艦載相控陣雷達電源系統技術探究范文

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摘要:論述了艦載相控陣雷達電源系統設計的幾種電源架構，并闡述對比分析其優缺點。結合項目實例分析了電訊設計的關鍵技術。

關鍵詞:相控陣雷達;電源架構;關鍵技術

0引言

現代高性能相控陣雷達以其獨特特性得到廣泛應用。雷達根據不同需要可裝載在艦艇、汽車、飛機、衛星等平臺上，其中裝載在艦艇上的各種雷達總稱為艦載雷達。采用天線陣列后接T/R組件的相控陣系統使雷達系統的靈活性和可靠性大大提高。天線面陣有低電壓大電流的供電需求。對于艦載相控陣雷達，天線面陣都高高地裝在桅桿頂部。由于受到體積、質量和海上特殊的工作環境條件等諸多因素的限制，電源系統的設計必須做到高可靠性、高功率密度和高效率。高功率密度、高可靠的低壓大電流電源供電系統已成為相控陣雷達的關鍵技術之一。

1電源架構艦載雷達

電源系統將艦載供電電壓變換成各種不同的直流電壓，通過輸電線路傳送到不同的用電負載處，以保證整個雷達正常工作。電源系統是雷達的重要組成，而艦載相控陣雷達電源是給天線面陣的T/R組件供電。相控陣雷達電源基本電源架構有集中式供電和分布式供電兩種，而在兩種基本電源架構的結合基礎上產生了混合式供電。

1．1集中式供電集中式供電是指在一套艦載相控陣雷達設備中，作為一個獨立的整件，電源系統采用AC-DC功率變換將艦載輸入源電壓變換成負載所需的直流電壓，通過直流輸電線路將電壓傳送到負載處。集中式供電實現方式的工作原理圖如圖2所示。集中式供電系統的優點在于方便實現冗余技術，可靠性高，架構簡單，方便統一控制和管理供電。對于艦載相控陣雷達而言，選用集中式供電可以相對減輕桅桿頂部天線面陣的體積和質量。集中式供電系統的缺點如下:(1)熱損耗大。面陣所需的電壓低，總功率大，在大電流的情況下直流輸電線路熱損耗嚴重，線上壓降較大，降低電源系統效率。(2)線纜布線復雜。整個供電都集中在一起，輸入總功率大，低壓輸出電流大，輸出線路多，線纜粗，走線復雜，而且線纜的質量大大地增加了整個雷達系統的質量。(3)負載瞬態響應差。動態響應特性變差，容易引起電壓超調，損壞T/R組件。從靜態角度來看，傳輸線纜有一定的等效電阻，負載電流流經會產生壓降。當壓降大到一定量值時負載端電壓過低。為了使負載電路能正常工作，需要調高電源的輸出電壓來補償，降低了系統效率，對散熱裝置的要求也更加苛刻。從動態角度來看，傳輸線纜有一定的等效電感，若負載電流發生躍變，輸出端將產生電壓偏差，有時偏差過大，負載端電壓無法通過供電電源及時調整。

1．2分布式供電系統各電路的電源相對獨立，減少了大電流傳輸線路，使系統的總效率有一定的提高。架構內通常包含一個AC-DC電源靠近配電。中間母線匹配一定的儲能電容提高一次側電源的動態響應。另用DC-DC模塊放置在PCB板上或者靠近負載點。隔離的DC-DC模塊配合負載工作。每個模塊與周邊器件組合能完成EMI濾波、輸入保護、隔離、穩壓和變壓等功能。與集中式供電系統相比，分布式供電系統具有以下優點:(1)輸出電壓穩定性好，系統效率有一定的提高。由于減少了低電壓、大電流直流輸出線路，線路損耗低，系統效率必然提高。各個負載所需要的電源能就近產生，負載與電源距離近，減少了線路阻抗對調整性能的影響，也減少了干擾信號對負載的影響，因而輸出電壓穩定性較好。(2)適應性強，減少產品種類，便于標準化。由于將整個電源系統化整為零，各部分電源選擇比較靈活，容易實現最佳配置。而且，同一設計方案稍加調整可用于其他系統。(3)電磁兼容性能優越。由于電源比較分散，抑制電磁干擾的方案比較容易實現。由于分布式供電的一對一的方式，一旦某個DC-DC模塊故障，直接導致后部負載無法工作，所以分布式供電的冗余技術難以實現，任務可靠性不高。

1．3混合式供電由于集中式和分布式供電各有利弊，在實際艦載雷達供電系統設計應用中選擇集中式與分布式相結合的方式來得到最優供電方案，為天線面陣提供高品質電能。圖4所示為集中分布相結合的混合式供電方式。在艦載配電附近(艙室內)將交流電進行一次變換成高壓直流進行電能輸送，降低了輸電線路傳輸的損耗，提高系統效率。在桅桿頂部的天線面陣上進行二次功率變換，將高壓直流轉換成低壓直流給T/R組件供電。供電系統一次、二次功率變換都可以進行一定程度的冗余設計。一次電壓變換采用通用電源機柜。電源機柜放置在艙室內，由多臺AC/DC電源組件并聯冗余輸出。根據艦載雷達功率量級不同可以靈活增減電源組件的個數。二次電壓變換中一臺DC/DC組件電源由多個DC/DC電源模塊并聯冗余輸出，給多臺T/R組件供電，提高了整個供電系統的可靠性、靈活性和通用性。單臺AC/DC電源組件包含有源功率因數校正電路設計，提高整個供電系統的電磁兼容性。艙室內環境相比艙室外要好很多，電源機柜可以實現高效電能質量管理、實時狀態監控和顯示，以及全面功能保護和安全防護。

2關鍵技術分析

2．1一次電源系統的諧波電流(THD)和功率因數校正(PFC)艦載三相交流供電進入一次電源后首先經過電磁濾波和三相整流，高次諧波豐富，諧波電流(THD)較大。這不僅污染整個艦載的電網，還會導致用電設備之間的相互干擾，使前端電站功率容量增大。因此，為保證艦載供電系統質量，更有效地利用電能，使得供電系統中的其他用電設備安全可靠地運行，必須采取途徑抑制或消除AC/DC變換器交流側的諧波電流，提高功率因數。目前，已實際應用的功率因數校正拓撲主要包括多脈沖整流和有源功率因數校正。多脈沖整流就是利用不同的繞組聯結方式(如三角形聯結和星形等)構造得到相位不同的電壓矢量，使得網側電流由不同相位的電流矢量疊加而成，最終使得常規三相橋式整流電路網側的方波電流變為疊加而成的階梯波電流。與階梯波合成逆變器的道理相同，根據階梯波抵消原理，當合成電流波形的階梯數越多，即相位不同的電壓矢量數增加、整流脈沖數增多，則對應的電流波形中諧波成份越少，THD越小。有源PFC技術是在整流橋和輸出負載之間接入有源電路拓撲，通過控制拓撲中開關管的動作使得輸入電流波形(幅值和相位)跟蹤輸入電壓，從而達到提升輸入功率因數的效果。目前，實際應用中有源功率因數校正一般采用智能編程DSP三相有源功率校正控制電路。此電路具有高PFC值、低THD值、具有效率高，以及電磁干擾小的特點，同時零件應力較小，質量相對較輕，可以減輕電源的整體質量。

2．2脈沖負載的供電T/R組件負載特性為脈沖負載，而且脈寬和重復周期均可變。射頻脈沖發射期間，若以負載電流的有效值來設計電源是不合理的。通常的做法是該峰值電流由儲能電容器提供，并且應盡量靠近功放組件安裝(最好放在功放組件內部)，以減小電路引線電阻和電感的影響。儲能電容器和功放組件作為電源的負載可以用一個電容器C和一個串聯的電阻R與開關S相并聯來等效。在脈沖期間，開關S是閉合的，負載R所需的很高峰值電流由儲能電容C提供，電容C上產生電壓降。在脈沖間隙內，開關S斷開，電源對C進行再充電。在下一個脈沖到來前，電容器C上電壓又重新被充電到原來的值，等待下一個脈沖到來。

3結束語

電源系統是整個雷達系統正常工作的基礎。雷達輻射的是脈沖電磁波。脈沖負載要求電源有較快的動態響應。同時，艦載雷達系統設備量大，工作環境復雜。復雜的電磁環境中，電源要進行良好的電磁兼容設計。總之，整個艦載相控陣供電電源要解決的技術難題很多。雷達天線陣面陣對電源的體積、質量提出了嚴格要求，電源設計必須合理，達到高可靠性、高功率密度和高效率目的。

參考文獻:

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［3］謝勤嵐，陳紅．分布式開關電源及其實現［J］．艦船電子工程，2005，25(3):120-122，130.

作者：李剛1，陳潔2，吳珩2，周鑫2 單位：1．海軍裝備部信息系統局，2．中國船舶重工集團公司第七二四研究所