一種真空管發(fā)射機(jī)的固態(tài)化實(shí)踐

白志強(qiáng)

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽，471009）

0 引言

發(fā)射機(jī)是主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引系統(tǒng)的重要組成部分，它根據(jù)雷達(dá)體制和波形設(shè)計(jì)的要求產(chǎn)生相應(yīng)調(diào)制波形的大功率射頻信號。功率放大器用于對頻率源產(chǎn)生的小功率射頻信號進(jìn)行放大，是發(fā)射機(jī)的核心。目前高性能雷達(dá)發(fā)射機(jī)主要采用真空管和固態(tài)器件作為功率放大器件。一般來說真空管效率高，輸出功率大，在要求幾千瓦或更高輸出功率的情況下是較好的選擇。另外，真空管是典型的峰值功率器件，適合高峰均比的情況下使用。固態(tài)器件在效率和輸出功率上都不占優(yōu)勢，但在可維護(hù)性、模塊化、復(fù)雜波形設(shè)計(jì)等方面存在優(yōu)勢。下面就介紹一種真空管發(fā)射機(jī)的固態(tài)化實(shí)踐。

1 真空管發(fā)射機(jī)

■1.1 系統(tǒng)組成

在雷達(dá)發(fā)展之初，真空管是末級功率放大的主要功率源[1]。真空管種類很多，隨著技術(shù)發(fā)展，目前主要使用的有磁控管、速調(diào)管和行波管。某型發(fā)射機(jī)使用多注速調(diào)管作為功率放大器件，多注速調(diào)管是在單注速調(diào)管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的大功率微波器件,其結(jié)構(gòu)及實(shí)物見圖1，主要由三大部件組成:電子槍（包括加熱燈絲、陰極和聚焦極）、高頻系統(tǒng)（包括輸入裝置、諧振腔、漂移管和輸出裝置）和收集極。

圖1 速調(diào)管結(jié)構(gòu)示意及實(shí)物圖

圖2 發(fā)射機(jī)系統(tǒng)組成框圖

發(fā)射機(jī)的系統(tǒng)組成見圖2，除速調(diào)管外還包含主振源、高壓電源和輔助電路，其中主振源用于產(chǎn)生射頻激勵(lì)信號，高壓電源用于為速調(diào)管供電，輔助電路用于產(chǎn)生中頻信號及輔助電源。

■1.2 主要技術(shù)指標(biāo)

發(fā)射機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)如下：頻率范圍為Ku波段，瞬時(shí)帶寬≥0.1%，輸出峰值功率400W，工作比為30%，主供電電壓57V，速調(diào)管陰極電壓-2500V。

2 固態(tài)化需求

雖然上述速調(diào)管發(fā)射機(jī)性能優(yōu)異，但在使用中面臨著（1）需要定期通電進(jìn)行維護(hù)，（2）是故障維修周期長等問題。速調(diào)管故障多為真空度下降導(dǎo)致的發(fā)射能力弱（輸出功率?。┗蜿帠艧岫搪罚龢O個(gè)別能維修外，都只能報(bào)廢處理，更換新的管子。速調(diào)管功率增大時(shí),它的帶寬也增大，而在本產(chǎn)品的功率水平上，速調(diào)管帶寬過窄，需要若干個(gè)工作在不同頻率的速調(diào)管才能覆蓋雷達(dá)的需求。這在生產(chǎn)過程中可以提前規(guī)劃，但在維修中由于無法預(yù)判故障產(chǎn)品的工作頻率，因此給備件帶來了困難。如果故障發(fā)生后再進(jìn)行生產(chǎn)和裝機(jī)前存貯，周期長達(dá)一年，這顯然是無法接受的。

為解決以上問題，在速調(diào)管故障時(shí)有新的維修方案，擬對發(fā)射機(jī)進(jìn)行固態(tài)化，即用固態(tài)功率放大器替代速調(diào)管和高壓電源。固態(tài)化后發(fā)射機(jī)對外電氣、機(jī)械接口不變，技術(shù)性能滿足要求。下面對可行性進(jìn)行分析。

圖3 主振源與固態(tài)功率放大器的射頻連接框圖

(1)隨著國內(nèi)半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，固態(tài)器件的工作頻率和功率水平不斷提高，在Ku波段已有輸出達(dá)40W的GaN功率MMIC，這為小體積下實(shí)現(xiàn)對真空管的替代提供了可能；

(2)該型發(fā)射機(jī)的輸出峰值功率與工作占空比使固態(tài)發(fā)射機(jī)的成本可以承受；

(3)由于固態(tài)發(fā)射機(jī)的效率低于速調(diào)管發(fā)射機(jī)，而系統(tǒng)采用熱電池供電，對熱電池長期儲(chǔ)存后的供電能力進(jìn)行了評估，可以滿足固態(tài)化發(fā)射機(jī)的用電需求。

3 固態(tài)功率放大器設(shè)計(jì)

■3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖4 固態(tài)功率放大器結(jié)構(gòu)模型

固態(tài)功率放大器可用的結(jié)構(gòu)空間為速調(diào)管及高壓電源所在的位置。由于原設(shè)計(jì)中主振源位于高壓電源和速調(diào)管之間（主振源和速調(diào)管通過波導(dǎo)口連接），若保持主振源和發(fā)射機(jī)大功率輸出口的位置不變，固態(tài)功率放大器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將變得十分困難，且無法充分利用原有的空間，因此需對主振源的位置進(jìn)行上移。主振源位置上移后，為方便與固態(tài)功率放大器對接，采用圖3所示連接方式。該方案形成的固態(tài)功率放大器結(jié)構(gòu)模型見圖4，保持了發(fā)射機(jī)對外機(jī)械接口不變以及內(nèi)部各組成部分的位置和固定方式基本不變。

■3.2 電氣設(shè)計(jì)

由于單個(gè)固態(tài)功率器件的輸出功率有限，為了獲得滿足要求的功率輸出，需要采用功率合成的方式，使多個(gè)固態(tài)功率器件并行工作。在設(shè)計(jì)中選用輸出功率為40W的GaN功率MMIC（型號WFDN140180-P46）為基本合成單元，該MMIC采用0.25μm柵長的GaN工藝制造而成，主要性能參數(shù)如下：

典型輸出功率：46dBm；

典型小信號增益：28dB；

典型效率：34%。

將40W功率芯片封裝在獨(dú)立的管殼中，采用微波絕緣子輸入輸出，形成如圖5所示的功放單元模塊。單元模塊全密封，增益、功率、相位可單獨(dú)調(diào)試。

圖5 功放單元模塊

功率合成的第一步是采用波導(dǎo)耦合器將8個(gè)功放單元模塊合成得到功放中模塊：輸入信號經(jīng)過波導(dǎo)雙針耦合、微帶wilkinson功分器、微帶lange橋分配至8個(gè)功放單元模塊進(jìn)行放大，放大后的信號經(jīng)3dB波導(dǎo)耦合橋、H面波導(dǎo)合路器合成得到輸出功率大于280W的功放中模塊。功率合成的第二步是將2只功放中模塊采用波導(dǎo)合成得到500W以上的輸出功率，合計(jì)共使用16只40W功率芯片。若需要降低輸出功率，可以通過適當(dāng)降低功率MMIC芯片的工作電壓來實(shí)現(xiàn)。

圖6 固態(tài)功率放大器組成框圖

除微波通路外，固態(tài)功率放大器（見圖6）包括控制保護(hù)電路、DC/DC電源、負(fù)電穩(wěn)壓電路及漏極調(diào)制電路，共同實(shí)現(xiàn)微波功率的放大和調(diào)制功能。固態(tài)功率放大器的供電與速調(diào)管發(fā)射機(jī)保持一致：+57V通過DC/DC轉(zhuǎn)換為+28V，通過調(diào)制電路連接功率芯片的漏極；+27V通過DC/DC轉(zhuǎn)換為-9V后，通過2次穩(wěn)壓和分壓后連接功率芯片的柵極；+15V電源通過穩(wěn)壓后為控制保護(hù)電路饋電，實(shí)現(xiàn)控制功能。

4 實(shí)施效果

對研制的固態(tài)功率放大器進(jìn)行測試,其達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)為：工作帶寬400MHz，輸出峰值功率500W，綜合效率24%。

雖然GaN器件的效率相比于GaAs器件大幅提高，但與速調(diào)管30%的效率相比，仍然較低。同時(shí)，固態(tài)發(fā)射機(jī)的調(diào)制電路部分有大量的儲(chǔ)能電容，上電瞬態(tài)會(huì)有較大的電流沖擊，因此對系統(tǒng)熱電池與固態(tài)發(fā)射機(jī)的適配性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)共進(jìn)行了120s，熱電池電壓從64V降至34V，消耗電流則相應(yīng)上升，總輸出功率保持基本恒定，在這期間固態(tài)發(fā)射機(jī)的輸出功率也基本穩(wěn)定，證明了系統(tǒng)熱電池可以滿足固態(tài)化發(fā)射機(jī)的用電需求[3]。

速調(diào)管發(fā)射機(jī)進(jìn)行固態(tài)化后，保持了對外電氣、機(jī)械接口不變,性能滿足要求，實(shí)現(xiàn)了對速調(diào)管發(fā)射機(jī)的原位替換，不影響雷達(dá)系統(tǒng)中的其它部分。由于固態(tài)功率放大器帶寬寬的特性，其可以覆蓋系統(tǒng)整個(gè)工作頻帶，因此可提前對固態(tài)功率放大器進(jìn)行生產(chǎn)備貨，在速調(diào)管出現(xiàn)故障時(shí)直接替換，解決了維修周期長的問題。固態(tài)化也帶來了如下問題:由于速調(diào)管帶寬窄，主振源原有的某些雜散分量被速調(diào)管所抑制；在固態(tài)化后，由于固態(tài)功率放大器帶寬變寬,對這些雜散分量的抑制變?nèi)?，需要通過對主振源調(diào)整進(jìn)行解決。

5 結(jié)束語

在雷達(dá)領(lǐng)域，電真空管和固態(tài)器件有各自的應(yīng)用場景，對于已有的真空管發(fā)射機(jī),一般很難進(jìn)行固態(tài)替代。本文介紹了一種速調(diào)管發(fā)射機(jī)的固態(tài)化實(shí)踐，在充分考慮結(jié)構(gòu)、性能、成本的基礎(chǔ)上,以高效的GaN功率MMIC為核心器件,采用多級功率合成技術(shù),研制了可替代速調(diào)管和高壓電源的固態(tài)功率放大器，最終成功實(shí)現(xiàn)了該型速調(diào)管發(fā)射機(jī)的固態(tài)化。