[发明专利]高电位差环境下进行信号传输及高压隔离的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及电学和光学领域，特别是涉及一种在高电位差环境下进行信号传输及高压隔离的装置及方法。

背景技术

雷达是现代化科技、军事装备中不可缺少的重要手段和武器装备。在雷达发射机中，为了产生需要的射频功率输出，需要使用行波管。行波管保证发射机能够发出足够的微波功率信号，是实现雷达功能的不可替代的核心部件。行波管在负高压上工作，并且在负高压上产生极性不同的偏置电压，同时需要有灯丝电源，以及调制器对行波管偏置电压进行控制。在上述部件的共同工作下，行波管将输入的小功率微波信号放大，产生足够高的功率输出。

对于行波管来说，上述电源部件工作状态的正常与否，直接影响雷达发射机整机系统的性能。如果偏置电压工作参数不正确，没有在给定的范围内工作，将使雷达发射机无法发出额定的微波功率信号，从而导致无法准确探测目标，完成警戒任务；如果灯丝电源工作不正常，产生故障，甚至会使雷达失去微波发射功能，造成雷达瘫痪，给作战和指挥带来重大安全隐患。在有些雷达发射机中，为了实现精确的目标搜寻和定位，需要精确地控制行波管上的偏置电压，其偏置电压的稳定性与雷达发射机的许多关键技术指标有着密切的联系，如相位灵敏度、幅度灵敏度和频谱纯度。当偏置电压不稳定时，不仅相位灵敏度、幅度灵敏度和频谱纯度等技术指标会变差，导致雷达发射机的性能下降，而且，当偏置电压变化过大时，还可能会导致散焦、自激振荡、打火和击穿现象，使雷达发射机损坏，造成重大损失。

因此，在雷达发射机的工作状态下对行波管偏置电源、灯丝电源和调制器等电源部件的工作状态和工作参数进行实时检测显得尤为重要。由于行波管工作时处于负高压，电压高达数十千伏，而行波管工作时需要的正偏电压、负偏电压以及灯丝电源都悬浮在负高压上，给这些部件参数的检测和传输带来困难。特别是现代化的军事用途雷达，由于探测距离和探测精度的不断提高，需要越来越大的发射功率，行波管的工作电位也随之提高，达数十千伏，给行波管的工作参数检测带来更大的困难。

在目前国内的雷达发射机设计中，受高压电位的影响，一般只在调试时用高压棒或模拟电压表对行波管电源的参数进行简单检测，在调试完毕投入使用后便不再对其进行测试，因而工作状态下各电源参数的具体情况无从了解。

由于高电位的特殊性，在雷达发射机中，行波管工作时的各种电参数的实时检测一直是个难题。一方面，在大功率的雷达发射机中，必须使用行波管产生足够的功率输出，行波管作为重要部件发挥着不可替代的作用；另一方面，由于行波管工作时所处的高电位差，对它的工作状态和工作参数的检测和传输难以实现，也就缺乏了对其进行实时监测和控制的手段，使雷达发射机在工作时不能处于完全受控状态，降低了设备的可靠性，增加了设备发生故障的风险。因此，如何实现雷达发射机中行波管工作时参数的实时检测、传输成为亟待解决的问题，迫切需要一种在检测传输信号性能和高压隔离性能方面都有良好性能的高隔离电位信号检测传输方式。

在国内高压隔离电源设计领域中，有利用光纤实现高压电源模拟电压检测、传输的应用。主要原理是在高压端采用压频变换原理将电压信号转换为频率信号，并对频率信号进行电光转换转换为光信号传输。在低压端，再将光信号转换为电信号，将频率信号恢复为电压信号，从而实现检测、传输。这一方式的工作原理示意图如图1所示。

在高压端，模拟电压信号经信号输入电路输入，送入信号调理电路处理后，使用压频变换器件将电压信号转换为频率信号。该信号的频率高低，对应着电压信号的大小。该频率信号经光调制后，转换为光信号送入光纤传输至低压端。在低压端，光接收电路接收光信号，进行光电转换，将光信号转换为电信号，并进行频率解调，恢复为电压信号进行输出。在上述过程中，主要进行了四次转换过程。第一次，是将低压电信号转换为电频率信号；第二次，将电频率信号转换为光信号；第三次，将光信号转换为电频率信号；第四次，将电频率信号恢复为电压信号。

对于触发脉冲信号的传输，在目前的雷达发射机中，均采用隔离变压器实现触发脉冲信号的传输。主要方法是将触发脉冲信号送入一个带有磁芯和线圈的隔离变压器的初级线圈输入端子，利用磁芯和线圈的电信号耦合作用，将电脉冲信号耦合到隔离变压器的次级线圈输出端子。通过增加初级线圈与次级线圈之间的距离实现初级与次级之间的电压隔离，从而实现脉冲信号的传输。

上述利用压频变换原理和光纤传输实现模拟电压信号检测和传输的方法存在以下几个缺点：