基于GaN功率器件的高功率車載微波信號(hào)源設(shè)計(jì)

梁 琰，吳 湘

(1.中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司電子科技有限公司，北京 100070；2.海軍裝備部試驗(yàn)監(jiān)管局，北京 100841)

基于GaN功率器件的高功率車載微波信號(hào)源設(shè)計(jì)

梁 琰1，吳 湘2

(1.中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司電子科技有限公司，北京 100070；2.海軍裝備部試驗(yàn)監(jiān)管局，北京 100841)

針對(duì)真空管體制大功率微波信號(hào)源在脈寬、任務(wù)可靠性和使用壽命等方面的不足，結(jié)合當(dāng)前氮化鎵功率器件的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，開展基于氮化鎵功率器件的高功率車載信號(hào)源研制。對(duì)高功率車載信號(hào)源的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了詳細(xì)論述，并給出了測(cè)試結(jié)果和實(shí)際應(yīng)用效果。

氮化鎵；固態(tài)功放；信號(hào)源

Abstract: The high-power microwave signal sources with vacuum tubes have many deficiencies in pulse width, mission reliability and service life. According to the technological advantages of the GaN power devices currently, the vehicle-borne high-power microwave signal sources are developed based on the GaN power devices. The design and implementation method of the vehicle-borne high-power microwave signal sources are discussed in detail. The test results and the actual application effect are given.

Keywords: GaN; solid-state power amplifier; signal source

0 引 言

高功率微波信號(hào)源是雷達(dá)、通訊及電子對(duì)抗裝備重要的配試設(shè)備，通過遠(yuǎn)程輻射可以實(shí)現(xiàn)接收機(jī)靈敏度、探測(cè)威力、方位精度、PDW等性能測(cè)試，對(duì)各型裝備的外場(chǎng)試驗(yàn)、標(biāo)校等具有重要作用。本項(xiàng)目高功率車載信號(hào)源包含L、S、C、X 4個(gè)波段，采用固態(tài)化發(fā)射體制，解決了傳統(tǒng)磁控管信號(hào)源脈沖窄、非相參、易受干擾等弱點(diǎn)，具有發(fā)射脈沖寬、波形設(shè)計(jì)靈活、任務(wù)可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，采用系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)理念，維護(hù)使用更加方便快捷。

1 主要功能及技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)具體試驗(yàn)任務(wù)需求，本文中介紹的高功率固態(tài)微波車載信號(hào)源主要實(shí)現(xiàn)L、S、C、X 4個(gè)波段的復(fù)雜微波信號(hào)產(chǎn)生、放大及輻射功能。4個(gè)頻段間的切換只需更換高功率固態(tài)功放模塊、射頻信號(hào)組件及天線饋源，而輻射信號(hào)工作頻點(diǎn)、信號(hào)形式的切換通過顯控軟件控制，不需要改變?cè)O(shè)備硬件狀態(tài)。為適應(yīng)野外機(jī)動(dòng)、快速架設(shè)工作需要，固態(tài)高功率信號(hào)源的硬件設(shè)備全部安裝在一臺(tái)經(jīng)過加固改造的卡車上。在能夠提供動(dòng)力交流電的架設(shè)地點(diǎn)，通過電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力交流電供應(yīng)，而在缺少電力供應(yīng)的野外環(huán)境下通過自帶的供電機(jī)組可以保證系統(tǒng)的供電需求。

高功率固態(tài)車載信號(hào)源主要性能指標(biāo)如下：

(1) 信號(hào)形式：點(diǎn)頻脈沖、線性調(diào)頻脈沖、非線性調(diào)頻脈沖和相位編碼脈沖;

(2) 工作頻率：L波段、S波段、C波段、X波段;

(3) 最小頻率間隔：1 MHz;

(4) 天線增益：≥25 dB(L波段)、≥31 dB(S波段)、≥35 dB(C波段)、≥41 dB(X波段);

(5) 輸出峰值功率：≥4 kW(L波段)、≥3 kW(S波段)、≥3 kW(C波段)、≥1 kW(X波段);

(6) 最大脈寬：300 μs;

(7) 最大占空比：10%;

(8) 等效輻射功率：≥61 dBW(L波段)、≥65 dBW(S波段)、≥69 dBW(C波段)、≥71 dBW(X波段);

(9) 天線掃描方式：扇掃或環(huán)掃(轉(zhuǎn)速：5～15 r/min可調(diào));

(10) 整機(jī)功耗：≤5 kW(220 V/50 Hz)。

2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 設(shè)計(jì)原理和主要組成

固態(tài)高功率車載信號(hào)源主要由天線系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、運(yùn)載架設(shè)設(shè)備等組成。天線系統(tǒng)包括寬帶高增益輻射天線、饋源(4個(gè)波段可切換)、饋線，發(fā)射系統(tǒng)包括數(shù)字信號(hào)組件、射頻信號(hào)組件、高功率固態(tài)功放(4個(gè)波段可切換)、電源模塊、冷卻單元，伺服系統(tǒng)包括伺服控制、方位轉(zhuǎn)臺(tái)、多路匯流環(huán)饋電系統(tǒng)，運(yùn)載架設(shè)設(shè)備包括野外供電機(jī)組、運(yùn)載車輛、液壓調(diào)平系統(tǒng)等。信號(hào)源工作頻點(diǎn)及信號(hào)形式的切換由載車方艙內(nèi)的顯控軟件通過網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行控制。

車載信號(hào)源的主要組成如圖1所示。

圖1 高功率固態(tài)微波車載信號(hào)源的主要組成

2.2 主要功能單元設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.2.1 天線設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用工作帶寬寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方向性好的旋轉(zhuǎn)拋物面天線結(jié)構(gòu)。天線由反射體、背架、饋源、波導(dǎo)等部件組成。天線通過背架上的法蘭與發(fā)射機(jī)的側(cè)壁聯(lián)接。反射體材料為厚度為2 mm的鋁合金板(LF21)，其反射面為實(shí)體。

為保證全頻帶良好的匹配、足夠的功率容量和滿足應(yīng)用需求的方向圖性能，針對(duì)L、S、C、X 4個(gè)頻段的使用需求，準(zhǔn)備了4個(gè)不同的饋源供使用時(shí)換裝。饋源的設(shè)計(jì)在保證合適的輻射方向圖、理想的輻射相位分布的同時(shí)還應(yīng)保證對(duì)拋物面輻射場(chǎng)盡可能小的遮擋。

3種不同的饋源結(jié)構(gòu)外形如圖 2所示。

圖2 3種不同的饋源結(jié)構(gòu)

2.2.2 發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)

發(fā)射系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)L、S、C、X 4個(gè)波段復(fù)雜微波信號(hào)的產(chǎn)生及放大，其組成原理框圖如圖 3所示。數(shù)字信號(hào)組件主要產(chǎn)生點(diǎn)頻脈沖、線性調(diào)頻脈沖、非線性調(diào)頻脈沖和相位編碼脈沖等形式的中頻信號(hào)。射頻信號(hào)組件產(chǎn)生時(shí)鐘和本振信號(hào)，并通過二次混頻的方法將中頻信號(hào)變換為所需的射頻信號(hào)，為前級(jí)功放組件提供激勵(lì)。微波激勵(lì)信號(hào)經(jīng)前級(jí)功放組件放大后再通過四路大功率分配器推動(dòng)4個(gè)末級(jí)功放組件，最后通過四路大功率合成器合成后送給饋線。[1-3]

電源組件負(fù)責(zé)為發(fā)射系統(tǒng)各功能模塊提供所需的工作電壓。冷卻分機(jī)主要實(shí)現(xiàn)電源組件、前級(jí)功放組件和末級(jí)功放組件等功能單元的散熱，通過波導(dǎo)耦合器采集發(fā)射系統(tǒng)的輸出功率和反射功率并送往數(shù)字信號(hào)組件。數(shù)字信號(hào)組件通過對(duì)發(fā)射功率、反射功率、溫度、電壓、電流、激勵(lì)信號(hào)電平及其他狀態(tài)信息的采集判斷，實(shí)現(xiàn)發(fā)射系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和保護(hù)。

圖3 發(fā)射系統(tǒng)原理框圖

本項(xiàng)目共有4種頻段的固態(tài)發(fā)射分機(jī)?？紤]到設(shè)計(jì)和維護(hù)的方便，每個(gè)頻段的發(fā)射機(jī)都采用相同的設(shè)計(jì)原理和物理架構(gòu)。最終實(shí)現(xiàn)的4個(gè)頻段的發(fā)射機(jī)外形尺寸和對(duì)外接口完全一致。單個(gè)波段發(fā)射分機(jī)實(shí)物照片如圖4所示。

圖4 單個(gè)波段發(fā)射分機(jī)實(shí)物照片

2.2.3 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

伺服系統(tǒng)主要由伺服控制、方位轉(zhuǎn)臺(tái)、多路匯流環(huán)饋電系統(tǒng)等組成，其主要組成原理如圖 5所示。

圖5 伺服系統(tǒng)原理框圖

伺服控制主要包括伺服控制機(jī)箱、115 V變壓器、開關(guān)電源、遠(yuǎn)程控制箱、數(shù)控驅(qū)動(dòng)模塊等。本設(shè)計(jì)采用數(shù)字化步進(jìn)控制大功率驅(qū)動(dòng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速在5～15 r/min范圍內(nèi)步進(jìn)可調(diào)。系統(tǒng)中的電源開關(guān)及伺服控制按鈕、發(fā)射機(jī)控制開關(guān)等設(shè)計(jì)成遠(yuǎn)程線控方式，便于遙控操作。

方位轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力傳動(dòng)鏈等。數(shù)控交流伺服電動(dòng)機(jī)采用非接觸式換向器，摩擦力矩小，堅(jiān)固耐用。方位轉(zhuǎn)臺(tái)采用4級(jí)斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，總傳動(dòng)比It=9。作用在方位轉(zhuǎn)臺(tái)上的載荷包括風(fēng)載荷、摩擦載荷和慣性載荷，這里主要考慮風(fēng)載荷。發(fā)射系統(tǒng)的供電、控制信號(hào)和工作狀態(tài)經(jīng)大功率匯流環(huán)傳輸。

2.2.4 運(yùn)載架設(shè)設(shè)備

高功率車載信號(hào)源運(yùn)載架設(shè)設(shè)備主要包括運(yùn)載車輛、液壓調(diào)平系統(tǒng)、野外發(fā)電機(jī)組3個(gè)部分。運(yùn)輸車長(zhǎng)5 500 mm、寬2 140 mm，系統(tǒng)最大高度4 200 mm，系統(tǒng)自重4.8 t。運(yùn)載架設(shè)設(shè)備主要組成如圖6所示。

圖6 運(yùn)載架設(shè)設(shè)備示意圖

天線的軸線垂直于方位軸的軸線，平行于水平校準(zhǔn)面。將水平校準(zhǔn)平面調(diào)成水平就可以使天線的軸線保持水平。方位轉(zhuǎn)臺(tái)的調(diào)平通過液壓調(diào)平裝置實(shí)現(xiàn)，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)各換向閥來控制液壓千斤頂?shù)纳颠\(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到將方位轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)平的目的。為方便調(diào)節(jié)，液壓裝置應(yīng)設(shè)置節(jié)流閥，系統(tǒng)中的溢流閥可以使油液的壓力保持不變。

供電機(jī)組的選擇要保證能在野外環(huán)境長(zhǎng)期可靠工作。本設(shè)計(jì)中選擇YAMAHA汽油發(fā)電機(jī)組，輸出功率5 kVA，外形尺寸1 360 mm×600 mm×600 mm，質(zhì)量50 kg。

3 設(shè)計(jì)結(jié)果

經(jīng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，高功率車載信號(hào)源的主要性能滿足實(shí)際應(yīng)用需求，主要性能指標(biāo)測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

4 結(jié)束語(yǔ)

高功率車載信號(hào)源采用第三代氮化鎵半導(dǎo)體功率器件實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)的放大，各波段發(fā)射分機(jī)采用系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)思路，設(shè)備的可靠性和使用維護(hù)的方便性得到了充分驗(yàn)證，在雷達(dá)及電子對(duì)抗裝備外場(chǎng)試驗(yàn)保障方面發(fā)揮了重要作用。其先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念為其他類似產(chǎn)品的研制提供了重要的技術(shù)參考。[2]

表1 高功率車載信號(hào)源主要性能指標(biāo)

[1] 吳頤雷. 采用模塊化設(shè)計(jì)提高雷達(dá)發(fā)射機(jī)可靠性[J]. 可靠性設(shè)計(jì)與工藝控制，2002(2).

[2] 丁定浩. 雷達(dá)固態(tài)發(fā)射機(jī)可靠性評(píng)估和失效判別的定量方法[J]. 電子學(xué)報(bào)，1997(9).

[3] 喬艷紅. 固態(tài)發(fā)射機(jī)功放組件的電磁兼容性設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子，2002(2).

[4]MishraUK,LikunS,KaziorTE,etal.GaN-ba-sedRFpowerdevicesandamplifiers[J].ProceedingsoftheIEEE, 2008, 96(2): 287-305.

Design of vehicle-borne high-power microwave signal sources based on GaN power devices

LIANG Yan1, WU Xiang2

(1.Electronics Technology Co., Ltd, China State Shipbuilding Corporation, Beijing 100070; 2. Test Supervision Bureau, Naval Equipment Department, Beijing 100841)

TN911.7

A

1009-0401(2017)03-0024-03

2017-08-10;

2017-08-15

梁琰(1977-)，女，工程師，工學(xué)碩士，研究方向：電子測(cè)量、故障診斷；吳湘(1972-)，男，碩士，研究方向：裝備指揮與保障。