X波段固態(tài)功率放大器的研制

楊軍利，張艷妮，馬俊合，黨治國

(陜西黃河集團有限公司設(shè)計研究所，陜西西安 710043)

隨著固態(tài)微波功率管向高頻率、大功率方向的發(fā)展，特別是隨著微波單片集成電路(MMIC)和固態(tài)器件的發(fā)展，微波功率管價格不斷降低，固態(tài)發(fā)射機在某些領(lǐng)域中已逐漸取代電子管發(fā)射機。與電子管發(fā)射機相比，固態(tài)發(fā)射機在降低生產(chǎn)周期、成本、可靠性、維修性及安全性等方面具有明顯優(yōu)勢。固態(tài)發(fā)射機的直流工作電壓低，避免了電子管發(fā)射機中的電磁輻射、高壓打火等問題。固態(tài)雷達發(fā)射機比電子管發(fā)射機更適用于高占空比和大脈寬的工作方式，這些都使得固態(tài)發(fā)射機在某些場合尤其雷達方面替代電子管發(fā)射機已成為一種趨勢。而固態(tài)功率合成放大器是固態(tài)發(fā)射機的核心部分。

文中介紹研制成功的X波段80 W固態(tài)功率合成放大器，其主要特點是:模塊化設(shè)計、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高，冷卻方式采用散熱器強迫冷風(fēng)，為脈沖工作方式。

1 設(shè)計方案

1.1 組成及工作原理

該固態(tài)功率放大器由激勵調(diào)制電路、微帶功率分配電路、4個功率放大組件、功率合成電路、電源及控制保護電路和散熱冷卻系統(tǒng)等部分組成。組成原理如圖1所示。

圖1 固態(tài)功率合成放大器組成原理框圖

激勵調(diào)制電路實現(xiàn)前級放大;微帶功率分配電路實現(xiàn)1/4的功率分配功能;4個功率放大組件實現(xiàn)30 W功率放大功能;功率合成電路由微帶功率合成器和波導(dǎo)功率合成器組成，實現(xiàn)大功率合成功能;控制保護電路主要包括DC/DC轉(zhuǎn)換、偏置電路、電源調(diào)制時序控制、輸出功率電平控制、過熱保護電路等，用于完成固態(tài)功率合成放大器所需正常工作的正負電壓及調(diào)制信號，并由控制電路依據(jù)外部的控制信號完成輸出功率的調(diào)控。整個放大鏈的主要功能是將頻率源送來的信號功率放大到80 W輸出。

1.2 放大鏈設(shè)計

放大鏈主要由調(diào)制開關(guān)、激勵放大器、隔離器、微帶功率分配器、30 W寬帶功率放大組件、微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換和功率合成器等組成，功率合成器包括一級微帶功率合成器和一級波導(dǎo)功率合成器。

來自頻率源的微波信號送入激勵放大器，進行線性放大后，經(jīng)微帶隔離器進入功率分配器，功率分配器將信號同相、等幅分配到30 W寬帶功率放大組件，然后由功率合成器將多路信號合成為大功率輸出。

1.3 微帶功率分配器設(shè)計

功率分配器的作用是將激勵功率以低損耗傳輸方式將功率等幅、同相地分配到多路推動放大級。這部分承載的微波功率較小，對功率容量要求不高，但對介質(zhì)損耗、幅相一致性有較高要求，要求平衡對稱、損耗小、相位一致性好。因此，用微帶電路設(shè)計比較合理。

對比各種介質(zhì)材料，選擇5880介質(zhì)基板作為功率分配器的設(shè)計材料，經(jīng)過對功分器設(shè)計種類進行比較分析，選用成熟工藝，設(shè)計微帶功分器作為功率分配方案，通過多次電路仿真、計算、優(yōu)化，結(jié)果滿足設(shè)計要求。

由于微波實際電路調(diào)試情況與電路的仿真結(jié)果存在偏差，所以在設(shè)計中預(yù)留一定的調(diào)試手段，用以改善放大器各路之間的匹配，以達到理想的調(diào)試結(jié)果。

1.4 波導(dǎo)功率合成器設(shè)計

功率合成器中傳輸?shù)墓β氏鄬^高，必需把握好功率容量、傳輸損耗、合成效率。對于大功率合成器，重點考慮用波導(dǎo)合成:它的優(yōu)點是功率容量大、傳輸損耗小、傳輸效率高;缺點是體積較大。在條件允許的情況下，末級功率合成器首選波導(dǎo)合成。

1.5 1/4、1/16和1/64功率的實現(xiàn)

固態(tài)功率合成放大器的總功率是通過4路30 W功率放大組件合成實現(xiàn)，其中每路放大器的工作狀態(tài)由調(diào)制信號控制，當(dāng)功率控制編碼送入控制電路實現(xiàn)1/4功率時，控制電路切斷任意兩路30 W功率放大組件的電源，當(dāng)其余兩路工作時，其輸出功率為原功率的1/4。

當(dāng)功率控制編碼送入功率控制電路要實現(xiàn)1/16功率時，控制電路使其中任意一路30 W功率放大組件工作，其余3路不工作，這時輸出功率為原功率的1/16。

當(dāng)功率控制編碼送入功率控制電路，實現(xiàn)1/64功率時，在原1/16功率模式下通過改變輸入功率來實現(xiàn)1/64功率。

1.6 偏置及控制保護電路設(shè)計

固態(tài)功率合成放大器所用器件為砷化鎵場效應(yīng)管，其要求開機時，先加?xùn)艠O負壓，后加漏極正壓，關(guān)機時，先關(guān)正壓后關(guān)負壓。否則，場效應(yīng)管會被燒毀。偏置電路設(shè)計必須完成上述加電、關(guān)電過程。

功放調(diào)制電路，主要由調(diào)制開關(guān)，驅(qū)動電路等組成。電源模塊將一次電源轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需要的電壓。調(diào)制開關(guān)產(chǎn)生功率模塊所需的調(diào)制電壓，用于功率放大管的調(diào)制。

控制保護電路主要由差分接收器、CPLD、電平轉(zhuǎn)換器和穩(wěn)壓器等組成。差分接收器接收系統(tǒng)送來的差分信號，并將其分別送至負壓控制開關(guān)和CPLD。CPLD主要完成調(diào)制脈沖的延時、產(chǎn)生相對調(diào)制脈沖延遲的射頻脈沖、并產(chǎn)生1/4、1/16和滿功率輸出控制信號等功能。溫度正常信號、負壓正常信號、高開信號送至CPLD的I/O口。當(dāng)這些信號正常時，CPLD輸出調(diào)制開關(guān)觸發(fā)信號，調(diào)制開關(guān)正常工作。當(dāng)其中一個信號不正常時，CPLD不輸出調(diào)制開關(guān)觸發(fā)信號，調(diào)制開關(guān)不工作。穩(wěn)壓電路用于產(chǎn)生集成塊所需的電源。

1.7 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)功率合成器結(jié)構(gòu)尺寸的要求和具體電路的功耗分析，合成功率放大器熱量集中，散熱面積小，放大器的結(jié)溫為175℃，傳導(dǎo)至殼體上表面溫度不能高于75℃，對電源和其他電路采用自然冷卻即可滿足電路正常工作的要求。但功率合成器必須采用散熱措施，因固態(tài)功率合成器的整個體積限制，采用熱管、水冷，制冷費用較高，體積較風(fēng)冷大。因此采用風(fēng)冷，選用肋片狀散熱片，將冷板與功率合成器殼體制作為一體，減少傳導(dǎo)熱阻，選擇高效風(fēng)機，保證風(fēng)量和風(fēng)壓，具體結(jié)構(gòu)確定后，通過理論計算，確定具體肋片形狀及風(fēng)機型號，以滿足現(xiàn)研制功率合成器散熱要求。

固態(tài)功率放大器最大結(jié)構(gòu)尺寸:230 mm×200 mm×120 mm。結(jié)構(gòu)形式如圖2和圖3所示。

1.8 散熱器設(shè)計

散熱器設(shè)計為冷板結(jié)構(gòu)形式，其第一種方式:散熱器為矩形散熱片，冷流體的流向是單一沿著散熱風(fēng)道方向，其功放散熱結(jié)構(gòu)如圖4所示;第二種方式:散熱器為矩陣式柱狀散熱片，冷流體的流向沿著四面擴散，風(fēng)機為軸流風(fēng)機迎面吹風(fēng)或抽風(fēng)，其功放散熱結(jié)構(gòu)如圖5所示。

經(jīng)過熱設(shè)計計算，比較以上兩種方式可知:第一種方式要保證所需散熱面積，則風(fēng)道要長。優(yōu)點:通風(fēng)流暢;不足:風(fēng)道尺寸長。第二種方式散熱通道短，冷流體溫差低，風(fēng)機、進出風(fēng)口都在風(fēng)道上，表面積和重量都比第一種方式小。不足:進、出流體存在部分倒流，在設(shè)計中考慮導(dǎo)風(fēng)件的處理。經(jīng)過多次仿真分析和計算，結(jié)果表明:選用第二種方式設(shè)計較為合理，能滿足設(shè)計要求。

2 結(jié)果測試

該固態(tài)功率合成放大器通過高溫、低溫和常溫測試，其研制已基本達到設(shè)計指標(biāo)要求。

工作頻率為X波段;輸出峰值功率≥80 W(P1狀態(tài));頂降≤10%;雜散≤-50 dB。

3 結(jié)束語

設(shè)計的固態(tài)功率合成放大器采用多路功率組件合成的形式，各級放大組件性能直接關(guān)系到整個固態(tài)功率放大器的指標(biāo)，因此在設(shè)計時充分考慮到功率冗余。同時，每路都設(shè)計了相位調(diào)整電路，以保證在最后合成時的相位一致性，使合成效率達到最大。試驗結(jié)果表明，該固態(tài)功率合成放大器技術(shù)狀態(tài)穩(wěn)定，工作可靠。

[1]張光義，趙玉潔.相控陣雷達技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2006.

[2]INDER B，PRAKASH B.微波固態(tài)電路設(shè)計[M].2版.鄭新，趙玉潔，劉永寧，等，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

[3]鄭新，李文輝，潘厚忠.雷達發(fā)射機技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2006.

[4]弋穩(wěn).雷達接收機技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2005.

[5]謝擁軍，王鵬，李磊，等.Ansoft HFSS基礎(chǔ)及應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

[6]Ansoft Company.Ansoft designer training overview[M].USA:Ansoft Company，2001.

[7]馬云柱，楊斐，雷國忠.C波段600W固態(tài)發(fā)射機的研制[J].火控雷達技術(shù)，2009，38(2):86-89.

[8]微波工程手冊編譯組.微波工程手冊[M].北京:中國圖書出版社，1972.