一種高功率發(fā)射組件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

沈項(xiàng)東,樊錫元

(華東電子工程研究所，合肥 230088)

0 引 言

現(xiàn)代微波功率放大器的發(fā)展過程中，固態(tài)和真空管放大器一直各有千秋。固態(tài)放大器具有無須預(yù)熱，可靠性高，長(zhǎng)期使用費(fèi)效比低等特點(diǎn)。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)過多級(jí)合成，功率密度較低[1]。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。

1 設(shè)計(jì)方法1.1 技術(shù)指標(biāo)

工作頻率頻率：P波段

工作帶寬：≥70 MHz

輸入功率：10 mW

輸出總脈沖功率：?jiǎn)温份敵觥? kW

脈沖寬度：10～300 μs

工作比：≤10%

冷卻方式：液冷

1.2 電訊方面

(1)系統(tǒng)架構(gòu)

就單路輸出而言，4 kW的峰值功率有相當(dāng)?shù)奶魬?zhàn)性。同時(shí)考慮到發(fā)射組件工作于機(jī)載平臺(tái)上，對(duì)體積、重量的要求是十分苛刻的，因此從方案設(shè)計(jì)階段就要考慮到電訊設(shè)計(jì)對(duì)后續(xù)的加工、制造所帶來的影響。

主要設(shè)計(jì)思路有以下幾點(diǎn)：(1)選擇工作頻帶內(nèi)輸出功率最大且滿足要求的固態(tài)微波功率管，可以使得模塊的單路輸出獲得最大；(2)進(jìn)行環(huán)境分析和熱仿真，控制功率管的結(jié)溫，使其滿足相應(yīng)的降額標(biāo)準(zhǔn)。通過專業(yè)的熱仿真軟件，獲得發(fā)射組件內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布，并進(jìn)行相應(yīng)的熱設(shè)計(jì)；(3)合理安排組件的架構(gòu)，將組件的功率密度提高到一個(gè)新的水平上。組件雙面設(shè)計(jì)，共用冷板是一個(gè)創(chuàng)新。在此之前，組件都是單面輸出，冷板獨(dú)立。但是這這種在地面系統(tǒng)中常用的方式缺不適宜在機(jī)載平臺(tái)中應(yīng)用。本組件設(shè)計(jì)時(shí)，通過雙面輸出節(jié)省了常規(guī)獨(dú)立冷板所需的體積、重量；(4)大功率串饋合成方式的采用，有效的降低了合成器的體積、重量，并同時(shí)降低了所占的殼體面積。

高功率發(fā)射組件的架構(gòu)見圖一，其工作過程簡(jiǎn)述如下：10 mW射頻激勵(lì)信號(hào)送入射頻組件，首先經(jīng)過驅(qū)動(dòng)模塊的放大，得到125 W的功率，再以此推動(dòng)一只功放模塊，輸出約800 W。經(jīng)過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800 W以上，最后經(jīng)過6路合成器的合成，再經(jīng)過耦合器，最終輸出不低于4 kW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)。

圖1 發(fā)射組件系統(tǒng)架構(gòu)圖

(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。功放模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如下：

圖2 功放模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

經(jīng)過微波仿真軟件的仿真和計(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。

圖3 功放模塊布局圖

圖4 功放模塊試驗(yàn)電路

試驗(yàn)電路是對(duì)模塊設(shè)計(jì)的正確性進(jìn)行驗(yàn)證的重要環(huán)節(jié)。尤其是在大規(guī)模生產(chǎn)和制造之前，這一點(diǎn)尤其重要。通過電性能和結(jié)構(gòu)、溫度的實(shí)際驗(yàn)證，可以及早發(fā)現(xiàn)問題，消除錯(cuò)誤，為批量生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

調(diào)試和各項(xiàng)試驗(yàn)，獲得試驗(yàn)電路的電性能參數(shù)如表1所示。

可以看出，該模塊的輸出功率均在800 W以上，滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 功放模塊試驗(yàn)電路測(cè)試數(shù)據(jù)

(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。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)，通過開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[3]。

根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)框圖，本發(fā)射組件需要通過六只功率模塊合成來達(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(無論奇偶數(shù))，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[4]。另一個(gè)關(guān)鍵問題是末級(jí)輸出的脈沖功率達(dá)到了4 kW(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)造成過大的電路面積，不予考慮?？諝獍寰€由于同樣的原因，也會(huì)造成組件體積過大[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。見圖5。

圖5 串饋功率合成器

1.3 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PRO/E軟件的設(shè)計(jì)，將功能相同的兩路輸出合并起來，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。

圖6 發(fā)射組件外形示意圖

(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。雙面功放組件熱耗峰值約1612 W(工作占空比D=10%)，微波晶體管熱流密度約20 W/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)來強(qiáng)化散熱并降低壓損[6]。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)果見圖7。

圖7 發(fā)射組件流道分布和熱仿真結(jié)果

2 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。

圖8 發(fā)射組件內(nèi)部實(shí)物圖

調(diào)試和測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)建如圖9所示。

圖9 調(diào)試和測(cè)試系統(tǒng)

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 μs，D=10%。

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

表2 高功率發(fā)射組件電性能測(cè)試結(jié)果

[1] 王衛(wèi)華等. 固態(tài)雷達(dá)發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)[J]. 電子科學(xué)技術(shù)，2005，1：27-32.

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