一种甚低频液冷固态发射机

摘要

本发明公开了一种甚低频液冷固态发射机，包括信号处理系统，信号处理系统输出端串接有功率放大系统，功率放大系统连接有匹配滤波系统，匹配滤波系统连接调谐系统，调谐系统用于信号的调谐处理，并将信号输送至外部发射天线；匹配滤波系统连接有用于调试、检测的假负载；该发射机还包括电源系统、冷却系统、监控管理系统。本发明功率开关器件可以减少损耗，功率合成变压器使用超微晶可增强整机抗雷电、短路、过载等瞬间冲击能力，功率合成方式谐波分量小，对滤波电路压力小，整机谐波指标≤‑60dB，发射机功率放大器、高压电源冷却采用液冷方式，整机噪声减小，提高设备可靠性，延长使用寿命。

权利要求

1.一种甚低频液冷固态发射机，其特征在于，包括用于接收信息数据并将信息数据调制生成模拟射频激励信号的信号处理系统，信号处理系统输出端串接有功率放大系统，功率放大系统连接有用于对功率放大系统的输出信号进行匹配、滤波的匹配滤波系统，匹配滤波系统连接调谐系统，调谐系统用于信号的调谐处理，并将信号输送至外部发射天线；所述匹配滤波系统连接有用于调试、检测的假负载；

该发射机还包括电源系统，电源系统为高压直流电源，分别与所述信号处理系统、功率放大系统、匹配滤波系统、调谐系统连接，用于提供电能；

包括冷却系统，冷却系统采用双循环方式，用于电源系统、功率放大系统的冷却降温，包括一次冷却循环回路、二次冷却循环回路，所述一次冷却循环回路、二次冷却循环回路同时流经用于传递热量的热交换器，所述一次冷却循环回路流经电源系统和功率放大系统进行冷却作业，一次冷却循环回路中的高温水将热量通过热交换器传递至二次冷却循环回路中的低温水，二次冷却循环回路流经至少1台冷却机进行降温；

包括监控管理系统，监控管理系统用于对发射机的控制与保护，对状态进行实时采样，通过显示设备进行展示；

所述功率放大系统包括数字阶梯波发生器，数字阶梯波发生器将模拟射频激励信号转化成按一定时序排列的开关信号，数字阶梯波发生器输出端设有至少1个数字分配器，数字分配器分别连接有若干个功率放大器，功率放大器分别连接有功率合成变压器，功率合成变压器次级互相串联，且连接与所述匹配滤波系统，所述功率合成变压器的磁芯采用超微晶材料；

所述匹配滤波系统包括匹配电路，匹配电路输入端与所述功率放大系统相连，匹配电路输出端连接有滤波回路，滤波回路输出端设有单刀双掷开关，单刀双掷开关一支路连接调谐系统，另一支路连接假负载；

所述调谐系统包括中间槽路，中间槽路输入端与所述匹配滤波系统连接，中间槽路输出端连接有天线耦合单元，天线耦合单元连接有天线调谐亭。

2.根据权利要求1所述的甚低频液冷固态发射机，其特征在于，所述功率放大器采用D类放大器，电路方式采用移相全桥控制，包括四支功率开关管，每支功率开关管不同时开通或关断，开通或关断时间受控。

3.根据权利要求1所述的甚低频液冷固态发射机，其特征在于，所述冷却系统的一次冷却循环回路中设有多个水冷单元，水冷单元设置在所述电源系统和所述功率放大系统中。

4.根据权利要求1所述的甚低频液冷固态发射机，其特征在于，所述电源系统包括至少

1个开关柜，开关柜输入端连接外部的高压电源，开关柜输出端连接有电力变压器，电力变压器连接有至少1个高频开关电源，多个高频开关电源构成组合电源，组合电源设有电源控制柜，高频开关电源分别与所述信号处理系统、功率放大系统、匹配滤波系统、调谐系统连接，提供电能。

说明书

一种甚低频液冷固态发射机

技术领域

[0001] 本发明涉及一种发射机，尤其涉及一种甚低频液冷固态发射机。

背景技术

[0002] 发射机是甚低频发信的核心设备，其性能的好坏直接决定了整个通信系统的通信能力。目前甚低频发射机发展经历了四个时代：

[0003] 第一代是火花发射机；

[0004] 第二代是亚历山德逊交流发射机；

[0005] 第三代是大功率电子管发射机；

[0006] 第四代是全固态发射机。

[0007] 第一、二代发射机均为第二次世界大战前的设备，现在已经不再使用。

[0008] 第三代电子管发射机的优点是单机功率大，缺点是效率不高，一般在大功率台站普遍使用。近年来，电子管发射机技术也在更新，一是真空电子管技术发展迅速，使阴极和连栅损耗降低；二是发射机电路形式的改进，采用D类、E类高效开关放大器提高了整机效率。这使得电子管发射机仍具有很强的生命力，并将得到更大的发展。

[0009] 第四代全固态发射机是所有类型发射机中效率最高的，代表着未来技术的发展方向，其优点如下：

[0010] 1.备班时间短：全固态甚低频发射机没有灯丝，不需预热，可即开即用，非常适宜战时需要。

[0011] 2.效率高：全固态甚低频发射机的开关放大器是所有放大器中效率最高的，可压缩运行和维护的费用。

[0012] 3.操作简单：全固态甚低频发射机的功率放大器是宽带放大，不需调谐。整机可调元件亦比其它类型的发射机少。

[0013] 4.结构标准化、系列化、可维性强：同类模块的电路、结构易于标准化，可替代使用。

[0014] 5.可靠性：发射机中部分功放模件出现故障时，整机可降低功率继续工作。机器寿命长，半导体器件理论上寿命无限，实际上比真空器件长得多。

[0015] 所以，世界各大国均在努力地发展全固态甚低频发射机。

[0016] 现有甚低频固态发射机技术还有如下不足：

[0017] 1.功率放大器采用D类“H”桥式电路，栅极驱动信号为双极性硬开关控制方式，功率开关器件在开关瞬间承受大的电流应力和电压应力，其开通和关断过程损耗较大，高频时尤为显著。功率开关器件采用MOSFET或IGBT，MOSFET通态电阻较大，通态损耗较大，IGBT存在拖尾电流，频率特性差，开关损耗大。现有功率放大器效率≥92％。

[0018] 2.功率输出变压器磁芯采用锰鋅铁氧体，该材料虽然高频损耗较低，但因其饱和磁感应值(Bs)较低，大功率条件下会使磁环的体积和重量比较大，成品率低。此外，铁氧体的居里温度较低，热稳定性差。

[0019] 3.功率合成方式为将若干个功率放大器输出进行同相位幅度叠加，合成后输出波形为方波，谐波分量大，对滤波电路压力大，整机谐波指标≤-45dB。

[0020] 4.发射机功率放大器、高压电源冷却采用强迫风冷方式，噪音大。

[0021] 5.高压电源为集中调压器整流形式，该种电源简单成熟，但效率较低，体积大，控制不方便，负载和电源调整率差，电压调整时间长，一旦出现故障就导致整机无功率输出，可靠性低。

[0022] 6.发射机调谐方式为手动、电动、预置三种，不能自动判断并实时跟踪负载状态变化，需通过人工进行判断、调整。

发明内容

[0023] 本发明的目的解决现有技术问题，提供一种甚低频液冷固态发射机。

[0024] 为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：一种甚低频液冷固态发射机，包括用于接收信息数据并将信息数据调制生成模拟射频激励信号的信号处理系统，信号处理系统输出端串接有功率放大系统，功率放大系统连接有用于对功率放大系统的输出信号进行匹配、滤波的匹配滤波系统，匹配滤波系统连接调谐系统，调谐系统用于信号的调谐处理，并将信号输送至外部发射天线；所述匹配滤波系统连接有用于调试、检测的假负载；

[0025] 该发射机还包括电源系统，电源系统为高压直流电源，分别与所述信号处理系统、功率放大系统、匹配滤波系统、调谐系统连接，用于提供电能；

[0026] 包括冷却系统，冷却系统采用双循环方式，用于电源系统、功率放大系统的冷却降温，包括一次冷却循环回路、二次冷却循环回路，所述一次冷却循环回路、二次冷却循环回路同时流经用于传递热量的热交换器，所述一次冷却循环回路流经电源系统和功率放大系统进行冷却作业，一次冷却循环回路中的高温水将热量通过热交换器传递至二次冷却循环回路中的低温水，二次冷却循环回路流经至少1台冷却机进行降温；

[0027] 包括监控管理系统，监控管理系统用于对发射机的控制与保护，对状态进行实时采样，通过显示设备进行展示；

[0028] 所述功率放大系统包括数字阶梯波发生器，数字阶梯波发生器将模拟射频激励信号转化成按一定时序排列的开关信号，数字阶梯波发生器输出端设有至少1个数字分配器，数字分配器分别连接有若干个功率放大器，功率放大器分别连接有功率合成变压器，功率合成变压器次级互相串联，且连接与所述匹配滤波系统，所述功率合成变压器的磁芯采用超微晶材料；

[0029] 所述匹配滤波系统包括匹配电路，匹配电路输入端与所述功率放大系统相连，匹配电路输出端连接有滤波回路，滤波回路输出端设有单刀双掷开关，单刀双掷开关一支路连接调谐系统，另一支路连接假负载；

[0030] 所述调谐系统包括中间槽路，中间槽路输入端与所述匹配滤波系统连接，中间槽路输出端连接有天线耦合单元，天线耦合单元连接有天线调谐亭。

[0031] 作为本发明的一种改进，所述功率放大器采用D类放大器，电路方式采用移相全桥控制，包括四支功率开关管，每支功率开关管不同时开通或关断，开通或关断时间受控。

[0032] 作为本发明的另一种改进，所述冷却系统的一次冷却循环回路中设有多个水冷单元，水冷单元设置在所述电源系统和所述功率放大系统中。

[0033] 进一步，所述电源系统包括至少1个开关柜，开关柜输入端连接外部的高压电源，开关柜输出端连接有电力变压器，电力变压器连接有至少1个高频开关电源，多个高频开关电源构成组合电源，组合电源设有电源控制柜，高频开关电源分别与所述信号处理系统、功率放大系统、匹配滤波系统、调谐系统连接，提供电能。

[0034] 本发明的有益效果是：

[0035] 1.功率放大器采用D类“H”桥式电路，栅极驱动信号采用移相全桥控制，使功率开关管接近零电压、零点流开关，减小了损耗及功率开关管承受的尖峰电压、电流。功率开关器件，通态电阻及开关特性更佳，驱动功率更小，功率开关器件可以减少70％损耗，新型功率放大器效率≥97％；

[0036] 2.功率合成变压器使用超微晶可以增强整机抗雷电、短路、过载等瞬间冲击能力。

[0037] 3.功率合成方式谐波分量小，对滤波电路压力小，整机谐波指标≤-60dB。

[0038] 4.发射机功率放大器、高压电源冷却采用液冷方式，将整机噪声减小10dB，同时液冷可以保证固态器件管芯温度较强迫风冷低20℃，且温度波动范围小，相对稳定，从而可提高设备可靠性，延长固态器件使用寿命。

附图说明

[0039] 图1为本发明的结构示意图；

[0040] 图2为本发明功率放大系统结构示意图；

[0041] 图3为本发明冷却系统结构示意图；

[0042] 图4为本发明电源系统结构示意图；

[0043] 表1为超微晶与锰锌铁氧体参数对比。

具体实施方式

[0044] 下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

[0045] 如图1所示，一种甚低频液冷固态发射机，包括用于接收信息数据并将信息数据调制生成模拟射频激励信号的信号处理系统1，信号处理系统1输出端串接有功率放大系统2，功率放大系统2连接有用于对功率放大系统2的输出信号进行匹配、滤波的匹配滤波系统3，匹配滤波系统3连接调谐系统4，调谐系统4用于信号的调谐处理，并将信号输送至外部发射天线(图中未示出)；所述匹配滤波系统3连接有用于调试、检测的假负载5；

[0046] 该发射机还包括电源系统6，电源系统6为高压直流电源，分别与所述信号处理系统1、功率放大系统2、匹配滤波系统3、调谐系统4连接，用于提供电能；

[0047] 发射机还包括冷却系统7，如图2所示，冷却系统7采用双循环方式，用于电源系统6、功率放大系统2的冷却降温，包括一次冷却循环回路701、二次冷却循环回路702，所述一次冷却循环回路701、二次冷却循环回路702同时流经用于传递热量的热交换器704，所述一次冷却循环回路704流经电源系统6和功率放大系统2进行冷却作业，一次冷却循环回路701中的高温水将热量通过热交换器704传递至二次冷却循环回路702中的低温水，二次冷却循环回路702流经6台冷却机进行降温。

[0048] 所述冷却系统7的一次冷却循环回路701中设有多个水冷单元703，水冷单元703设置在所述电源系统6和所述功率放大系统7中，进行热量交换。

[0049] 功率放大系统2、电源系统6冷却采用液冷方式，将整机噪声减小10dB，同时液冷可以保证固态器件管芯温度较强迫风冷低20℃，且温度波动范围小，相对稳定，从而可提高设备可靠性，延长固态器件使用寿命。

[0050] 发射机还包括监控管理系统8，监控管理系统8用于对发射机的控制与保护，对状态进行实时采样，通过显示设备进行展示。

[0051] 如图3所示，所述功率放大系统2包括数字阶梯波发生器201，数字阶梯波发生器201将模拟射频激励信号转化成按一定时序排列的开关信号的，数字阶梯波发生器201输出端设有多个数字分配器202，数字分配器202分别连接有若干个功率放大器203，功率放大器
203分别连接有功率合成变压器(图中未示出)，功率合成变压器次级互相串联成为功率合成电路204，且连接与所述匹配滤波系统3，所述功率合成变压器204的磁芯采用超微晶材料。

[0052] 功率放大器仍采用D类“H”桥式电路，栅极驱动信号采用移相全桥控制，使功率开关管不同时开通或关断，并通过控制每只功率开关管的开通或关断时间，使其接近零电压、零点流开关，减小了开关损耗及功率开关管承受的尖峰电压、电流。功率开关器件采用SiC MOSFET和SiC Diode，通态电阻及开关特性更佳，驱动功率更小，功率开关器件可以减少70％损耗，新型功率放大器效率≥97％。

[0053] 功率合成变压器磁芯采用超微晶，该材料具有优良的综合磁性能，集硅钢、坡莫合金、铁氧体的优点于一身，即高磁感、高导磁率、低损耗、及优异的温度稳定性。如表1超微晶的饱和磁感应强度是铁氧体的3倍，同样体积的磁环要比铁氧体输出功率大2倍，同时有更大的抗过载能力。其磁环损耗在20kHz～50kHz的频率范围是铁氧体损耗的1/5～1/2。导磁率是铁氧体的10倍以上，因此激磁功率小，因而也减少了铜损。超微晶的居里温度是570℃，是铁氧体的3倍。功率合成变压器使用超微晶可以增强整机抗雷电、短路、过载等瞬间冲击能力。

[0054] 表1超微晶与锰锌铁氧体参数对比

[0055]

[0056] 如图1所示，所述匹配滤波系统3包括匹配电路301，匹配电路301输入端与所述功率放大系统2相连，匹配电路301输出端连接有滤波回路302，滤波回路302输出端设有单刀双掷开关303，单刀双掷开关303一支路连接调谐系统4，另一支路连接假负载5。

[0057] 功率合成方式为将若干个功率放大器输出进行错相位幅度叠加，合成后输出波形为阶梯波，谐波分量小，对滤波电路压力小，整机谐波指标≤-60dB。阶梯合成是通过将功率放大器输入信号进行移相，功率放大器本身不改变信号相位，达到输出信号错相的效果。功率放大器输入移相信号由阶梯波发生器产生，方法是将模拟信号激励器的正弦电压信号与参考电压用软件的办法相比较得到一系列时间脉冲，即用一定幅值的电压横向切割正弦模拟信号得到阶梯方波开启和关断时间脉冲，再将这些脉冲进行组合得到移相信号。

[0058] 所述调谐系统4包括中间槽路401，中间槽路401输入端与所述匹配滤波系统3连接，中间槽路401输出端连接有天线耦合单元402，天线耦合单元402连接有天线调谐亭403。

[0059] 所述电源系统6包括5组开关柜601，开关柜601输入端连接外部的高压电源，开关柜601输出端分别连接有电力变压器602，每个电力变压器602连接有2个高频开关电源603，多个高频开关电源603构成组合电源605，组合电源605设有电源控制柜604，高频开关电源603分别与所述信号处理系统1、功率放大系统2、匹配滤波系统3、调谐系统4连接，提供电能。

[0060] 高压直流电源是整个发射机正常运行的基础，其通过对电力的转换、传送和分配，完成对发射机中液冷功率放大器等用电设备的供电。主要由开关柜、电力变压器、组合高频开关电源电源等组成，这样可以避免相互干扰，减少集中供电负荷，降低电源设备成本，保证发射机可连续处于待机状态。高压直流电源采用软开关液冷电源，该电源采用高频脉宽调制技术,软开关技术、液冷技术，具有效率高、电磁兼容性好、噪声低、温升低、可靠性高、电气性能优越、体积小、安装方便、维护简单等特点。该电源由多个分布式开关电源模块组成，个别功率模块故障时，可自动退出工作，其它模块仍可保持功率输出，可靠性高。

[0061] 工作流程如下：

[0062] 首先，外接下发的信息数据(报文)到达信号处理系统1，通过此分系统的甚低频信号激励器将数据按要求的工作方式进行调制，生成的模拟射频激励信号送往功率放大系统2。激励器输出的射频模拟信号在功率放大系统2经数字阶梯波发生器201转换成按一定时序排列的开关信号，再通过数字分配器202将这些开关信号进行分组、分配，提供驱动信号给每一个功率放大器203进行功率放大，功率合成电路204再将放大后的信号进行功率合成输出至匹配滤波系统3。匹配滤波系统3对功率放大系统2的输出进行匹配、滤波，实现发信机输出阻抗与假负载5的匹配，并抑制二次及以上谐波。调谐系统4对天线回路进行调谐，最终将输出功率以最有效的状态传送到天线，并通过天线辐射出去。其间电源系统6不间断的对发射机各系统、设备提供供电，冷却系统7为设备提供水冷却，监控管理系统8完成发射机的控制与保护，对状态进行实时采样，对关键状态予以监视，在监控中心进行界面化形式显示。

[0063] 甚低频发射机采用的自动调谐方式为在自动预置的基础上进行自动微调。

[0064] 自动预置：发射机根据甚低频信号激励器设置的频率对匹配滤波系统、调谐系统中的开关、可调电感的位置进行预置。甚低频发射机工作频段为15kHz～40kHz，按每0.5kHz一个点进行开关及可调电感位置信息的存储，预置时直接调用。可根据用户需要，增加预置点。如果用户使用了未存储预置位置的频率点，控制系统将首先按照与其最接近的频率点进行预置，待发射机处于小功率发射状态时再进行微调。

[0065] 自动微调：是一个完整的闭环控制系统，在调谐系统必须的位置设置采样点，采得相应的电压、电流信号。信号处理系统把取来的电压、电流信号处理为自动调谐必须的信号，监控管理系统根据自动调谐算法运行驱动电路，驱动调谐系统不断循环趋近全谐振状态，最终完成调谐。整个发射机的自动调谐要分布进行，调谐时对射频信号的大小需要控制，保证调谐时设备的安全，要做到各部分均谐振的全谐振状态，使系统发挥最大的发射效能。

[0066] 所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。