系统设计：Ku波段大功率微波源设计与实现

Ku 波段大功率微波源原理框图如图8-15 所示。

图8-1　5 Ku 波段大功率微波源原理框图

系统从功能上进行划分，包含了微波管、固态放大器、脉冲调制器、频率合成器、控制系统、信号处理、接收机、功率传输、馈源网络、天线等单元，下面详细介绍微波管设计、调制器设计和初级储能设计。

1.微波管设计

从参数上进行分析，选择速调管作为系统的微波产生器件，根据速调管使用要求和条件，需要实现1 MW 脉冲输出功率水平，同时尽量减小管子的体积重量，降低工作电压，提高整管效率和增益，提高整管工作的可靠性。该管的设计有以下几个特点。

1）脉冲输出功率大

该管工作在Ku 波段，频率较高，高频电尺寸（谐振腔隙缝、耦合孔、输能窗和波导等）较小，在脉冲输出功率为1 MW 时，高频场强较大，易引起高频击穿。为了实现脉冲输出功率的指标，要求高频部件具有耐击穿的能力，设计时需要尽量增加高频尺寸以及采取相应抑制击穿的措施，而这与提高管子的效率、增益等形成矛盾。

2）低电压、高效率

受到工作环境条件限制，需要尽量降低速调管的体积重量和工作电压。因此，速调管采用多电子注方案；与单注速调管相比，在同等功率水平下，可以极大降低电压和聚焦磁场，较低的工作电压使管子工作更稳定，同时能够减小聚焦磁体的体积重量，有利于系统应用的实现。但是，多电子注电子枪结构较复杂，多漂移通道的高频结构装配、焊接的工艺控制更严格。

3）接近点频工作

该管接近点频工作，对带宽要求不高，高频设计可以侧重考虑尽量提高互作用阻抗，尽可能地提高增益和效率。

4）平均功率小

输出脉冲宽度只有1 μs，工作比仅万分之一，平均功率小，有利于漂移管、腔壁、收集极传导散热，同时，可以采用大负荷阴极，减小阴极尺寸。

综上所述，大功率微波源采用速调管工作模式，便于谐振频率调整；采用多电子注阴极控制方案，永磁聚焦结构，具有体积小、重量轻、电压低、功率大、效率高、稳定性好等优点，有利于减小整机体积重量和提高系统性能。根据速调管功率大、效率高、增益高等技术难点，确定速调管技术方案如下。

（1）采用阴控多注电子枪（6 注），其中阴极为覆膜钡钨阴极。

（2）采用径向充磁的永磁聚焦系统实现电子注聚焦。

（3）高频互作用段采用6 个同轴多注谐振腔。

（4）采用标准波导完成功率馈送，输入输出为盒形窗。

（5）采用外调谐机构优化效率和增益特性。

（6）冷却方式为接触传导自然冷却。

速调管主要技术指标如表8-6 所示。

表8-6　速调管主要技术指标

最终设计的Ku 波段速调管实物图如图8-16 所示。

2.调制器设计

如前文所述，脉冲调制器有刚性开关调制器和线型开关调制器。其中刚管调制器为部分放电型调制器，脉冲宽度可瞬时变化，直接耦合方式的脉冲波形较好，这种调制器适用于脉冲宽度组合较多，大平均功率的系统，存在储能系统较大、抗打火能力较差、整个调制器耐压问题严重、可靠性相对较差的问题。线型调制器为全放电型调制器，脉冲宽度由仿真线确定，宽度不能瞬时变化，变压器耦合的（多数软管调制器采用）脉冲波形相对较差，但仿真线上存储的是一个脉冲的能量，同时仿真线本身有特性阻抗，打火对调制器来说是严重负失配，能量与刚性开关比小很多，抗打火能力很强。同时这种类型调制器一般用变压器耦合，整个系统中唯一的高压端为脉冲变压器次级，可采用油浸或灌封的方式解决，耐压问题比刚性直接耦合容易解决，从而表现出很高的可靠性。对于波形前后沿指标可采用调制套高频的方式来满足输出射频脉冲的指标，如图8-17 所示，即调制脉冲略宽于射频脉冲，在调制电压的平顶阶段加入射频激励，完全可以满足系统前后沿的指标，代价是牺牲部分速调管的直流工作比和效率，通常速调管直流工作比均有余量可满足要求。

图8-1　6 Ku 波段速调管实物图

图8-1　7 高频脉冲套在束脉冲之内

本设计对调制器的可靠性有一定的要求，对于脉冲调制器来说，线型调制器的可靠性较高，这在很多实践中也得到了检验；同时，根据系统所需求的信号形式，本设计的微波源属于高峰值功率窄脉冲低工作比，且脉冲宽度固定，采用线型调制器最为适合。因此本方案采用全固态线型调制器。(www.xing528.com)

根据速调管的使用要求，脉冲调制器的主要电气指标如下。

（1）调制电压：-45 kV。

（2）调制电流：-60 A。

（3）脉冲宽度：2 μs。

（4）脉冲前沿：≤1 μs。

（5）脉冲后沿：≤1 μs。

（6）脉冲平顶时间：≥1.2 μs。

（7）重复频率：100 Hz。

脉冲调制器组成框图如图8-18 所示。

图8-1　8 脉冲调制器组成框图

输入到调制器的100 V 直流电压经过DC/DC 电源升压至500 V，输入回扫充电电源，回扫充电电源接收到充电定时信号后，通过充电变压器为调制器的人工线充电，充电结束后，人工线电压达到精确的设定值，触发器收到放电定时信号后，立刻输出放电触发信号，调制组件的人工线放电，经脉冲变压器升压，输出调制脉冲。其原理如图8-19 所示。

图8-1　9 调制器原理

图8-19 中，V1、V2 是充电开关管，V3、V4 是续流二极管，T1 是充电变压器，V5、V6、T2、C 分别为调制器中的充电二极管、放电开关管、脉冲变压器及人工线电容。

此处设计的充电电路采用了先进的回扫充电技术，采用回扫充电技术具有以下好处。

（1）闭环时，充电精度可达到0.1%，并可方便地调节充电电压。

（2）调制器可承受较大的失配，而不会导致开关管“连通”。

（3）可方便地实现延时充电及改变延时时间。

根据多注速调管参数，电子注电压为45 kV，电子注电流为60 A，可求得速调管静态阻抗RL=Uk/Ik=45×103/60=750（Ω），脉冲变压器变比为n=1/20，得到初级脉冲电压为45×103/20=2 250（V），则人工线充电电压U=2 250×2=4 500（V），求得负载与人工线匹配时人工线特性阻抗为R0=RL/n2=750/400=1.875（Ω），考虑到调制器负失配工作，人工线阻抗取ρ=1.875×1.1≈2.06（Ω），调制器脉宽τ 取2.0 μs（50%处计），人工线电容C0=1/2×τ/ρ≈0.48（μF）。

人工线充电电压为4 500 V，按5 000 V 设计，调制器采用1 600 V，300 A可控硅6 只串联，极限耐压为9 600 V，1 μs 脉冲电流可以拉到2 000 A，远大于初级工作脉冲电流1 200 A。

来自充电变压器的充电电流，经充电二极管给脉冲形成网络（人工线）充电。来自触发器的触发脉冲，经SCR 触发板分成6 路，分别触发SCR 开关组件上的6 个串联的脉冲开关管。脉冲形成网络中的储能，通过已被触发导通的脉冲开关管，输入脉冲变压器，在脉冲变压器初级产生2 200～2 500 V 的脉冲高压，在脉冲变压器次级得到约45 kV 的脉冲高压。SCR 均压板使6 个串联的脉冲开关管均匀分担人工线上的充电电压，并有吸收网络和用于检测每一个开关管好坏的取样电阻。调制器中设计有反峰回路和阻尼回路，防止变压器反峰过高损坏可控硅。

3.初级能源设计

本设计的大功率微波源系统用于地面试验，其初级能源系统仅设计了储能系统，能源供给采用市电变换后的电源系统。

经过前面的分析，采用蓄电池单独作为储能电源具有许多优势，蓄电池的储能大，结构灵活，电流纹波小，是比较理想的电源。但同时，蓄电池的内阻比较大，电流上升时间长，导致脉冲调制器放电效率低。而电容器电源的特点则是结构简单，电流上升时间短，相比之下可以几乎在瞬间上升到峰值，但持续时间比较短。

综上所述，可以采用把电容器与蓄电池组合起来构成混合储能电源，把两种电源并联起来同时给脉冲调制器供电。无源式混合储能系统是将超级电容器组与蓄电池通过无源器件连接组成的，如电感、二极管等。无源器件的工作特性决定了超级电容器组与蓄电池之间的能量流动过程。无源混合储能系统结构简单，没有复杂的电路结构，本设计采用超级电容器组与蓄电池通过二极管连接的无源式混合储能系统作为初级储能系统。其原理框图如图8-20 所示。

图8-2　0 初级电源框图

蓄电池电源部分采用8 个铅酸蓄电池串联而成，蓄电池容量为100 Ah，内阻3.3 mΩ，单个电池最大放电电流不超过100 A。串联后的蓄电池电压实测值为103 V，内阻为26.7 mΩ。蓄电池实物图如图8-21 所示。电容器电源部分采用电容大小为2.2 mF、最大电压为160 V，由20 个电容组成44 mF 的电容器组。两者之间通过并联的大电流二极管来进行连接。

图8-2　1 蓄电池实物图