn)生燈絲、柵極導通和截止、陽極電源、輔助電源。燈絲采用浮動穩(wěn)壓技術實現(xiàn)穩(wěn)壓，其它輸出均為從輸出，需進行二次穩(wěn)壓。該部分功率約為20W，為簡化變壓器設計，采用半橋諧振拓撲結構，輸出電壓較高的柵極電源和陽極電源采用倍壓方式實現(xiàn)。該拓撲結構線路簡單，元器件較少，在中小功率電源中應用廣泛。低壓逆變電路拓撲圖如圖3所示。

圖3　低壓逆變拓撲圖

5、柵極調(diào)制器電路的設計

　　柵極調(diào)制器采用浮動板調(diào)制器，包括信號產(chǎn)生單元、隔離變壓器，脈沖整形單元和MOS管組成，主開關管V1控制信號的前沿控制主開關管V1的導通，導通后通過V1的寄生電容C1保持高電平，以維持主開關管的導通，后沿控制主開關管的關斷。截尾前沿控制主開關管V1的關斷和截尾開關管V2的導通。通過主開關管V1和截尾開關管V2的導通和關斷實現(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、控制與保護的設計

　　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關機時序動作，保證在開關機時序正確；②實現(xiàn)供電欠壓保護，高壓欠壓、過壓保護，母線加反保護，行波管打火保護，過功率保護，過脈沖寬度保護，螺流過流保護，占空比保護等功能；③輸出行波管放大器的狀態(tài)信息，如螺旋線電流遙測、輸入總線電流遙測、保護狀態(tài)遙測等。

圖6　控制模塊電路框圖

7、結構設計和熱設計

　　星載脈沖行波管放大器由高壓電源和行波管組成，結構的設計主要針對高壓電源。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)部采用模塊化設計，分為低壓控制電路、低壓逆變電路、高壓逆變電路、浮動燈絲柵極調(diào)制器電路等四部分，各個部分相互獨立，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熱材料整體灌封工藝，發(fā)熱器件均貼底板安裝。設計完成后，高壓電源的體積為280mm×60mm×100mm，行波管體積為280mm×30mm×40mm。在熱設計方面，行波管為四級降壓收集極，效率高達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、測試數(shù)據(jù)與實物

　　星載脈沖行波管放大器進行了完整測試，并進行了長時間連續(xù)工作，性能穩(wěn)定，指標滿足要求，并實現(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。放大器樣品實物見圖7。

圖7　星載脈沖放大器樣品實物圖

9、結束語

　　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‰。行波管采用四級降壓收集極，輸出峰值功率大于800W，效率可達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均滿足要求。測試結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、保護措施完善和副特性指標好等特點，滿足星載應用條件。