UHF波段5kw脈沖功率放大器設(shè)計(jì)

衛(wèi)明 王姜鉑

摘要：介紹了一款UHF波段脈沖功率放大器的設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)介紹了該功放的主要技術(shù)指標(biāo)、組成框圖、分配合成電路設(shè)計(jì)及控制檢測保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。使用ADS軟件對兩路功率合成分配器以及四路功率合成分配器進(jìn)行仿真，之后對功放單機(jī)進(jìn)行測試，測試內(nèi)容包括輸出功率、效率、前后沿、頂降。測試結(jié)果表明：在380MHz～450MHz的頻率范圍內(nèi)輸出功率大于5kW，增益大于64dB。

關(guān)鍵詞：脈沖功率放大器;分配合成電路;控制檢測保護(hù)電路

0引言

固態(tài)發(fā)射機(jī)具有高可靠性、長壽命、易維護(hù)性等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到雷達(dá)總體和眾多用戶的青睞。我國自20世紀(jì)70年代開始全固態(tài)雷達(dá)發(fā)射機(jī)的研制，目前固態(tài)發(fā)射機(jī)已經(jīng)趨于成熟。

本文研制了一種工作于UHF波段的大功率固態(tài)脈沖功率放大器，文中描述功放的組成、分配合成器設(shè)計(jì)及控制檢測保護(hù)電路設(shè)計(jì)，最后給出測試數(shù)據(jù)。

功放的主要技術(shù)指標(biāo)和組成

主要技術(shù)指標(biāo)：

工作頻段：380MHz～450MHz;

輸出功率：≥5000W：

最大工作比：10%：

脈沖前后沿：≤0.1us;

頂降：不大于0.5dB：

脈沖寬度：0.1us-1ms;

效率：≥30%。

1固態(tài)功放設(shè)計(jì)

1.1功放組成

功放的組成框圖如圖1，由一臺前級功放和兩臺3500W末級功放組成。輸入RF信號經(jīng)脈沖保護(hù)器、30W前級模塊、300W推動(dòng)級模塊及帶通濾波器后分為兩路，分別送到兩個(gè)相同的3500W末級功放，兩路末級信號由兩路合成器進(jìn)行合成，經(jīng)定向耦合器、環(huán)形器輸出至天線?？刂齐娐酚糜诒O(jiān)測脈寬和占空比，以防止脈寬過大或占空比太高導(dǎo)致功率晶體管損壞。當(dāng)功放出現(xiàn)各種故障時(shí)（如過熱、功率管損壞、占空比過大等），脈沖保護(hù)器斷開，避免后續(xù)放大器件的損壞，同時(shí)在面板上指示故障狀態(tài)，并將故障信號上報(bào)。

前級功放由脈沖保護(hù)器、30W前級、300W推動(dòng)級、帶通濾波器、二路分配器/合成器、定向耦合器、環(huán)形器、衰減器、控制保護(hù)電路、DC/DC電源模塊等組成。DCIDC電源模塊采用的是輸出電壓可調(diào)的模塊，負(fù)責(zé)給30W前級、300W推動(dòng)級供電，根據(jù)調(diào)試情況，調(diào)整DC/DC電源模塊的輸出電壓來調(diào)整前級功放的輸出功率，使輸出功率既能滿足全溫度范圍內(nèi)的兩個(gè)末級功放的需求，又不會(huì)對末級功放的功率管產(chǎn)生過沖。

3500W末級功放由8個(gè)700W功放模塊、二路分配/合成器和四路分配/合成器組成的八路分配/合成器、儲能電路和保護(hù)電路等組成。700W功放模塊是比較成熟的模塊，在此文中就不再詳述。

1.2分配合成電路設(shè)計(jì)

功放里主要使用的分配合成電路有兩種，分別是同相二路分配/合成器和四路同相分配/合成器。四路分配/合成器都由魔T組成的原理如圖2。如果作為分配器使用，端口1為輸入端，端rq2、3、4、5為輸出端，如果作為合成器使用，端口2、3、4、5為輸入端，端口1為輸出端。實(shí)測插損小于0.4dB，隔離度大于20dB。

二路分配/合成器組成如圖26。如果作為分配器使用，端口1為輸入端，端口2、3為輸出端，如果作為合成器使用，端口2、3為輸入端，端口1為輸出端。實(shí)測插損小于0.4dB，隔離度大于15dB。

1.3控制檢測保護(hù)電路設(shè)計(jì)

為了控制發(fā)熱量，避免管子燒壞，必須對信號的脈寬和占空比進(jìn)行檢測。因此在30W前級功放模塊前連接了一個(gè)可控的低功率射頻開關(guān)，開關(guān)的閉合與打開受控于以下幾個(gè)信號。

①過脈寬/過占空比報(bào)警信號：

②駐波報(bào)警信號：

③TTL調(diào)制信號。

其控制原理如圖4所示。各控制信號分別有專門對應(yīng)的電路產(chǎn)生，通過一個(gè)與門輸出TTL控制信號控制射頻開關(guān)。當(dāng)各路與門輸入都是高電平，TTL控制信號高電平，SPDT開關(guān)閉合到射頻放大器鏈路上：只要各路控制信號中有一路出現(xiàn)低電平，TTL控制信號為低電平，射頻開關(guān)閉合到50歐姆吸收電阻上，斷開射頻放大器鏈路。

功率檢測和保護(hù)電路分為前向功率檢測和反向功率檢測，實(shí)現(xiàn)了駐波報(bào)警功能和輸出功率顯示功能。其原理如圖5所示，功放使用的耦合器為單定向耦合器，只耦合出一部分前向功率。耦合器的輸出功率通過環(huán)形器，環(huán)形器的隔離端輸出的是負(fù)載反射功率，通過一個(gè)衰減器再進(jìn)行檢波。正反向功率檢波后分別進(jìn)行功率檢測，輸出對應(yīng)的峰值電壓。經(jīng)過ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后交由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理，處理的結(jié)果一路作為輸出到顯示屏，可以顯示峰值功率，駐波等信息。一路產(chǎn)生TTL駐波報(bào)警信號送到功放的輸入端SPDT射頻開關(guān)，當(dāng)報(bào)警信號為低電平，表示駐波過大，則斷開輸入端的射頻開關(guān)，起到駐波保護(hù)的目的。

前向功率檢測和反向功率檢測的方法完全一樣，都是利用采樣保持電路的原理。其原理如0所示，采樣保持器在TTL控制信號的作用下，當(dāng)輸入有脈沖包絡(luò)的時(shí)候，輸出跟蹤輸入的變化。當(dāng)輸入脈沖包絡(luò)消失的時(shí)候.輸出依然能夠保持脈沖包絡(luò)的電壓幅度。由于這里的檢波器是采用功率檢波，即檢波器輸出的脈沖包絡(luò)電壓值正比于輸入的射頻脈沖功率值，所以采樣保持器的輸出電壓幅度即代表正向或反向的脈沖峰值功率。采樣保持器的TTL控制信號直接由檢波包絡(luò)通過整形電路來產(chǎn)生。

這里采用集成電路采樣保持器。AD781/AD783，可以滿足采樣穩(wěn)定時(shí)間小于最短的脈沖寬度0.1u s的要求，同時(shí)它們的電壓降落速率大約是0.01uV/us，可以長時(shí)間對電壓進(jìn)行保持。

25kW功放單機(jī)的測試結(jié)果

把前級功放和兩個(gè)末級功放級聯(lián)，經(jīng)過精心調(diào)試，最終測試取得了滿意的結(jié)果。過占空比、過脈寬，大駐波保護(hù)功能均正常。在脈寬1ms，周期10ms，功放輸入電平3d Bm的情況下，測試數(shù)據(jù)如圖，輸出功率大于5kW，效率大于32%。

前后沿、頂降測試數(shù)據(jù)如表1，均滿足要求。

3結(jié)論

UHF波段5kW脈沖功率放大器的研制包括脈沖保護(hù)器、多級功率放大模塊合成、儲能及保護(hù)控制電路的設(shè)計(jì)，技術(shù)難度高，通過科學(xué)的指標(biāo)分解和精密的計(jì)算與仿真，在0.1us～1ms的較寬脈寬內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了前后沿不大于0.1us，頂降不大于0.5dB，功率輸出大于5kW，效率大于32%。各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到預(yù)期的指標(biāo)，該功放已經(jīng)應(yīng)用于某雷達(dá)模擬方艙中。