Ku波段300W固態(tài)發(fā)射機的研制

馬云柱 王海濤 李 磊 陳福媛 楊 斐

(西安電子工程研究所 西安 710100)

1 引言

隨著半導(dǎo)體器件工作頻率向毫米波頻段延伸，固態(tài)發(fā)射機的研制也向越來越高的頻段發(fā)展。自動化、高精度、高頻率、寬頻帶和大功率是固態(tài)發(fā)射機發(fā)展的大趨勢。然而，隨著工作頻率的提高和輸出功率的增大，模塊化技術(shù)、大功率合成技術(shù)、散熱技術(shù)、智能化技術(shù)仍然是固態(tài)發(fā)射機設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)和研究重點。

本文所論述的最新研制成功的Ku波段300W固態(tài)發(fā)射機，其主要特點為:a.模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊，維修方便;b.合成效率高，發(fā)射機合成效率大于93.7%;c.完備的故障檢測與保護系統(tǒng)，可以全天候無人值守工作;d.優(yōu)良的散熱特性。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 主要技術(shù)指標(biāo)

工作頻段:Ku波段

工作帶寬:1GHz

輸出功率≥300W(峰值功率)

脈沖寬度:120μs

占空比:≤30%

射頻輸入信號功率:14dBm±1dB

發(fā)射脈沖上升沿時間:≤50ns

發(fā)射脈沖下降沿時間:≤50ns

頂降≤0.5dB

雜散、相噪與輸入激勵信號相比惡化小于3dB

2.2 發(fā)射機的組成及工作原理

發(fā)射機系統(tǒng)由前級功率放大模塊、波導(dǎo)分路器、末級放大模塊、波導(dǎo)合成器、輸出檢測模塊五個模塊組成(發(fā)射機所需電源由總站提供)。發(fā)射機的組成框圖如圖1所示。

該發(fā)射機的工作原理如下:

在雷達(dá)主控計算機的控制下，來自頻率綜合器的射頻信號(輸入功率約14dBm)，經(jīng)過前級功率放大模塊放大后輸出27dBm，然后經(jīng)過一分四波導(dǎo)功率分配器輸出四路20.6dBm(功分器插入損耗6.4dBm)的射頻信號，分別推動四個末級放大模塊，然后輸出四路80w信號，四路80w信號經(jīng)過波導(dǎo)功率合成器合成，得到大于300W的脈沖輸出功率。

圖1 發(fā)射機原理框圖

輸出檢測模塊的波導(dǎo)環(huán)形器實現(xiàn)發(fā)射機輸出與天線的隔離，同時通過其第三端連接波段耦合器，對發(fā)射機反射功率進行采樣，實現(xiàn)輸出功率的過反射保護，大功率波導(dǎo)定向耦合器對發(fā)射機的輸出功率信號進行耦合采樣，實現(xiàn)發(fā)射機輸出功率和微波包絡(luò)的檢測。

控制與保護系統(tǒng)一方面與雷達(dá)系統(tǒng)主控計算機通信，接收來自雷達(dá)系統(tǒng)的指令，將發(fā)射機的工作狀態(tài)報告給雷達(dá)系統(tǒng)，另一方面與發(fā)射機各組成部分通信，傳遞雷達(dá)系統(tǒng)指令和收集發(fā)射機系統(tǒng)各組成部分狀態(tài)報告，控制系統(tǒng)自動按預(yù)定狀態(tài)和時序及邏輯開關(guān)機，實現(xiàn)檢測和顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，自動按時序和預(yù)定邏輯實現(xiàn)發(fā)射機的故障檢測和自動保護功能。

3 發(fā)射機分系統(tǒng)的研制

3.1 功放模塊的研制

固態(tài)功率放大是全固態(tài)發(fā)射機設(shè)計的核心。功放模塊性能的好壞，將直接影響整個雷達(dá)的電氣性能。該發(fā)射機的功率放大由前級功率放大模塊和末級功率放大模塊兩個部分組成。其中，末級功放模塊是設(shè)計的關(guān)鍵。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，功放模塊應(yīng)該有較大的輸出功率和高的效率，同時也要滿足帶寬、增益和穩(wěn)定性的要求。在兩級功率放大模塊的設(shè)計中，我們選用內(nèi)匹配放大器，同時采用寬帶外匹配電路，保證了發(fā)射機的工作帶寬，而且工作頻點數(shù)和頻點間隔可任意選取。為了提高發(fā)射機的可維修性，前級功放模塊和末級功放模塊設(shè)置了射頻輸入信號、射頻輸出信號、射頻反射信號、電源、模塊溫度的檢測電路，通過指示燈在發(fā)射機前面板直觀顯示，同時將兩級功放模塊的工作狀態(tài)送給發(fā)射機的控制保護系統(tǒng)，實時監(jiān)控放大器的工作狀態(tài)。

在功放模塊的設(shè)計中，由于模塊內(nèi)部射頻電路和直流電路、數(shù)字電路并存且排列緊密，微帶電路間存在著互耦、串?dāng)_、輻射等問題，因此電磁兼容性的設(shè)計至關(guān)重要。在設(shè)計中，利用EDA軟件，采用“場路”結(jié)合的方法對兩級功放模塊存在的電磁兼容問題進行抗干擾設(shè)計;選用新型的電磁屏蔽接插件;采用微波吸收材料減低射頻電路的干擾等措施。并在調(diào)試中反復(fù)試驗，最終取得了滿意的效果。末級功放模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 末級功率放大模塊

3.2 波導(dǎo)功率分配/合成技術(shù)

功率合成有多種方式，其中波導(dǎo)合成器是最傳統(tǒng)的一種合成形式。它具有的功率容量高、損耗小等優(yōu)點是其他任何一種合成方式都無法相比的。作為發(fā)射機最后一級合成，減小損耗、提高合成效率，對最后的功率輸出起著決定性的作用。波導(dǎo)結(jié)構(gòu)特別適合大功率、高效率的功率合成。

在本文中，根據(jù)發(fā)射機的技術(shù)指標(biāo)，我們選用波導(dǎo)功率合成技術(shù)，主要結(jié)構(gòu)是由三個魔T組成一分四的大功率波導(dǎo)功率分配/合成器。模型仿真結(jié)果如圖3，實物照片如圖4所示。在設(shè)計中，首先是模型的選擇和設(shè)計，其次精密的機械加工和高質(zhì)量的電鍍工藝至關(guān)重要，它能夠保證波導(dǎo)合路的均勻性和對稱性，有效抑制高次模的產(chǎn)生。這是波導(dǎo)合成技術(shù)的關(guān)鍵，決定了合成效率。

圖3 波導(dǎo)功率分配/合成器模型及仿真曲線

圖4 波導(dǎo)功率分配/合成器實物照片

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent E8363B進行測試，測試結(jié)果如表1所示。

圖5 發(fā)射機散熱設(shè)計

表1 波導(dǎo)功率分配/合成器(2只)測試數(shù)據(jù)

從表1中可以看出，在設(shè)計的頻率范圍內(nèi)，駐波系數(shù)小于1.32，四路波導(dǎo)魔T輸出端口插入損耗為6.4±0.25dB，相位不平衡度最大為5.4°。從測試結(jié)果看，通過采用波導(dǎo)魔T的方式實現(xiàn)Ku波段功率分配/合成，能滿足Ku波段大功率固態(tài)發(fā)射機功率合成的要求。

3.3 控制保護系統(tǒng)的設(shè)計

該發(fā)射機具有完備的故障檢測功能和自動保護功能?？刂票Ｗo系統(tǒng)主要完成發(fā)射機的控制、監(jiān)測、保護、通訊和顯示功能，包括加斷電時序控制、功放模塊監(jiān)測等。

該固態(tài)發(fā)射機的功率放大模塊工作電流大，控制保護系統(tǒng)需要具有較強的抗干擾能力和穩(wěn)定性?？刂票Ｗo系統(tǒng)的主要功能是監(jiān)測發(fā)射機各個模塊的電源狀態(tài)、功率檢波輸出、功放模塊溫度等參數(shù)，并進行綜合判定，將發(fā)射機的工作狀態(tài)實時上報雷達(dá)總站，保證發(fā)射機穩(wěn)定可靠的工作。

在設(shè)計中，采用CPLD作為控制器，負(fù)責(zé)發(fā)射機內(nèi)加斷電、保護等時序控制，實現(xiàn)發(fā)射機調(diào)制脈沖寬度控制和占空比檢測。硬件采用Altera公司的EPM7160STI100-10，該器件有3200個可用門，160個宏單元，是一個容量不大但信價比較高的可編程邏輯器件。設(shè)計中充分利用Altera公司CPLD的快速準(zhǔn)確特性，圓滿實現(xiàn)了發(fā)射機的控制保護功能。

該控制保護系統(tǒng)不僅能夠屏蔽過寬的脈沖以及過高工作比的脈沖，而且能夠應(yīng)付多達(dá)幾十種射頻脈沖寬度和脈沖重復(fù)頻率的組合。即使主控臺送來的狀態(tài)信號受干擾、出現(xiàn)亂碼或者斷電，發(fā)射機輸入端都不會出現(xiàn)超脈寬或超工作比的射頻信號。

在發(fā)射機調(diào)試和工作過程中，該控制保護系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定，保證了發(fā)射機工作的穩(wěn)定性和可靠性。

3.4 散熱設(shè)計

固態(tài)發(fā)射機中功放模塊的高組裝密度和高發(fā)熱量使得固態(tài)發(fā)射機的散熱設(shè)計成為整機可靠性設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)。根據(jù)設(shè)計指標(biāo)，發(fā)射機的總熱流量為481W，其中1個前級模塊1W，4個末級模塊各120W。發(fā)射機的功耗主要集中在4個末級功放模塊，末級模塊散熱面的熱流密度0.5W/cm2。根據(jù)模塊熱流密度和總體設(shè)計要求，發(fā)射機采用強迫風(fēng)冷的散熱方式。

確定風(fēng)冷的散熱方式后，合理的風(fēng)道設(shè)計至關(guān)重要。針對熱源較集中的特點，在散熱設(shè)計中，為了減小風(fēng)阻，著重從以下幾個方面進行設(shè)計:a.通過機柜四周壁形成封閉的空氣通道;b.4個末級并排放置，上端為進風(fēng)口，下端為風(fēng)機出風(fēng)口;c.離心風(fēng)機抽風(fēng)冷卻，安裝在機柜底部。根據(jù)發(fā)射機所需的通風(fēng)量，選擇PAPST公司的型號為4184NHX的風(fēng)機(2個)。發(fā)射機的風(fēng)道設(shè)計如圖5所示。

利用仿真軟件，在Flotherm仿真平臺上建立仿真模型，對發(fā)射機的獨立風(fēng)道進行溫度特性模擬。仿真模型和仿真的結(jié)果分別如圖6、圖7所示。仿真結(jié)果表明:在環(huán)境溫度50℃情況下，功率放大模塊的最高溫度點為65.4℃.該散熱方式滿足固態(tài)發(fā)射機的熱設(shè)計要求。

此方案設(shè)計的固態(tài)發(fā)射機已經(jīng)順利通過了各種試驗及連續(xù)開機工作測試，發(fā)射機工作穩(wěn)定，證明了該熱設(shè)計的可靠性。

4 整機性能測試

根據(jù)設(shè)計方案，通過對發(fā)射機關(guān)鍵技術(shù)的分析，首部發(fā)射機樣機已經(jīng)成功研制，整機結(jié)構(gòu)圖和實物照片如圖8、圖9所示。在實驗室進行性能指標(biāo)測試時，測試條件包括常溫、高溫和低溫環(huán)境。

4.1 工作帶寬

測試結(jié)果表明;在1GHz帶寬的工作范圍內(nèi)，常溫以及高低溫環(huán)境下，發(fā)射機都能夠穩(wěn)定工作，在工作頻帶內(nèi)輸出功率大于300W。測試結(jié)果表明，在設(shè)計指標(biāo)內(nèi)，該發(fā)射機的相對工作帶寬可以擴展至1.5GHz。

4.2 輸出功率和頂降

發(fā)射機總輸出功率通過四路80W末級功率放大模塊合成實現(xiàn)，測試結(jié)果表明:在工作頻帶內(nèi)，發(fā)射機的輸出功率高于300W。合成效率大于93.7%。發(fā)射脈沖功率的頂降小于0.35dB。

4.3 發(fā)射脈沖的上升沿和下降沿

發(fā)射機采用脈沖調(diào)制方式工作。在常溫及高低溫環(huán)境下，發(fā)射機系統(tǒng)實際測得的上升沿、下降沿均小于30ns。

4.4 相位噪聲惡化

用頻譜分析儀測試發(fā)射機耦合輸出射頻信號，在工作頻帶內(nèi)，發(fā)射相位噪聲變壞小于3dB。

5 結(jié)束語

本文論述的Ku波段高功率固態(tài)發(fā)射機經(jīng)過高溫、低溫，常溫和振動試驗，各項技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到或者優(yōu)于設(shè)計值。該發(fā)射機在實際應(yīng)用中，具有輸出功率大，工作頻率高，工作頻帶寬，可長時間無人值守工作等特點。同時，在發(fā)射機的設(shè)計過程中，作者對涉及的關(guān)鍵技術(shù)如波導(dǎo)大功率合成技術(shù)、散熱技術(shù)、智能化技術(shù)等也進行了較為深入的研究，取得了一定的成果，具有較大的參考價值，為探索固體發(fā)射機向著更高頻率、更大功率、更高度智能化方向發(fā)展提供了有益的借鑒和參考。

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