淺談全固態(tài)加權(quán)相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)思路

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 陶 磊

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淺談全固態(tài)加權(quán)相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)思路

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 陶 磊

【摘要】隨著固態(tài)功率器件的日趨成熟和成本的大幅度降低，固態(tài)發(fā)射機(jī)工作方式越來(lái)越靈活，工作壽命也越來(lái)越長(zhǎng)，本文簡(jiǎn)要介紹全固態(tài)幅度加權(quán)相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)進(jìn)行理論測(cè)算和仿真優(yōu)化，通過(guò)全面測(cè)試和改進(jìn)后測(cè)試，驗(yàn)證到確實(shí)消除了天線陣面的熱島，為發(fā)射機(jī)的可靠工作提供了保障。

【關(guān)鍵詞】發(fā)射機(jī)；固態(tài)功放；設(shè)計(jì)

0 引言

隨著科技的日益發(fā)展，固態(tài)功率器件成本價(jià)格越來(lái)越低，性能也不斷的提高，固態(tài)有源相控陣?yán)走_(dá)的一些相關(guān)的理論日趨成熟，在雷達(dá)的全壽命周期上提出了性價(jià)比的高要求，為了達(dá)到雷達(dá)高水平的吸引力，以降低天線副瓣電平的手段，提高雷達(dá)功能特殊性，多樣性等指標(biāo)為目的，因此設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了全固態(tài)加權(quán)相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射機(jī)。

1 全固態(tài)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)組成

全固態(tài)發(fā)射機(jī)的形式主要有集中放大式發(fā)射機(jī)和分布放大式發(fā)射機(jī)兩種。

集中放大式發(fā)射機(jī)　　分布放大式發(fā)射機(jī)功率合成高功率合成器將多個(gè)功放組件功率合成，然后通過(guò)天線集中發(fā)射天線上多個(gè)功放組件直接通過(guò)天線陣子單元發(fā)射出去量級(jí)　　一般為中小功率　　功率可大可小，靈活性大實(shí)現(xiàn)形式　　在組件上合成總的輸出功率要求　　在空間進(jìn)行功率合成總的輸出功率要求

本文主要描述的是分布放大式雷達(dá)發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)，工作要求為s波段，1O%的相對(duì)帶寬工作，輸出峰值二十千瓦以上，脈沖寬度的可變范圍比較大。發(fā)射機(jī)的硬件組成主要分為以下幾點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)級(jí)功率放大器組件、前級(jí)放大器及保護(hù)電路、大功率開(kāi)關(guān)電源和冷卻系統(tǒng)、有源陣面上的發(fā)射功率放大器組件等。發(fā)射機(jī)的信號(hào)實(shí)現(xiàn)如下：信號(hào)從本振源經(jīng)過(guò)，進(jìn)入前級(jí)放大器進(jìn)行功率放大，然后饋線系統(tǒng)將功率分配到上，中，下三層，每層由一個(gè)行驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行輸出功率功放，然后按需求發(fā)送到若干路列驅(qū)動(dòng)功放。事實(shí)上雷達(dá)發(fā)射機(jī)子系統(tǒng)通過(guò)前級(jí)放大器、本振信號(hào)、行驅(qū)動(dòng)功放、列驅(qū)動(dòng)功放、發(fā)射功率放大器，將小信號(hào)逐步放大為大功率信號(hào)，然后通過(guò)天線單元輻射逐漸增大成多個(gè)高功率信號(hào)路徑，組合形成發(fā)射光束。

1.2 發(fā)射幅度加權(quán)

本雷達(dá)發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)采用了幅度加權(quán)的全固態(tài)有源相控陣形式。普通的固態(tài)有源相控陣中每個(gè)發(fā)射放大器組件發(fā)射輸出功率是相同的，而本發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)中各功率放大器的輸出功率是不一樣的，它是由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)進(jìn)行了量化的幅度加權(quán)。發(fā)送功率放大器輻射排列成蜂巢，幅度大小分成四份，被稱為四階量化。具體地說(shuō)，輸出功率位于從中心放大器模塊向外三個(gè)環(huán)形區(qū)域的間距依次減小，在俯仰和方位上都形成特定要求的錐削。

雖然這個(gè)發(fā)射機(jī)實(shí)施起來(lái)有一定的困難，但這種方法可以大大降低天線的副瓣電平，顯著改善雷達(dá)性能，可以滿足高性能指標(biāo)的雷達(dá)系統(tǒng)的特殊要求。設(shè)計(jì)理論顯示天線的副瓣電平達(dá)到-22dB以下或者更小，而一般沒(méi)有經(jīng)過(guò)幅度加權(quán)的天線的副瓣電平一般在-6dB ～ -13dB之間。當(dāng)前雷達(dá)中的T / R模塊的數(shù)量越來(lái)越多，采用了模塊化設(shè)計(jì)發(fā)射部件，提高了設(shè)備的可靠性和可維護(hù)性。雖然在不同的量化的輸出功率放大不同，但是從雷達(dá)的整體設(shè)計(jì)的考慮，每個(gè)功率放大器元件，安裝尺寸，外部接口，輸入功率等的形狀要求一致性。使用這種降低工作電壓的方法，沒(méi)有任何不利影響，實(shí)現(xiàn)了幾種通用模塊輸出功率的一致。

2 發(fā)射功放組件設(shè)計(jì)

發(fā)射功放器模塊是固態(tài)發(fā)射機(jī)的核心，將直接影響雷達(dá)的電性能。如果對(duì)各個(gè)放大元件增加體積重量，天線也將增加很多重量，影響雷達(dá)天線的機(jī)械性能。因此，在進(jìn)行組件設(shè)計(jì)時(shí)，必須認(rèn)真在性能、模塊尺寸，重量和散熱之間作出一個(gè)選擇。

2.1 理論計(jì)算

固態(tài)功率放大器設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。在寬帶阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)具有可變帶寬的靈活性，以選擇工作的低通濾波器的變形阻力，不僅具有阻抗匹配功能，而且還具有濾波的作用，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)微帶線所需較小的基板等，特別是對(duì)有源相控陣?yán)走_(dá)發(fā)送器組件的需求。為了防止產(chǎn)生較大的誤差，用微帶線匹配電路實(shí)現(xiàn)精確模型。以4階匹配網(wǎng)絡(luò)為例，對(duì)上述非線性方程組所選擇的收斂判據(jù)可設(shè)定為：

2.2 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證上述計(jì)算結(jié)果的正確性，可使用微波仿真軟件來(lái)模擬仿真電路的電路的性能。 使用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)仿真軟件對(duì)輸入或輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，計(jì)算出插入損耗和回程損耗，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際制作功放組件，進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法

3.1 電源并聯(lián)

從固態(tài)高功率發(fā)射機(jī)和電源發(fā)展的過(guò)去經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)得到了改善，發(fā)射機(jī)的功率被設(shè)計(jì)成幾十個(gè)并聯(lián)電源模塊，可以大大提高發(fā)射機(jī)的可靠性。工作過(guò)程中如果幾個(gè)電源單元出現(xiàn)故障，發(fā)射器仍能正常工作。

3.2 發(fā)射單元冷卻

固態(tài)發(fā)射單元的加熱密度比較大，因此需要使用一種有效的散熱器。通過(guò)理論計(jì)算，并參考以往的經(jīng)驗(yàn)，我們選擇了一個(gè)曲折的鰭片散熱器。散熱器具有的特點(diǎn)為重量輕，散熱面積大，熱效率高。為了減少元件的尺寸，重量，我們使用高介電常數(shù)的復(fù)合微波電介質(zhì)板。同時(shí)所有的微波晶體管的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和優(yōu)化的匹配電路，以進(jìn)一步減小尺寸，易于調(diào)試。在固定微波介電復(fù)合板，PCB采用整體焊接技術(shù)。這將不僅防止振動(dòng)引起的天線和接地效果的影響。

由于發(fā)射機(jī)具有幅度加權(quán)特殊性輻射，天線表面是凹凸不平的。因此，考慮到冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，使用以下特殊方法。首先，將天線陣列的表面是單獨(dú)設(shè)計(jì)的鎮(zhèn)流器。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)，這取決于熱功率放大器的量，不同大小的通風(fēng)口，以啟動(dòng)空氣量所需的各種部件的合理分布的所有壓載艙和傳輸部件組之間。其次，天線前代表位置設(shè)立了數(shù)十個(gè)熱電偶，測(cè)得的發(fā)射模塊的工作溫度。

3.3 保護(hù)電路

從過(guò)去的雷達(dá)發(fā)展過(guò)程可以看出，顯示的信號(hào)源發(fā)送器在開(kāi)關(guān)瞬間有連續(xù)波。一旦這種現(xiàn)象，有可能燒毀大脈沖發(fā)射機(jī)功率放大

器模塊，造成嚴(yán)重的后果。由于發(fā)射器的成本較高，在整個(gè)雷達(dá)的比重較大，為了安全起見(jiàn)，總是在發(fā)射器輸入端設(shè)置一個(gè)單獨(dú)的保護(hù)電路。保護(hù)電路的設(shè)計(jì)思路是非常獨(dú)特的，不僅屏蔽過(guò)寬脈沖和高脈沖占空比，并能夠應(yīng)對(duì)幾十個(gè)RF脈沖寬度的組合和脈沖重復(fù)頻率。即使受到干擾信號(hào)，也不會(huì)在發(fā)射端出現(xiàn)超脈寬或超工作比的射頻信號(hào)。保護(hù)電路的設(shè)計(jì)很好的保護(hù)了雷達(dá)發(fā)射機(jī)的調(diào)試工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹全固態(tài)幅度加權(quán)相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)全面測(cè)試，驗(yàn)證到確實(shí)消除了天線陣面的熱島，為發(fā)射機(jī)的可靠工作提供了保障。

參考文獻(xiàn)

［1］Edward D Osrof.Solid—state radar transmitter［M］.2013.5.

［2］ Inder Bahl，Microwave solid state circuitdesign［M］.2012.12.

［3］賈忠璐.固態(tài)雷達(dá)發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用［D］.南京理工大學(xué)碩士論文，2013.

［4］陳惠開(kāi).寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)的理論與設(shè)計(jì)［M］.北京﹕人民郵電出版社，2012.1.

［5］高葆薪.微波電路計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)［M］.北京﹕清華大學(xué)出版社，2012.5.

陶磊（1984－），助理工程師，從事固態(tài)發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)、調(diào)試系統(tǒng)的技術(shù)開(kāi)發(fā)。

作者簡(jiǎn)介：