高功率發(fā)射組件的研制

沈項(xiàng)東　樊錫元

摘 要：為滿足某機(jī)載預(yù)警系統(tǒng)發(fā)射機(jī)對(duì)重量、體積的嚴(yán)格要求，研制了高功率密度固態(tài)發(fā)射組件。通過(guò)對(duì)微波模塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)、新型發(fā)射組件架構(gòu)的研究、水冷散熱方式的采用，最終獲得一種輸出峰值功率在工作頻帶內(nèi)達(dá)8kW（雙面）以上的發(fā)射組件。該組件已經(jīng)隨整機(jī)進(jìn)行過(guò)多次試飛，完全滿足系統(tǒng)要求。試驗(yàn)表明，該組件不僅性能優(yōu)良、工作可靠，且具有相當(dāng)高的功率密度。高集成度模塊設(shè)計(jì)、組件雙面輸出、串饋合成方式以及液冷散熱方式是該發(fā)射組件的創(chuàng)新之處。本文對(duì)其電訊、結(jié)構(gòu)及熱設(shè)計(jì)都做了詳細(xì)的闡述。

關(guān)鍵詞：功率密度；發(fā)射組件；熱設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.02.199

1 引言

現(xiàn)代微波功率放大器的發(fā)展過(guò)程中，固態(tài)和真空管放大器一直各有千秋。固態(tài)放大器具有無(wú)須預(yù)熱，可靠性高，長(zhǎng)期使用費(fèi)效比低等特點(diǎn)[1]。但在功率密度（單位重量或單位體積的輸出功率）方面，為達(dá)到一定的功率輸出，固態(tài)放大器往往需要經(jīng)過(guò)多級(jí)合成，功率密度較低。而真空管放大器單級(jí)增益較高，易于構(gòu)造高功率密度的微波功率放大器。[2]為提高固態(tài)放大器的功率密度，本文從電訊、結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了探討，并設(shè)計(jì)制作了一種高功率密度發(fā)射組件。

2 設(shè)計(jì)方法

2.1 技術(shù)指標(biāo)

工作頻率頻率： P波段

工作帶寬： ≥70MHz

輸入功率： 10mW

輸出總脈沖功率： 單路輸出≥4kW

脈沖寬度： 10～300μs

工作比： ≤10%

冷卻方式： 液冷

2.2 電訊方面

（1）系統(tǒng)架構(gòu) 。就單路輸出而言，4kW的峰值功率有相當(dāng)?shù)奶魬?zhàn)性。經(jīng)過(guò)多種方案的比較，得到圖1所示的系統(tǒng)框圖。10mW射頻激勵(lì)信號(hào)送入射頻組件，首先經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊的放大，得到125W的功率，再以此推動(dòng)一只功放模塊，輸出約800W。經(jīng)過(guò)6路分配器，推動(dòng)后級(jí)的6只功放模塊。每路輸出依然在800W以上，最后經(jīng)過(guò)6路合成器的合成，再經(jīng)過(guò)耦合器，最終輸出不低于4KW的峰值功率。電源模塊提供系統(tǒng)所需要的各種電壓品種。發(fā)射監(jiān)控對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，對(duì)開(kāi)關(guān)機(jī)等動(dòng)作進(jìn)行控制，對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行收集并回饋給主監(jiān)控作為判斷的依據(jù)。

（2）高集成度功放模塊設(shè)計(jì)。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，采用了模塊化設(shè)計(jì)方法。由系統(tǒng)架構(gòu)，該組件僅采用一種功放模塊進(jìn)行功率的放大，電路十分簡(jiǎn)潔。與此同時(shí)，這也給功放模塊的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。由于現(xiàn)有的功率管無(wú)法達(dá)到較高的輸出功率，該功放模塊采用了雙管合成的方式。拓?fù)鋱D如圖2：

經(jīng)過(guò)仿真和計(jì)算，最大限度地減小了該模塊電路板所占的面積，從源頭上保證功率密度的最大化。

圖3所示為模塊布局圖，圖4所示為功放模塊試驗(yàn)電路。

對(duì)該試驗(yàn)電路進(jìn)行電特性的測(cè)試，數(shù)據(jù)如下：

可以看出，該模塊的輸出功率均在800W以上，為系統(tǒng)的功率合成奠定了基礎(chǔ)。

（3）合成方式選擇。多路功率放大器的幅度和相位一致性是微波功率合成的關(guān)鍵[3]。為在較寬的頻率范圍內(nèi)使組件合成效率達(dá)到最佳，滿足系統(tǒng)需求的指標(biāo)，通過(guò)開(kāi)展多路功率放大器幅度和相位一致性專題試驗(yàn)，進(jìn)一步設(shè)計(jì)優(yōu)化合成網(wǎng)絡(luò)。

功率分配/合成的種類、方式多種多樣。有Wilkinson型、Gysel型、耦合線型、分支線電橋型、串饋型、徑向線型等等。從構(gòu)成方式上又可分為同軸線式、微帶線式、波導(dǎo)式、帶狀線式等，在不同的場(chǎng)合都可以找到應(yīng)用的實(shí)例。

根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)框圖，本發(fā)射組件需要通過(guò)六只功率模塊合成來(lái)達(dá)到所需的輸出功率。此時(shí)，若仍然使用二進(jìn)制功率合成法顯然是不劃算的，因?yàn)樗墓β屎铣杀仨毷前凑斩M(jìn)制規(guī)律增加放大器的數(shù)目。此時(shí)最為合理的選擇是串饋功率合成法。串饋功率合成法可以組合任意數(shù)目的放大器（無(wú)論奇偶數(shù)）[4]，且體積小，電路損耗小，配對(duì)使用時(shí)有良好的對(duì)稱性和高效率。另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是末級(jí)輸出的脈沖功率達(dá)到了4kW（峰值）以上，對(duì)于功率容量的要求特別的高。同時(shí)，由于頻段較低，用威爾金森方式將會(huì)造成過(guò)大的電路面積，不予考慮。空氣板線由于同樣的原因，也會(huì)造成組件體積過(guò)大[5]。

為此，特別選用了帶狀線組成的串饋功率合成/分配器。為提高功率密度，本發(fā)射組件兩路發(fā)射共用盒體和散熱冷板，因此，分配/合成器各需兩只，呈鏡像關(guān)系。見(jiàn)圖5。

2.3 結(jié)構(gòu)與熱設(shè)計(jì)

（1）減重設(shè)計(jì)。在電訊方面成功將電路面積減小之后，結(jié)構(gòu)方面通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步將組件的重量降低。功放模塊是組成發(fā)射組件的基本單元，為此將模塊底板除功率管部分襯無(wú)氧銅以保證散熱之外，其余部分盡量銑削。在如此功率量級(jí)的發(fā)射組件，為降低重量只能使用液冷。通過(guò)PRO/E軟件的設(shè)計(jì)，將功能相同的兩路輸出合并起來(lái)，共用一個(gè)組件框體，一個(gè)散熱冷板。組件外形示意圖如圖6。

（2）熱設(shè)計(jì)。發(fā)射系統(tǒng)高功率功放組件依靠強(qiáng)迫液冷方式進(jìn)行散熱，保證功率器件在適宜的溫度范圍內(nèi)工作，并且系統(tǒng)環(huán)控在低溫下實(shí)現(xiàn)加熱功能[6]。雙面功放組件熱耗峰值約1612W（工作占空比D=10%），微波晶體管熱流密度約20W/cm2。

流道采用串、并聯(lián)結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，并利用熱邊界層中斷等技術(shù)來(lái)強(qiáng)化散熱并降低壓損。在局部高熱流的晶體管區(qū)域采用多根微小型多通道并聯(lián)布置的形式，大大降低了散熱所需的冷卻液流量與冷板壓力損失，采用雙面對(duì)焊，在滿足散熱性能的前提下大大增加了微小型多通道液冷冷板的可加工性，冷板流道和熱仿真結(jié)果見(jiàn)圖7。

3 設(shè)計(jì)結(jié)果及測(cè)試情況

經(jīng)精心設(shè)計(jì)和加工生產(chǎn)，獲得圖8示的發(fā)射組件。該組件已通過(guò)了各種環(huán)境實(shí)驗(yàn)（包括機(jī)載環(huán)境）考驗(yàn)，表明該組件滿足設(shè)計(jì)要求，工作穩(wěn)定可靠，取得了預(yù)期的效果。

該組件的電性能測(cè)試結(jié)果如表2。測(cè)試條件（脈寬與工作比）為：τ=300?s，D=10%。

發(fā)射組件的尺寸為520 mm×410 mm×88mm，總質(zhì)量為17.4KG，發(fā)射雙面輸出的總射頻功率超過(guò)8kW（峰值），效率高于40%，功率密度真正實(shí)現(xiàn)了一次大的提升。

參考文獻(xiàn)：

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[2]尚洪臣.微波網(wǎng)絡(luò)[J].東南大學(xué)出版社.

[3]KAI CHANG “MICROWAVE SOLID-STATE CIRCUIT.

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[5]王群杰，金謀平，張立新.一種米波功分器的小型化設(shè)計(jì)[J].火控雷達(dá)技術(shù)，2007，36（01）.

[6]倪濤.0.8-2GHz超寬帶大功率放大器設(shè)計(jì)與研究[J].火控雷達(dá)技術(shù)，2013（03）.

作者簡(jiǎn)介：沈項(xiàng)東（1971-），男，高級(jí)工程師，主要從事固態(tài)發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)與研制工作。