緒論

1.1 研究動機與目的

行波管是一種微波訊號放大設備，主要應用於通訊(Communications)、 電 子 反 制(ECM, Electronic Countermeasure)及 雷 達 系 統 (Radar System) 上，行波管工作時需要高壓電源驅動，高功率行波管則相對需要更高電壓，

本文中行波管陰極電壓規格為-40KV，集極電壓規格為-6KV。由於行波管 轉換效率低，大約 15~50%[1]，因此提供微波放大能量來源的高壓電源供 應器，則必須能提供足夠的功率。除了功率容量之外，行波管對於高壓電 源供應器的穩壓要求亦甚為嚴苛，電壓變動一般在±1%內。若應用於脈波 相位調變的雷達系統，若行波管的工作電壓偏離，則會使其輻射相位角度 偏移，影響輻射微波的品質，而降低雷達的性能[2]。而應用於遠距離快速 移動目標(如戰機、飛彈)之搜索追蹤雷達，其輻射脈波波形更為複雜多變，

脈波輻射可解釋為高壓電源供應器的負載(行波管)隨時間做不同模式的切 換變化(工作週期 1~6%，來複頻 100Hz~5KHz)，這樣劇烈的負載變化，將 造成高壓電源供應器輸出電壓穩定控制的難度，本文的研究重點，即在討 論在脈波波形亦趨複雜的要求下，以不變更原有高壓電源電路架構及電路 元件的前提，針對穩壓控制器部分，提出一種可行有效的前饋補償 (Feed-forward compensation)方法，以解決行波管脈波加載時，造成高壓電源輸 出電壓瞬間陡降過大及電壓擺盪回復穩態時間過長之問題，以提升雷達性 能。

1.2 研究背景與發展概況

評估雷達性能的優劣，主要取決於能否做遠距離目標搜索、快速移動 目標(如飛彈)的搜索追蹤以及雷達截面積甚小的目標(如隱形戰機)偵測等。

而上述之功能主要與輻射脈波波形有關，不同的功能需求，需要不同的脈

波波形，行波管脈波輻射即表示高壓電源供應器的負載在快速切換變動，

一般而言，高頻率、長脈波、高工作比的脈波波形對高壓電源穩壓衝擊最 大，因為長脈波及高工作比脈波會對高壓電源供應器汲取大電流，造成輸 出電壓很大的電壓壓降，而高頻率的脈波，則為快速的負載變動，穩壓相 對不易。在過去，所使用高壓電源供應器還能滿足行波管電源規格，主要 是上述三種脈波相對小且模式少的緣故。

分析原高壓電源控制器無法滿足雷達性能提升後的穩壓要求，其原因為；

1. 原控制器為 PI 控制器型式，因內含積分控制，使得輸出電壓調整必須 隨積分的時間來做誤差修正，因此無法立即將輸出電壓調回原來位準。

2. 為避免行波管高壓啟動時響應過快，造成過大的超越量，而觸發系統設 定的過高電壓保護，因此控制器乃設計使系統成為低頻寬的系統，但低 頻寬的系統對於行波管脈波輻射，所造成的電壓瞬間變化的暫態現象控 制相對不利。

基於上述兩點原因，本研究提議加入一個具有比例控制特性的前饋補 償器，藉以即時輔助行波管脈波輻射時的電壓暫態(擾動)控制。

前饋補償方法常用於需要同時兼顧暫態與穩態性能的應用場合，如本 文的行波管高壓電源供應器，另外也常用在位置控制(Position-Control)的運 動控制或伺服控制，藉由外加的速度前饋(Velocity Feedforward)及加速度前 饋(Acceleration Feedforward)控制路徑來達到快速精確的位置目標[3,4]。由 於高功率行波管電源供應器多為軍事用途，目前在國內業界或學術界很少 有這方面的製作或討論，相關文獻多為低功率為主，討論方向也多集中在 電路架構上，控制器的設計大都採用常見的電壓模式 PWM 控制[5](本文使 用的方法)，或是具有斜率補償的平均電流模式 PWM 控制[6]，雖說電流模 式控制對於脈波式電流負載的控制較優於電壓模式控制，但由於仍需使用 誤差放大器來做頻率補償，故其電壓誤差修正時間太長問題仍會存在，因 此為了達到快速的電壓調整，本文採用前饋控制方法設計一前饋補償器，

配合原系統 PI 控制器做為行波管高壓電源的穩壓控制，以滿足暫態及穩態 響應的性能要求。

1.3 研究方法與系統描述

實驗系統架構如圖 1-1 所示，前饋補償器與原系統控制器並聯組成，

其控制概念為事先設定各輻射脈波工作比的補償電壓(誤差修正量)，然後 在系統下達輻射命令前一段時間，預先傳送脈波工作比編碼資訊，當行波 管開始工作同時送入所需之 PWM 控制量，來迅速對高壓電源供應器高壓 側儲能電容充電，以改善原系統因控制器誤差修正時間緩慢所造成輸出電 壓陡降過大的問題。而原系統控制器則做為微小變動量的修正調整。前饋 補償器可解釋為在操作進行前預測缺陷而對反饋過程施行的控制。

圖 1-1 實驗系統架構圖

在 硬 體 電 路 實 現 之 前 ， 先 建 立 高 壓 電 源 電 路 小 信 號 模 型 ， 之 後 使 用 Matlab/Simulink 軟體進行電路的性能測試，包含穩定度分析、頻域及時域 響應分析，以瞭解原系統控制器的特性以及驗證前饋補償器的控制性能，

做為硬體電路設計的參考。

前饋補償器電路則以 FPGA 來實現；由於半導體微電子積體電路技術 之快速進步，使得上萬個電晶體可以聚集在一小片的矽晶片上。積體電路 之技術由 LSI(Large Sacle Integrated)Circuit 約數千個 Gate，進步到超大型 積體電路 VLSI(Very Large Scale ICs)，在單晶片上的電晶體數目可達數百 萬個。以往從事數位邏輯設計的人，一定都有 TTL 邏輯族的設計經驗，當

數位電路複雜時，所使用之數位邏輯閘亦隨之增多，造成電路板面積增大，

較不易得到可靠的設計，電磁干擾問題(EMI)相對的複雜且困難。現因拜積 體 電 路 快 速 進 步 之 賜 ， 使 得 單 一 元 件 邏 輯 電 路 成 為 可 能 。 例 如 微 處 理 器 (micro－processor)、微控器(micro－controller)、各式特用積體電路(ASIC, Appliclation Specific IC)、PLD(programmable logic device)、CPLD(complex -PLD)及 FPGA(field programmable gate array)…等。設計者可以針對自己的 需要選用一顆 IC 來設計邏輯電路，以解決 TTL 邏輯族在設計複雜電路上 的問題。而且一些可程式的 PLD、CPLD 或 FPGA 等由於具有可程式規劃 之特點，用來做系統的 prototype 驗證，以及取代一些系統設計上 Glue logic 非常有用，再者設計出來的電路具有保密性，被仿冒整個系統電路架構較 為困難，具有保護智慧財產權之功能。

在設計數位積體電路的方法上，已趨向於使用語言描述的設計方法，

讓電腦自動依所寫的硬體描述語言合成其所對應的功能電路，並做電路最 佳化合成，如此可將設計的時程大幅縮短，並大大增加了系統設計的維護 性及修改性。而目前常用的硬體描述語言有 VHDL 及 Verilog……等。

本文使用 FPGA 實驗發展板來實現前饋補償器硬體電路，該發展板使 用一顆 Altera 公司所生產的晶片，該晶片編號為 FLEX PF10KA10LC84-4，

是由 SRAM-Based FPGA 所組成，意思為該晶片有 10000 個 Gate Count，

84 根輸入/輸出腳位，延遲時間為 4ns。原本 VHDL 程式寫完經編譯(complier) 和模擬(simulation)確定無誤後，需經 RS-232 線由 PC 下載程式至 FPGA 裡 的 RAM 中，但當電源關閉後必須重新下載才可使用，或者將程式燒錄至 ROM 中，開機後主動由 ROM 讀取至其內部的 SRAM 中，但因 ROM 僅能 燒錄一次，而且需燒錄儀器才可燒錄，十分麻煩。而此 FPGA 實驗發展板 則 內 含 一 組 可 重 覆 載 入 上 萬 次 程 式 的 “ 串 列 可 電 子 清 洗 ROM(SEEPROM)”，經由 RS- 232 線從 PC 上將程式載入至 SEEPROM 中，

如此當電源關閉後再開啟，FPGA 會自動由 SEEPROM 中讀取架構資料，

再依次寫入 FPGA 中，故只要將實驗板接上電源，FPGA 就會自動做內部 架構設定，如此實驗的過程更加方便及易於修改。

1.4 論文架構

本論文分為五章，第一章介紹整個論文的研究目的與重點，並針對應 用於行波管之高壓電源穩壓控制策略，以及前饋補償方法的發展背景、發 展概況做一扼要說明；第二章則介紹行波管的功用及各部分功能，並列出 行波管的高壓電源規格以及說明高壓電源與行波管微波輻射品質的關係；

第三章針對行波管高壓電源電路之工作原理，穩壓控制方法及穩定度分析 做詳細介紹及探討；第四章說明前饋補償器之設計理論、方法及改善目標；

第五章介紹前饋補償電路的硬體架構與軟體控制架構及進行電路模擬，並 將模擬結果與實測結果做驗證；第六章為結論。