固態(tài)雷達發(fā)射機的關鍵技術研究

李 猛

海華電子企業(yè)（中國）有限公司，廣東 廣州 510656

0 引言

在固態(tài)雷達發(fā)射機應用過程中，要向著更高的頻率方向發(fā)展，打造更加科學的功率合成處理模式，發(fā)揮相應系統(tǒng)設計應用優(yōu)勢，從而實現(xiàn)經(jīng)濟效益和社會效益的和諧統(tǒng)一。

1 固態(tài)雷達發(fā)射機概述

目前，較為常見的固態(tài)雷達發(fā)射機主要分為集中合成式全固態(tài)發(fā)射機和分布式空間合成有源相控陣雷達發(fā)射機兩類，不同結構具有差異化特點，且對應的應用環(huán)境和優(yōu)勢作業(yè)也不盡相同，需要依據(jù)實際情況和需求選取適配的設備。

1.1 集中合成式全固態(tài)發(fā)射機

集中合成式全固態(tài)發(fā)射機的主要元件是功率放大組件，利用微波合成技術就能實現(xiàn)并行合成和輸出，并有效滿足系統(tǒng)限制性要求（見圖1）[1]。

圖1 集中合成式全固態(tài)發(fā)射機結構

相較于傳統(tǒng)的真空微波管發(fā)射機，集中合成式全固態(tài)發(fā)射機無須對陰極進行加熱就能完成啟動，并且設備的使用壽命長，不產(chǎn)生陰極加熱功率消耗等。其功率模塊參數(shù)在電壓參數(shù)以下（被控制在50 V以下），因此無須配置體積較大的高壓電源或者防護X射線，這就極大地提升了其應用的便捷性。與此同時，集中合成式全固態(tài)發(fā)射機的應用模塊都是C類放大器工作狀態(tài)，配合高電壓脈沖調制器就能完成處理工序，整體瞬時帶寬數(shù)值能達到20%～50%。另外，集中合成式全固態(tài)發(fā)射機在雷達接收或信號處理的過程中會應用脈沖壓縮匹配濾波器，這就能更好地提升檢測的實效性及距離分辨力[2]。

1.2 分布式空間合成有源相控陣雷達發(fā)射機

分布式空間合成有源相控陣雷達發(fā)射機主要包括固態(tài)功率放大器、環(huán)行器、限幅器、低噪聲放大器等基礎元件，配合邏輯控制器和內部監(jiān)測電路元件就能打造完整的應用模式（見圖2）。

圖2 空間合成相控陣雷達發(fā)射機結構圖

一方面，有源相控陣雷達發(fā)射機的發(fā)射機、天線結構之間劃分界限并不明顯，因此，末端T/R功率放大組件輸出的對應功率就能對天線輻射單元予以直接處理和控制，整體結構緊湊的同時，更好地避免了饋線引入造成的損耗問題，為發(fā)射功率的優(yōu)化提供保障[3]。

另一方面，有源相控陣雷達發(fā)射機本身能實現(xiàn)全模塊化，在應用過程中，T/R組件模塊和放大器電源模塊能更好地輔助相關工作的開展，維持良好的應用環(huán)境。與此同時，發(fā)射機本身能實現(xiàn)故障指示及工作狀態(tài)的實時性動態(tài)檢測，確保能將故障區(qū)間隔離在替換單元，從而迅速排除故障，不會對整個設備應用運行效率產(chǎn)生影響。

除此之外，有源相控陣雷達發(fā)射機本身具有故障弱化的特性，且設備運行可用度較好，能利用簡單的操作模式完成開關控制，并且配合快速故障處理單元，真正實現(xiàn)了多元系統(tǒng)化管理的目標。

2 固態(tài)雷達發(fā)射機關鍵技術

在固態(tài)雷達發(fā)射機應用過程中，要整合具體技術應用要求和方案，從而確保整體應用體系的合理性和科學性。

2.1 微波功率放大組件設計和阻抗技術

在固態(tài)雷達發(fā)射機中，功率放大組件是非常關鍵的技術單元，要實現(xiàn)功率晶體管和阻抗數(shù)值的匹配，并在此基礎上達到匹配網(wǎng)絡功率合成處理的目的。因為微波功率晶體管的輸入阻抗數(shù)值和輸出阻抗數(shù)值都較低，并且具有一定的抗性，所以，功率相加設備等基礎傳輸線的特性阻抗數(shù)值都要選定在50 Ω左右。典型放大器的設計要以降低耗能、低成本等作為核心，確保能為晶體管創(chuàng)設良好的源阻抗和負載阻抗應用平臺[4]。

在技術應用體系內，無論是集中合成式全固態(tài)發(fā)射機還是分布式空間合成有源相控陣雷達發(fā)射機，功率放大組件都會設置在C類狀態(tài)。也就是說，并不需要匹配真空放大器需要的調制設備，在高頻信號滿足晶體管放大器輸入端數(shù)值的基礎上就能實現(xiàn)有效的反向偏置電壓處理，保證晶體管的導通狀態(tài)，相匹配的放大器也能同步工作。在脈沖信號輸入后，數(shù)值會逐漸上升，一直到達脈沖頂部，然后沿著脈沖信號持續(xù)一段時間，此時放大器晶體管的工作狀態(tài)會從呈現(xiàn)出“截止—線性—飽和—再截止”，輸入輸出阻抗呈現(xiàn)出動態(tài)化變化趨勢，尤其是輸入阻抗數(shù)值的變動。借助關機時接近無窮大的電壓駐波比，能建立輸入阻抗的實時性匹配，直至開機，完成匹配。

除此之外，放大器的負載阻抗會呈現(xiàn)出不同的變化趨勢，并且其整體趨勢動態(tài)參數(shù)和放大器輸入信號電平呈現(xiàn)出一致性，放大器輸出信號的相位也會形成不同程度的作用。需要注意的是，設計固態(tài)功率放大器要綜合考量放大器之間相位的一致性，并且綜合評估相關參數(shù)，以維持整體技術應用的規(guī)范性和科學性。例如，假設兩個放大器輸出信號的實際場強參數(shù)相同，都設定為E，但是相位存在差異，且對應的相位差用△φ表示，則放大器的輸出信號兩者之和并不完全等于2E，而是2E×cos(△φ÷2)，對應的輸出信號功率為[2E×cos(△φ÷2)]2，這就說明在整個信號傳輸?shù)倪^程中依舊存在明顯的功率損失[5]。

2.2 CAD技術

應用計算機優(yōu)化仿真設計技術能更好地完成功率放大器匹配電路設計工作，特別是在明確晶體管阻抗參數(shù)后，就能選取匹配的拓撲機構和初始數(shù)值，選取優(yōu)化方法就能完成文件的運行。結合運行結果終止運行過程，并依據(jù)具體要求對文件配置的相關參數(shù)內容予以實時性控制，從而從最大程度上提高結果的優(yōu)化效果，匹配最優(yōu)項。具體設計流程如下。

（1）創(chuàng)建工程文件。結合高頻電路仿真優(yōu)化的應用要求和標準，完成頻率控制模塊的建立和分析處理，并且有效輸入工作頻率，結合實際需求設置對應的頻率點。文章選取的工作頻率為1.2～1.4 GHz，對應的步進頻率為50 MHz[6]。

（2）設立輸入輸出端口。假設端口a是50 Ω的信號源阻抗，匹配特性阻抗的參數(shù)要求也要滿足50 Ω，從而保證對應匹配度符合標準；端口b是晶體管輸入端，也被稱為負載端，此時要結合負載模塊進行處理，輸入晶體管的阻抗參數(shù)。另外，要參考歷史電路模型內容，輸入匹配電路拓撲圖，完成三級階梯阻抗變換結構的處理工作。除此之外，要結合放大器允許的物理尺寸和拓撲電路調整可能性，匹配滿足應用標準的介質材料，建構元件模型，若是放大器允許的尺寸較大，則一般選取低介電常數(shù)的板型材料[7]。

（3）變量定義。為了保證綜合處理效果，要對需要優(yōu)化的元件參數(shù)予以變量定義分析，提升優(yōu)化效率。可對變量設定初值，從而更好地維持輸入匹配電流的規(guī)范性，配合優(yōu)化變量分析，實現(xiàn)三級階梯阻抗拓撲結構，維持整體設計結構的應用效果。與此同時，要結合實際應用情況選取適當?shù)膬?yōu)化目標，如選擇端口a向阻抗變換電路的輸入駐波作為優(yōu)化對象，優(yōu)化目標就是增加其頻率。

（4）仿真優(yōu)化。在獲取優(yōu)化命令后，需要對電路的整體結構予以優(yōu)化處理，并且維持優(yōu)化過程的科學性和動態(tài)性。在獲取元件數(shù)值或者接近極限數(shù)值時，需要對取值范圍進行適當調控，從而滿足應用標準；也可以借助手動控制的方式，集中分析參數(shù)數(shù)值，并且獲取優(yōu)化參數(shù)結果。在完成多次優(yōu)化迭代工作后，得出最優(yōu)結果。

2.3 微波功率合成器技術

在固態(tài)發(fā)射機應用控制過程中，輸入功率會直接分配到不同功率放大器內，輸出結果就會借助合成器完成迭代處理，因此，功率合成器是各個功率放大器合成處理過程中較為關鍵的微波部件，要匹配較低的損耗和較為合理的駐波參數(shù)，并且能承載較高的功率[8]。首先，在并饋N路分配器/合成器的過程中，基本的單元就是兩路功率單元，分別為功率分配器電路和合成器電路，主要包括耦合線定向耦合器、分支線定向耦合器和環(huán)形電橋定向耦合器等，配合四端口定向耦合處理機制，就能完成輸入信號和輸出信號的方向性評估。并且，對應的端口期間均在同一條中心線上，電路的結構也能實現(xiàn)對稱處理。分析方式就是借助奇數(shù)、偶數(shù)分析處理方式，完成三端口網(wǎng)絡應用工作。其次，并饋合成結構的整體模式也較為簡單，但是由于級聯(lián)的關系使得功率流經(jīng)的電路較長，必然會增加損耗，加之合成/分配端口的實際應用數(shù)量有限，需要配合二進制對稱的方式進行操作，使得一部分工序反而更加煩瑣。基于此，在原有結構模式應用方案的基礎上進行串饋合成結構的處理，能有效結合功率合成、分配等，極大地節(jié)省放大器和耦合器的數(shù)量，也能減少能耗[9]。

2.4 熱設計處理

要想提升固態(tài)雷達發(fā)射機的應用效率，就要提升功率晶體管的應用效能，這就要求設計人員在設計和制造過程中關注結溫參數(shù)的變化。晶體管的失效率及晶體管內部工作溫度都需要評估結溫參數(shù)，尤其是晶體管的最高結溫，其增加10 ℃，設備的壽命就會減少一半?；诖?，要整合具體應用環(huán)境和參數(shù)控制規(guī)范，滿足良好的應用要求。通常而言，制造廠家提出的器件最高結溫是200 ℃，若器件工作結溫超出設定的額定數(shù)值，雖然短時間內器件不會損傷，但會對其長時間應用的可靠性產(chǎn)生影響。基于此，要對絕對最高結溫予以約束和控制，維持安全性和可靠性。

目前，在實際應用中，常利用紅外熱成像設備進行結溫的實時性測量分析，在不封蓋的情況下評估晶體管也是較為常見的方式。要想有效降低結溫，就要維持散熱器和外界的熱通路完整性，合理控制散熱途徑上的材料和結合界面。例如，針對串聯(lián)電路，若是整個通路模式中存在高阻性元件，熱流會出現(xiàn)被阻擋的情況，此時結溫就會升高。

微波功率晶體管要選取高導熱材料。功率晶體管結構較為特殊，其本身存在熱時間常數(shù)，使得結溫會隨著晶體管工作脈沖寬度的增高而逐漸上升，因此，要依據(jù)晶體管手冊對最大工作比和最大工作脈沖寬度等進行嚴格設計和分析，確保處理效果符合應用標準。另外，功率晶體管內部結構決定了晶體管內存在相互干擾的熱錐區(qū)，且溫度場較為復雜，為了維持應用效果的規(guī)范性，需要整合具體要求和標準，確保相應操作的合理性。

3 結束語

總而言之，在固態(tài)雷達發(fā)射機設計過程中，要關注關鍵技術要點，建立健全更加系統(tǒng)化的技術處理方案，整合技術要求，保證應用效果符合預期，從而發(fā)揮設備的優(yōu)勢作用，為固態(tài)雷達發(fā)射機的應用發(fā)展提供保障。