L波段大功率放大組件的設(shè)計(jì)
2014-09-01 15:29王華元
新媒體研究 2014年11期
王華元
摘要介紹一種L波段920 W固態(tài)脈沖功率放大組件的工作原理，描述了功放組件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和測(cè)試結(jié)果。該功放組件性能優(yōu)良，工作穩(wěn)定可靠。
關(guān)鍵詞L波段；功放組件；功率管
中圖分類號(hào)：TN925 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）11-0009-02
1概述
固態(tài)發(fā)射機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，特別是雷達(dá)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的快速發(fā)展，更是給固態(tài)發(fā)射機(jī)提供了大量的應(yīng)用場(chǎng)合。脈沖固態(tài)功放組件作為固態(tài)發(fā)射機(jī)的核心部件。固態(tài)功放組件與電子管相比有一些突出的優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、工作壽命長(zhǎng)；工作電壓低，可靠性高；系統(tǒng)效率高[1]。
本文介紹一種L波段920 W大功率固態(tài)功率放大組件。其主要特點(diǎn)為可靠性高，輸出功率帶內(nèi)起伏小，抗振特性好等特點(diǎn)。
2設(shè)計(jì)目標(biāo)
L波段920 W固態(tài)功率放大組件的主要技術(shù)指標(biāo)如下：
工作頻率：f0±10 MHz；
輸入峰值功率：13 W±0.5 dB；
輸出峰值功率：≥920 W；
脈沖寬度：≤10 μs；
工作比：≤10%。
3系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 組件工作原理
實(shí)現(xiàn)功率從13 W輸入到920 W輸出的功率放大，并完成組件自身工作狀態(tài)的指示、回饋以及故障保護(hù)。
該末級(jí)組件由一個(gè)輸出70 W左右的功率管通過(guò)降壓、衰減至50W后推動(dòng)一個(gè)290 W輸出功率管，以此輸出再推動(dòng)四個(gè)290 W功率管，進(jìn)行四合一功率合成，輸出脈沖峰值功率約920W。除了完成上述射頻鏈路外，該固態(tài)組件內(nèi)部還有BITE電路。用來(lái)對(duì)組件的工作狀態(tài)進(jìn)行判斷和保護(hù)，組件的原理框圖見圖1。
圖1組件原理框圖
3.2 電壓調(diào)整及BITE
電壓調(diào)整電路的作用是根據(jù)中間級(jí)功率管所需輸入功率大小，通過(guò)調(diào)節(jié)70W放大器單管的工作電壓進(jìn)而控制其輸出予以完成。電壓調(diào)整由LM117K三端穩(wěn)壓塊完成。
組件BITE的作用是完成該組件的狀態(tài)檢測(cè)、保護(hù)、指示和回饋。因輸出脈沖最窄只有0.4 μS，對(duì)電路中的視頻運(yùn)放和比較器的速度應(yīng)有相關(guān)要求。
過(guò)溫檢測(cè)由安裝在組件內(nèi)的一個(gè)溫度繼電器完成，在檢測(cè)點(diǎn)溫度高于65℃時(shí)，給出低電平作過(guò)熱故障。耦合、檢波后的視頻脈沖信號(hào)在BITE電路內(nèi)經(jīng)放大、比較電路完成對(duì)所給信號(hào)的判斷，以確定組件是否工作正常，并能將這些狀態(tài)通過(guò)光耦送給發(fā)射監(jiān)控，同時(shí)在BITE板上通過(guò)發(fā)光二極管給出相應(yīng)的狀態(tài)指示。
考慮組件密封，用于狀態(tài)指示的發(fā)光二極管并沒(méi)有常規(guī)的做法安裝在組件面板，但為了方便調(diào)機(jī)，用小型發(fā)光二極管放在BITE板上。
BITE電路判斷組件有過(guò)溫、過(guò)壓、欠壓中的任何一個(gè)故障時(shí)都將通過(guò)上述的LM117K三端穩(wěn)壓塊關(guān)斷70 W放大器的工作電壓，達(dá)到保護(hù)組件的目的。
3.3 電容量的選擇
固態(tài)功放組件在脈沖工作時(shí)，儲(chǔ)能電容必不可少，且為滿足脈沖頂降要求，電容量應(yīng)較大。
選擇允許脈沖內(nèi)工作電壓下降1.5%，可以通過(guò)下式求得儲(chǔ)能電容量為：
計(jì)算儲(chǔ)能電容量時(shí)，電源電壓取+40 V，τ=6.4 μS。
表1列出了功放模塊對(duì)電源和儲(chǔ)能電容的要求。計(jì)算按最大值進(jìn)行。
表1各級(jí)功率管電容量需求
功率管 第一級(jí) 第二級(jí)
輸出峰值功率 70 W 290 W×5
工作電壓 40 V 40 V
峰值電流(單管) 4 A 20 A×5
峰值電流(總電流) 4 A 100 A
脈寬 6.4 μS 6.4 μS
儲(chǔ)能電容量 43 μF 1067 μF
因?yàn)榻o工作方式為脈沖的微波功率管供電的電解電容處于不斷的沖/放電過(guò)程，故要選擇可靠性高，等效內(nèi)阻小的電容。此設(shè)計(jì)選用的5個(gè)290 W功率管選用三個(gè)63 V-680 μF鋁電解電容，而70 W功率管則選用63 V-150 μF鋁電解電容一個(gè)。
3.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)
計(jì)中盡量采用較成熟的技術(shù)和模塊化的設(shè)計(jì)思想，為了提高發(fā)射系統(tǒng)的可靠性，減小因外界環(huán)境引入的干擾，對(duì)組件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，這些優(yōu)化設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在：
1）優(yōu)化組件的功率增益分配，避免過(guò)高的增益導(dǎo)致組件內(nèi)部產(chǎn)生的電磁兼容等問(wèn)題。
2）四個(gè)290 W單管放大器單元的驅(qū)動(dòng)級(jí)輸出采用衰減器控制輸入，保證了驅(qū)動(dòng)功率在合理范圍，提高可靠性。
3）針對(duì)電磁兼容問(wèn)題在組件內(nèi)合成時(shí)使用帶狀線功率合成器，同時(shí)也降低了合成損耗。
3.5 研制結(jié)果
經(jīng)過(guò)測(cè)試，L波段920 W固態(tài)脈沖功率放大組件上升沿小于150 ns，效率大于40%，其實(shí)物外形圖如圖2所示，其輸出測(cè)試結(jié)果如表2所示。
圖2L波段920 W固態(tài)脈沖功率放大組件實(shí)物外形圖
表2L波段920 W固態(tài)脈沖功率放大組件測(cè)試結(jié)果
頻率 f0-10 MHz f0 f0+10 MHz
輸出功率（W） 1120 1100 1080
脈沖頂降（dB） 0.2 0.21 0.21
4結(jié)論
L波段920 W固態(tài)脈沖功率放大組件測(cè)試結(jié)果滿足系統(tǒng)指標(biāo)。它具有效率高、可靠性好和易于操作等優(yōu)點(diǎn)。目前，該功率放大器已成功應(yīng)用于某雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)，并達(dá)到了良好的應(yīng)用效果。
參考文獻(xiàn)
[1]L波段窄脈寬500 W固態(tài)功放組件的設(shè)計(jì)[J].電子對(duì)抗技術(shù)，2004（11）.
endprint
摘要介紹一種L波段920 W固態(tài)脈沖功率放大組件的工作原理，描述了功放組件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和測(cè)試結(jié)果。該功放組件性能優(yōu)良，工作穩(wěn)定可靠。
關(guān)鍵詞L波段；功放組件；功率管
中圖分類號(hào)：TN925 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）11-0009-02
1概述
固態(tài)發(fā)射機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，特別是雷達(dá)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的快速發(fā)展，更是給固態(tài)發(fā)射機(jī)提供了大量的應(yīng)用場(chǎng)合。脈沖固態(tài)功放組件作為固態(tài)發(fā)射機(jī)的核心部件。固態(tài)功放組件與電子管相比有一些突出的優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、工作壽命長(zhǎng)；工作電壓低，可靠性高；系統(tǒng)效率高[1]。
本文介紹一種L波段920 W大功率固態(tài)功率放大組件。其主要特點(diǎn)為可靠性高，輸出功率帶內(nèi)起伏小，抗振特性好等特點(diǎn)。
2設(shè)計(jì)目標(biāo)
L波段920 W固態(tài)功率放大組件的主要技術(shù)指標(biāo)如下：
工作頻率：f0±10 MHz；
輸入峰值功率：13 W±0.5 dB；
輸出峰值功率：≥920 W；
脈沖寬度：≤10 μs；
工作比：≤10%。
3系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 組件工作原理
實(shí)現(xiàn)功率從13 W輸入到920 W輸出的功率放大，并完成組件自身工作狀態(tài)的指示、回饋以及故障保護(hù)。
該末級(jí)組件由一個(gè)輸出70 W左右的功率管通過(guò)降壓、衰減至50W后推動(dòng)一個(gè)290 W輸出功率管，以此輸出再推動(dòng)四個(gè)290 W功率管，進(jìn)行四合一功率合成，輸出脈沖峰值功率約920W。除了完成上述射頻鏈路外，該固態(tài)組件內(nèi)部還有BITE電路。用來(lái)對(duì)組件的工作狀態(tài)進(jìn)行判斷和保護(hù)，組件的原理框圖見圖1。
圖1組件原理框圖
3.2 電壓調(diào)整及BITE
電壓調(diào)整電路的作用是根據(jù)中間級(jí)功率管所需輸入功率大小，通過(guò)調(diào)節(jié)70W放大器單管的工作電壓進(jìn)而控制其輸出予以完成。電壓調(diào)整由LM117K三端穩(wěn)壓塊完成。
組件BITE的作用是完成該組件的狀態(tài)檢測(cè)、保護(hù)、指示和回饋。因輸出脈沖最窄只有0.4 μS，對(duì)電路中的視頻運(yùn)放和比較器的速度應(yīng)有相關(guān)要求。
過(guò)溫檢測(cè)由安裝在組件內(nèi)的一個(gè)溫度繼電器完成，在檢測(cè)點(diǎn)溫度高于65℃時(shí)，給出低電平作過(guò)熱故障。耦合、檢波后的視頻脈沖信號(hào)在BITE電路內(nèi)經(jīng)放大、比較電路完成對(duì)所給信號(hào)的判斷，以確定組件是否工作正常，并能將這些狀態(tài)通過(guò)光耦送給發(fā)射監(jiān)控，同時(shí)在BITE板上通過(guò)發(fā)光二極管給出相應(yīng)的狀態(tài)指示。
考慮組件密封，用于狀態(tài)指示的發(fā)光二極管并沒(méi)有常規(guī)的做法安裝在組件面板，但為了方便調(diào)機(jī)，用小型發(fā)光二極管放在BITE板上。
BITE電路判斷組件有過(guò)溫、過(guò)壓、欠壓中的任何一個(gè)故障時(shí)都將通過(guò)上述的LM117K三端穩(wěn)壓塊關(guān)斷70 W放大器的工作電壓，達(dá)到保護(hù)組件的目的。
3.3 電容量的選擇
固態(tài)功放組件在脈沖工作時(shí)，儲(chǔ)能電容必不可少，且為滿足脈沖頂降要求，電容量應(yīng)較大。
選擇允許脈沖內(nèi)工作電壓下降1.5%，可以通過(guò)下式求得儲(chǔ)能電容量為：
計(jì)算儲(chǔ)能電容量時(shí)，電源電壓取+40 V，τ=6.4 μS。
表1列出了功放模塊對(duì)電源和儲(chǔ)能電容的要求。計(jì)算按最大值進(jìn)行。
表1各級(jí)功率管電容量需求
功率管 第一級(jí) 第二級(jí)
輸出峰值功率 70 W 290 W×5
工作電壓 40 V 40 V
峰值電流(單管) 4 A 20 A×5
峰值電流(總電流) 4 A 100 A
脈寬 6.4 μS 6.4 μS
儲(chǔ)能電容量 43 μF 1067 μF
因?yàn)榻o工作方式為脈沖的微波功率管供電的電解電容處于不斷的沖/放電過(guò)程，故要選擇可靠性高，等效內(nèi)阻小的電容。此設(shè)計(jì)選用的5個(gè)290 W功率管選用三個(gè)63 V-680 μF鋁電解電容，而70 W功率管則選用63 V-150 μF鋁電解電容一個(gè)。
3.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)
計(jì)中盡量采用較成熟的技術(shù)和模塊化的設(shè)計(jì)思想，為了提高發(fā)射系統(tǒng)的可靠性，減小因外界環(huán)境引入的干擾，對(duì)組件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，這些優(yōu)化設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在：
1）優(yōu)化組件的功率增益分配，避免過(guò)高的增益導(dǎo)致組件內(nèi)部產(chǎn)生的電磁兼容等問(wèn)題。
2）四個(gè)290 W單管放大器單元的驅(qū)動(dòng)級(jí)輸出采用衰減器控制輸入，保證了驅(qū)動(dòng)功率在合理范圍，提高可靠性。
3）針對(duì)電磁兼容問(wèn)題在組件內(nèi)合成時(shí)使用帶狀線功率合成器，同時(shí)也降低了合成損耗。
3.5 研制結(jié)果
經(jīng)過(guò)測(cè)試，L波段920 W固態(tài)脈沖功率放大組件上升沿小于150 ns，效率大于40%，其實(shí)物外形圖如圖2所示，其輸出測(cè)試結(jié)果如表2所示。
圖2L波段920 W固態(tài)脈沖功率放大組件實(shí)物外形圖
表2L波段920 W固態(tài)脈沖功率放大組件測(cè)試結(jié)果
頻率 f0-10 MHz f0 f0+10 MHz
輸出功率（W） 1120 1100 1080
脈沖頂降（dB） 0.2 0.21 0.21
4結(jié)論
L波段920 W固態(tài)脈沖功率放大組件測(cè)試結(jié)果滿足系統(tǒng)指標(biāo)。它具有效率高、可靠性好和易于操作等優(yōu)點(diǎn)。目前，該功率放大器已成功應(yīng)用于某雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)，并達(dá)到了良好的應(yīng)用效果。
參考文獻(xiàn)
[1]L波段窄脈寬500 W固態(tài)功放組件的設(shè)計(jì)[J].電子對(duì)抗技術(shù)，2004（11）.
endprint
摘要介紹一種L波段920 W固態(tài)脈沖功率放大組件的工作原理，描述了功放組件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和測(cè)試結(jié)果。該功放組件性能優(yōu)良，工作穩(wěn)定可靠。
關(guān)鍵詞L波段；功放組件；功率管
中圖分類號(hào)：TN925 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）11-0009-02
1概述
固態(tài)發(fā)射機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，特別是雷達(dá)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的快速發(fā)展，更是給固態(tài)發(fā)射機(jī)提供了大量的應(yīng)用場(chǎng)合。脈沖固態(tài)功放組件作為固態(tài)發(fā)射機(jī)的核心部件。固態(tài)功放組件與電子管相比有一些突出的優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、工作壽命長(zhǎng)；工作電壓低，可靠性高；系統(tǒng)效率高[1]。
本文介紹一種L波段920 W大功率固態(tài)功率放大組件。其主要特點(diǎn)為可靠性高，輸出功率帶內(nèi)起伏小，抗振特性好等特點(diǎn)。
2設(shè)計(jì)目標(biāo)
L波段920 W固態(tài)功率放大組件的主要技術(shù)指標(biāo)如下：
工作頻率：f0±10 MHz；
輸入峰值功率：13 W±0.5 dB；
輸出峰值功率：≥920 W；
脈沖寬度：≤10 μs；
工作比：≤10%。
3系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 組件工作原理
實(shí)現(xiàn)功率從13 W輸入到920 W輸出的功率放大，并完成組件自身工作狀態(tài)的指示、回饋以及故障保護(hù)。
該末級(jí)組件由一個(gè)輸出70 W左右的功率管通過(guò)降壓、衰減至50W后推動(dòng)一個(gè)290 W輸出功率管，以此輸出再推動(dòng)四個(gè)290 W功率管，進(jìn)行四合一功率合成，輸出脈沖峰值功率約920W。除了完成上述射頻鏈路外，該固態(tài)組件內(nèi)部還有BITE電路。用來(lái)對(duì)組件的工作狀態(tài)進(jìn)行判斷和保護(hù)，組件的原理框圖見圖1。
圖1組件原理框圖
3.2 電壓調(diào)整及BITE
電壓調(diào)整電路的作用是根據(jù)中間級(jí)功率管所需輸入功率大小，通過(guò)調(diào)節(jié)70W放大器單管的工作電壓進(jìn)而控制其輸出予以完成。電壓調(diào)整由LM117K三端穩(wěn)壓塊完成。
組件BITE的作用是完成該組件的狀態(tài)檢測(cè)、保護(hù)、指示和回饋。因輸出脈沖最窄只有0.4 μS，對(duì)電路中的視頻運(yùn)放和比較器的速度應(yīng)有相關(guān)要求。
過(guò)溫檢測(cè)由安裝在組件內(nèi)的一個(gè)溫度繼電器完成，在檢測(cè)點(diǎn)溫度高于65℃時(shí)，給出低電平作過(guò)熱故障。耦合、檢波后的視頻脈沖信號(hào)在BITE電路內(nèi)經(jīng)放大、比較電路完成對(duì)所給信號(hào)的判斷，以確定組件是否工作正常，并能將這些狀態(tài)通過(guò)光耦送給發(fā)射監(jiān)控，同時(shí)在BITE板上通過(guò)發(fā)光二極管給出相應(yīng)的狀態(tài)指示。
考慮組件密封，用于狀態(tài)指示的發(fā)光二極管并沒(méi)有常規(guī)的做法安裝在組件面板，但為了方便調(diào)機(jī)，用小型發(fā)光二極管放在BITE板上。
BITE電路判斷組件有過(guò)溫、過(guò)壓、欠壓中的任何一個(gè)故障時(shí)都將通過(guò)上述的LM117K三端穩(wěn)壓塊關(guān)斷70 W放大器的工作電壓，達(dá)到保護(hù)組件的目的。
3.3 電容量的選擇
固態(tài)功放組件在脈沖工作時(shí)，儲(chǔ)能電容必不可少，且為滿足脈沖頂降要求，電容量應(yīng)較大。
選擇允許脈沖內(nèi)工作電壓下降1.5%，可以通過(guò)下式求得儲(chǔ)能電容量為：
計(jì)算儲(chǔ)能電容量時(shí)，電源電壓取+40 V，τ=6.4 μS。
表1列出了功放模塊對(duì)電源和儲(chǔ)能電容的要求。計(jì)算按最大值進(jìn)行。
表1各級(jí)功率管電容量需求
功率管 第一級(jí) 第二級(jí)
輸出峰值功率 70 W 290 W×5
工作電壓 40 V 40 V
峰值電流(單管) 4 A 20 A×5
峰值電流(總電流) 4 A 100 A
脈寬 6.4 μS 6.4 μS
儲(chǔ)能電容量 43 μF 1067 μF
因?yàn)榻o工作方式為脈沖的微波功率管供電的電解電容處于不斷的沖/放電過(guò)程，故要選擇可靠性高，等效內(nèi)阻小的電容。此設(shè)計(jì)選用的5個(gè)290 W功率管選用三個(gè)63 V-680 μF鋁電解電容，而70 W功率管則選用63 V-150 μF鋁電解電容一個(gè)。
3.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)
計(jì)中盡量采用較成熟的技術(shù)和模塊化的設(shè)計(jì)思想，為了提高發(fā)射系統(tǒng)的可靠性，減小因外界環(huán)境引入的干擾，對(duì)組件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，這些優(yōu)化設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在：
1）優(yōu)化組件的功率增益分配，避免過(guò)高的增益導(dǎo)致組件內(nèi)部產(chǎn)生的電磁兼容等問(wèn)題。
2）四個(gè)290 W單管放大器單元的驅(qū)動(dòng)級(jí)輸出采用衰減器控制輸入，保證了驅(qū)動(dòng)功率在合理范圍，提高可靠性。
3）針對(duì)電磁兼容問(wèn)題在組件內(nèi)合成時(shí)使用帶狀線功率合成器，同時(shí)也降低了合成損耗。
3.5 研制結(jié)果
經(jīng)過(guò)測(cè)試，L波段920 W固態(tài)脈沖功率放大組件上升沿小于150 ns，效率大于40%，其實(shí)物外形圖如圖2所示，其輸出測(cè)試結(jié)果如表2所示。
圖2L波段920 W固態(tài)脈沖功率放大組件實(shí)物外形圖
表2L波段920 W固態(tài)脈沖功率放大組件測(cè)試結(jié)果
頻率 f0-10 MHz f0 f0+10 MHz
輸出功率（W） 1120 1100 1080
脈沖頂降（dB） 0.2 0.21 0.21
4結(jié)論
L波段920 W固態(tài)脈沖功率放大組件測(cè)試結(jié)果滿足系統(tǒng)指標(biāo)。它具有效率高、可靠性好和易于操作等優(yōu)點(diǎn)。目前，該功率放大器已成功應(yīng)用于某雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)，并達(dá)到了良好的應(yīng)用效果。
參考文獻(xiàn)
[1]L波段窄脈寬500 W固態(tài)功放組件的設(shè)計(jì)[J].電子對(duì)抗技術(shù)，2004（11）.
endprint
