新一代天气雷达发射机的设计特性

韩　博，戴广明，姚　敏，吴亚中

(南京电子技术研究所,　南京 210039)



新一代天气雷达发射机的设计特性

韩博，戴广明，姚敏，吴亚中

(南京电子技术研究所,南京 210039)

根据第一代天气雷达发射机在全国各地布网的百余套长期运行过程中暴露出来的技术和维修方面的问题，结合近年来先进电路设计思想和器件应用方法，研制了新一代天气雷达发射机。文中从调制器高压充放电电路模块化设计，新型功率器件在电路中的具体应用，几种特殊形式数据采集电路的分析比较，多种工程实用化的技术优化改进等方面进行了详细的论述，给出具体的应用电路和实物照片，并总结了批量生产发射机设备的设计原则。

天气雷达；发射机；回扫充电；调制器；模块化；数据采集

0　引　言

天气雷达项目是国家气象局全国布网的综合雷达天气预测系统。从1998年合肥站第一台雷达正式运行开始，现在已经完成全国范围内的多台套联网运行，为我国的实时气象观测、灾害天气预警提供了强有力的技术保障。

从研制生产第一套发射机至今已经历十余年时间，共生产百余套。随着批产数量的增加，在生产装配和维护调试工作中逐步暴露出一些问题，用户方面也提出了许多维修方面的宝贵意见。随着近年来国外大功率发射电路(驱动电路、功率电路等)的优化设计和先进器件的发展进步，发射机的设计在很多方面都发生了长足的进步[1]。因此，我们运用新的设计思想和先进器件，对老产品的不足之处进行优化完善，设计了新一代天气雷达发射机。

1　新一代发射机简述

新一代发射机的技术指标如下：

工作频段：S波段

输出功率：≥650kW

脉冲宽度：1.57μs(窄)

4.5μs(宽)

脉冲重频：322Hz～1 282Hz(窄)

317Hz～442Hz(宽)

改善因子：≥57dB

工作时间： 24h连续工作(全年)

发射机的设计思想是技术可靠，保证长期连续稳定运行；具有良好的人机界面，保证无人值守状态下自动运行和监测。

发射机为脉冲多普勒主振放大式速调管模式发射机[2]，地面固定式结构，采用CPI公司大功率S波段速调管，前级为固态组件，调制器为回扫充电式线性调制器(具体电路见文献[3-4])，冷却为大功率风机强制风冷,如图1所示。

发射机对外接口(包括冷却接口、波导接口、电路连接器接口)与老雷达保持一致。内部完全重新设计，包括电路、结构、冷却等方面，下面将发射机的设计特点逐一详细阐述。

2　发射机调制器模块化设计

发射机采用回扫充电线性调制器工作模式，分为高压充电和高压放电两个部分。

高压充电采用400A/1 200V新型第4代IGBT模块作为主开关管，速度快、饱和压降低，双管封装于一个模块内，控制接口和功率接口处于一个水平面上，便于系统集成安装。两个IGBT模块并排放置于散热器上，驱动板安装于模块内部，以最近距离连接，保证其良好的开启关断特性。脉冲电容、RCD吸收网络等集成于一个大型的功率印制板上，再通过大面积敷铜与IGBT模块相连接，构成一个整体的充电开关模块，如图2所示。优点是降低了引线分布电感，大幅度降低了开关应力，减少电磁干扰，保证了模块的可靠性。

图2　高压充电模块示意图

高压放电采用200A/1 200V高频SCR作为主开关管，速度快、抗浪涌能力强，窄脉冲瞬时电流可达10倍余量，扁平封装，便于串联使用。电路中，10只SCR串联安装，每一路驱动电路和均压电路封装于一个独立的驱动模块内，就近安装于SCR的阳极散热板上。检测保护电路作为一个独立的保护模块和每一路SCR相连，实时检测SCR开关管的工作状态，并上报控制板。定时信号和控制信号由外部电路送至控制板，经处理后送到驱动模块，再控制SCR工作，监视放电电流和反峰电流工作状态，遇异常状态则立即关断定时信号并向外报警。反峰电路高压二极管与反峰电阻和SCR串联开关组成反向并联电路。所有上述组件组成一个完整的放电开关模块。

如图3、图4所示,模块分三层，底层是带散热器的SCR开关模块，中层是驱动模块和保护模块，上层是反峰模块，最前方竖直放置的是控制模块。模块尺寸为500mm×210mm×380mm(长×宽×高)，峰值功率为800A/5 000V，工作比为5%，耗散功率约为500W，冷却风量为200M3/h，散热器为铝制材料，工作温升小于20℃。

图3　高压放电模块示意图

图4　高压放电模块展开示意图

放电开关模块合理安排各个组件之间的绝缘距离和通风路径，大幅度提高了电路的功率密度，减少了放电回路的环面电磁干扰，提高了维修的方便性，更换组件从60min缩减为5min，达到最佳工作状态。

3　发射机新器件的应用

发射机在许多原有的设计理念上实现了技术升级，包括用风压传感器代替老式的水银开关，提高了风量报警的准确性，而且有利于环保；用可控硅调压整流模块代替原有的整流桥和笨重的调压器，实现了调试和维修的方便性；用功率模块的组合来代替原有的磁场电源，减轻分机体积、质量2/3；用新一代驱动电路代替老式的EXB841，有效提高了系统的频谱精度。下面来具体说明其中两项。

3.1可控调压整流模块的应用

可控调压整流模块是用大功率可控硅代替二极管，并且将可控硅导通角触发电路集成封装于一体的大功率半导体模块。外部提供一个直流12V稳压电源，输入一个0V～10V的可调电压信号，即可控制导通角从0°～180°全导通的控制。调试过程中只要调节一下面板上的调压电位器即可，省掉了笨重的大功率调压器，非常方便。另一方面，在工作状态下，控制电压同步自动缓慢的从零升压至额定值，则可实现电路的软启动功能，防冲效果比继电器加软启动电阻要好许多，没有任何冲击，而且继电器和软启动电阻也可以省掉，可以算是一举两得，如图5所示。

图5　高压整流模块电路接口图

3.2新型驱动电路的应用

驱动电路采用Agilent公司的高速IGBT驱动光耦HCPL3180，输入电流10mA～20mA，输出电流2A，响应速度200ns，单电源15V供电，DIP8的封装形式，使用非常方便且抗震性能良好。在电路中，开启支路和关断支路参数分别设置，开启驱动电阻阻值较小，使管子在较短时间内迅速导通，减少开关损耗；关断时，泄放电阻阻值较大，使开关管缓慢截止，虽然导致关断损耗增大，但是放电回路的缓慢关断降低了开关应力，大幅度减少了关断时的电压过冲，带来的直接好处是发射机的充电电源稳流精度提高，最终结果是使发射机的相噪杂散指标提高3dB以上[5]。如图6所示，上部为通用驱动电路简图，下部为本文所用开启、关断分别驱动电路简图。

图6　驱动电路示意图

4　发射机优秀的数据采集能力

发射机控制部分包括控制保护板、数据接口板、显示屏等，显示各种工作状态和参数信息。工作状态由控制板直接给出，而工作参数则由数据接口板逐个采集，经过运算放大和模数变换再经滤波算法完成。

发射机内的工作环境极其恶劣，既有简单的低压直流参数，也有复杂的高压脉冲参数，而且还伴有强烈的电磁干扰，采集工作非常困难。下面将三种特殊参数的采集介绍一下。

4.1悬浮电压的采集

电路中经常会碰到悬浮电压状态，例如：交流电整流滤波后的直流、灯丝电源逆变后产生的电压等。此时，如果直接用运放进行采集，会发生电路短路现象，并将采集电路烧毁。因此，需要用电阻或电容串联于电路中进行限流，然后再取中间段电压参数进行采集，如图7所示。

图7　悬浮电压采样示意图

4.2长脉冲电压的采集

调制器的高压充电电压，从10μs～500μs不等，顶部平坦连续，低压端共地连接高压脉冲。如图8所示，此类脉冲的采集，首先选取多路高压无感电阻串联，从最低端取样电阻引出采样，做成电阻分压网络，这样取样波形会发生畸变，但顶部可以测量。为了改善波形，可以在取样电阻两端并联脉冲电容，做成阻容分压网络，这样可以获得比较真实的波形。为了消除波形末期存在的高频振荡，又将脉冲电容更换为RC串联网络，利用RC阻尼电路优化波形，基本达到仪器测试水平。在这种状态下，再通过同步定时信号引导采样时间，即可获得性能良好的峰值采集参数，如图9所示。上部两图为波形末期存在高频振荡的采样波形，下部两图为阻容优化处理后的采样波形。

图8　长脉冲电压采样示意图

图9　长脉冲电压采样波形图

4.3窄脉冲电压的采集

速调管阴极脉冲高压与脉冲电流，宽度在几μs以内，波形极窄，而且存在大量的高频寄生振荡叠加于波形之上。在这种条件下绝对不能使用电容滤波，只能采用共模电感滤波方式将波形采样出来，再通过差分运放将波形进行处理后，通过同步定时和高速AD采样进行采集工作。

5　发射机工程化应用

针对批量生产的发射机设备，在设计方面做了一系列的优化设计[6]，包括：使用大屏幕显示器进行发射机操作，具有良好的人机交互界面；使用可控调压模块进行整流设计，提高了调试的方便性；大功率电路使用通用性军用电连接器代替原自制连接器，减少装配误差；控制电路使用多路扁平电缆和压接型D型连接器，大幅减少机器电装和调试查线时间；采用新型印制板安装保险丝座，保证接触可靠性；油箱采用整体焊接箱体结构，防止油箱渗漏[7]；使用大功率高风压进口风机，降低了噪声，提高了效率[8]。这些设计思路，使发射机在技术指标、装配调试方便性、长时间可靠运行、维修方便性、成本节约等方面获得了调试人员和用户的一致好评。

发射机交付用户使用的两年内一直保持稳定工作状态，各项电性能指标良好，见图10。

图10　发射机结构及关键波形照片

6　结束语

批量生产的雷达设备，在保证技术先进性、可靠性的前提下，优先考虑设备生产的方便性、调试维修工作的高效性，以及用户对设备使用的简单性。这样，可以极大地提高产品设备的生产效率，正确引导调试人员和用户在短时间内掌握设备的使用与维护。

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韩博男，1972年生，高级工程师。研究方向为大功率雷达发射机。

DesignCharacteristicofNewGenerationWeatherRadarTrasnmitter

HANBo，DAIGuangming，YAOMin，WUYazhong

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Accordingtothetechnologyandmaintenanceproblemsexposedonthefirstgenerationweatherradartransmitter,whichareoperatedinlongperiodacrossourcountry,combinedwiththeadvancedcircuitdesignprincipleaswellasthedeviceapplication,thenewgenerationweatherradartransmitterisdesigned.Themodulardesignofhighvoltagecharginganddischargingcircuitofthemodulator,theapplicationofthenovelpowerdevicesintheparticularcircuits,thecomparisonandanalysisofseveralspecificdataacquisitioncircuits,theoptimizationandimprovementofseveralengineeringtechnologyareproposedparticularlyinthispaper.Thedescriptionarealsogivenfollowedwiththespecificcircuitsandphotos.Thedesignprincipleofthetransmitterequipmentinbatchissummarizedlastly.

weatherradar;transmitter;flybackcharging;modulation;modularization;dataacquisition

韩博Email：hanbo_nanjing@163.com

2016-01-17

2016-03-19

TN957.51

A

1004-7859(2016)06-0071-04

·收/发技术·DOI：10.16592/j.cnki.1004-7859.2016.06.017