馬云柱 王海濤 李 磊 陳福媛 楊 斐

(西安電子工程研究所 西安 710100)

1 引言

隨著半導(dǎo)體器件工作頻率向毫米波頻段延伸，固態(tài)發(fā)射機(jī)的研制也向越來(lái)越高的頻段發(fā)展。自動(dòng)化、高精度、高頻率、寬頻帶和大功率是固態(tài)發(fā)射機(jī)發(fā)展的大趨勢(shì)。然而，隨著工作頻率的提高和輸出功率的增大，模塊化技術(shù)、大功率合成技術(shù)、散熱技術(shù)、智能化技術(shù)仍然是固態(tài)發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)和研究重點(diǎn)。

本文所論述的最新研制成功的Ku波段300W固態(tài)發(fā)射機(jī)，其主要特點(diǎn)為:a.模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，維修方便;b.合成效率高，發(fā)射機(jī)合成效率大于93.7%;c.完備的故障檢測(cè)與保護(hù)系統(tǒng)，可以全天候無(wú)人值守工作;d.優(yōu)良的散熱特性。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主要技術(shù)指標(biāo)

工作頻段:Ku波段

工作帶寬:1GHz

輸出功率≥300W(峰值功率)

脈沖寬度:120μs

占空比:≤30%

射頻輸入信號(hào)功率:14dBm±1dB

發(fā)射脈沖上升沿時(shí)間:≤50ns

發(fā)射脈沖下降沿時(shí)間:≤50ns

頂降≤0.5dB

雜散、相噪與輸入激勵(lì)信號(hào)相比惡化小于3dB

2.2 發(fā)射機(jī)的組成及工作原理

發(fā)射機(jī)系統(tǒng)由前級(jí)功率放大模塊、波導(dǎo)分路器、末級(jí)放大模塊、波導(dǎo)合成器、輸出檢測(cè)模塊五個(gè)模塊組成(發(fā)射機(jī)所需電源由總站提供)。發(fā)射機(jī)的組成框圖如圖1所示。

該發(fā)射機(jī)的工作原理如下:

在雷達(dá)主控計(jì)算機(jī)的控制下，來(lái)自頻率綜合器的射頻信號(hào)(輸入功率約14dBm)，經(jīng)過(guò)前級(jí)功率放大模塊放大后輸出27dBm，然后經(jīng)過(guò)一分四波導(dǎo)功率分配器輸出四路20.6dBm(功分器插入損耗6.4dBm)的射頻信號(hào)，分別推動(dòng)四個(gè)末級(jí)放大模塊，然后輸出四路80w信號(hào)，四路80w信號(hào)經(jīng)過(guò)波導(dǎo)功率合成器合成，得到大于300W的脈沖輸出功率。

圖1 發(fā)射機(jī)原理框圖

輸出檢測(cè)模塊的波導(dǎo)環(huán)形器實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)輸出與天線的隔離，同時(shí)通過(guò)其第三端連接波段耦合器，對(duì)發(fā)射機(jī)反射功率進(jìn)行采樣，實(shí)現(xiàn)輸出功率的過(guò)反射保護(hù)，大功率波導(dǎo)定向耦合器對(duì)發(fā)射機(jī)的輸出功率信號(hào)進(jìn)行耦合采樣，實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)輸出功率和微波包絡(luò)的檢測(cè)。

控制與保護(hù)系統(tǒng)一方面與雷達(dá)系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)通信，接收來(lái)自雷達(dá)系統(tǒng)的指令，將發(fā)射機(jī)的工作狀態(tài)報(bào)告給雷達(dá)系統(tǒng)，另一方面與發(fā)射機(jī)各組成部分通信，傳遞雷達(dá)系統(tǒng)指令和收集發(fā)射機(jī)系統(tǒng)各組成部分狀態(tài)報(bào)告，控制系統(tǒng)自動(dòng)按預(yù)定狀態(tài)和時(shí)序及邏輯開(kāi)關(guān)機(jī)，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，自動(dòng)按時(shí)序和預(yù)定邏輯實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)的故障檢測(cè)和自動(dòng)保護(hù)功能。

3 發(fā)射機(jī)分系統(tǒng)的研制

3.1 功放模塊的研制

固態(tài)功率放大是全固態(tài)發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)的核心。功放模塊性能的好壞，將直接影響整個(gè)雷達(dá)的電氣性能。該發(fā)射機(jī)的功率放大由前級(jí)功率放大模塊和末級(jí)功率放大模塊兩個(gè)部分組成。其中，末級(jí)功放模塊是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，功放模塊應(yīng)該有較大的輸出功率和高的效率，同時(shí)也要滿(mǎn)足帶寬、增益和穩(wěn)定性的要求。在兩級(jí)功率放大模塊的設(shè)計(jì)中，我們選用內(nèi)匹配放大器，同時(shí)采用寬帶外匹配電路，保證了發(fā)射機(jī)的工作帶寬，而且工作頻點(diǎn)數(shù)和頻點(diǎn)間隔可任意選取。為了提高發(fā)射機(jī)的可維修性，前級(jí)功放模塊和末級(jí)功放模塊設(shè)置了射頻輸入信號(hào)、射頻輸出信號(hào)、射頻反射信號(hào)、電源、模塊溫度的檢測(cè)電路，通過(guò)指示燈在發(fā)射機(jī)前面板直觀顯示，同時(shí)將兩級(jí)功放模塊的工作狀態(tài)送給發(fā)射機(jī)的控制保護(hù)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控放大器的工作狀態(tài)。

在功放模塊的設(shè)計(jì)中，由于模塊內(nèi)部射頻電路和直流電路、數(shù)字電路并存且排列緊密，微帶電路間存在著互耦、串?dāng)_、輻射等問(wèn)題，因此電磁兼容性的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。在設(shè)計(jì)中，利用EDA軟件，采用“場(chǎng)路”結(jié)合的方法對(duì)兩級(jí)功放模塊存在的電磁兼容問(wèn)題進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì);選用新型的電磁屏蔽接插件;采用微波吸收材料減低射頻電路的干擾等措施。并在調(diào)試中反復(fù)試驗(yàn)，最終取得了滿(mǎn)意的效果。末級(jí)功放模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 末級(jí)功率放大模塊

3.2 波導(dǎo)功率分配/合成技術(shù)

功率合成有多種方式，其中波導(dǎo)合成器是最傳統(tǒng)的一種合成形式。它具有的功率容量高、損耗小等優(yōu)點(diǎn)是其他任何一種合成方式都無(wú)法相比的。作為發(fā)射機(jī)最后一級(jí)合成，減小損耗、提高合成效率，對(duì)最后的功率輸出起著決定性的作用。波導(dǎo)結(jié)構(gòu)特別適合大功率、高效率的功率合成。

在本文中，根據(jù)發(fā)射機(jī)的技術(shù)指標(biāo)，我們選用波導(dǎo)功率合成技術(shù)，主要結(jié)構(gòu)是由三個(gè)魔T組成一分四的大功率波導(dǎo)功率分配/合成器。模型仿真結(jié)果如圖3，實(shí)物照片如圖4所示。在設(shè)計(jì)中，首先是模型的選擇和設(shè)計(jì)，其次精密的機(jī)械加工和高質(zhì)量的電鍍工藝至關(guān)重要，它能夠保證波導(dǎo)合路的均勻性和對(duì)稱(chēng)性，有效抑制高次模的產(chǎn)生。這是波導(dǎo)合成技術(shù)的關(guān)鍵，決定了合成效率。

圖3 波導(dǎo)功率分配/合成器模型及仿真曲線

圖4 波導(dǎo)功率分配/合成器實(shí)物照片

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent E8363B進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

圖5 發(fā)射機(jī)散熱設(shè)計(jì)

表1 波導(dǎo)功率分配/合成器(2只)測(cè)試數(shù)據(jù)

從表1中可以看出，在設(shè)計(jì)的頻率范圍內(nèi)，駐波系數(shù)小于1.32，四路波導(dǎo)魔T輸出端口插入損耗為6.4±0.25dB，相位不平衡度最大為5.4°。從測(cè)試結(jié)果看，通過(guò)采用波導(dǎo)魔T的方式實(shí)現(xiàn)Ku波段功率分配/合成，能滿(mǎn)足Ku波段大功率固態(tài)發(fā)射機(jī)功率合成的要求。

3.3 控制保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

該發(fā)射機(jī)具有完備的故障檢測(cè)功能和自動(dòng)保護(hù)功能?？刂票Ｗo(hù)系統(tǒng)主要完成發(fā)射機(jī)的控制、監(jiān)測(cè)、保護(hù)、通訊和顯示功能，包括加斷電時(shí)序控制、功放模塊監(jiān)測(cè)等。

該固態(tài)發(fā)射機(jī)的功率放大模塊工作電流大，控制保護(hù)系統(tǒng)需要具有較強(qiáng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性?？刂票Ｗo(hù)系統(tǒng)的主要功能是監(jiān)測(cè)發(fā)射機(jī)各個(gè)模塊的電源狀態(tài)、功率檢波輸出、功放模塊溫度等參數(shù)，并進(jìn)行綜合判定，將發(fā)射機(jī)的工作狀態(tài)實(shí)時(shí)上報(bào)雷達(dá)總站，保證發(fā)射機(jī)穩(wěn)定可靠的工作。

在設(shè)計(jì)中，采用CPLD作為控制器，負(fù)責(zé)發(fā)射機(jī)內(nèi)加斷電、保護(hù)等時(shí)序控制，實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)調(diào)制脈沖寬度控制和占空比檢測(cè)。硬件采用Altera公司的EPM7160STI100-10，該器件有3200個(gè)可用門(mén)，160個(gè)宏單元，是一個(gè)容量不大但信價(jià)比較高的可編程邏輯器件。設(shè)計(jì)中充分利用Altera公司CPLD的快速準(zhǔn)確特性，圓滿(mǎn)實(shí)現(xiàn)了發(fā)射機(jī)的控制保護(hù)功能。

該控制保護(hù)系統(tǒng)不僅能夠屏蔽過(guò)寬的脈沖以及過(guò)高工作比的脈沖，而且能夠應(yīng)付多達(dá)幾十種射頻脈沖寬度和脈沖重復(fù)頻率的組合。即使主控臺(tái)送來(lái)的狀態(tài)信號(hào)受干擾、出現(xiàn)亂碼或者斷電，發(fā)射機(jī)輸入端都不會(huì)出現(xiàn)超脈寬或超工作比的射頻信號(hào)。

在發(fā)射機(jī)調(diào)試和工作過(guò)程中，該控制保護(hù)系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定，保證了發(fā)射機(jī)工作的穩(wěn)定性和可靠性。

3.4 散熱設(shè)計(jì)

固態(tài)發(fā)射機(jī)中功放模塊的高組裝密度和高發(fā)熱量使得固態(tài)發(fā)射機(jī)的散熱設(shè)計(jì)成為整機(jī)可靠性設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，發(fā)射機(jī)的總熱流量為481W，其中1個(gè)前級(jí)模塊1W，4個(gè)末級(jí)模塊各120W。發(fā)射機(jī)的功耗主要集中在4個(gè)末級(jí)功放模塊，末級(jí)模塊散熱面的熱流密度0.5W/cm2。根據(jù)模塊熱流密度和總體設(shè)計(jì)要求，發(fā)射機(jī)采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱方式。

確定風(fēng)冷的散熱方式后，合理的風(fēng)道設(shè)計(jì)至關(guān)重要。針對(duì)熱源較集中的特點(diǎn)，在散熱設(shè)計(jì)中，為了減小風(fēng)阻，著重從以下幾個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì):a.通過(guò)機(jī)柜四周壁形成封閉的空氣通道;b.4個(gè)末級(jí)并排放置，上端為進(jìn)風(fēng)口，下端為風(fēng)機(jī)出風(fēng)口;c.離心風(fēng)機(jī)抽風(fēng)冷卻，安裝在機(jī)柜底部。根據(jù)發(fā)射機(jī)所需的通風(fēng)量，選擇PAPST公司的型號(hào)為4184NHX的風(fēng)機(jī)(2個(gè))。發(fā)射機(jī)的風(fēng)道設(shè)計(jì)如圖5所示。

利用仿真軟件，在Flotherm仿真平臺(tái)上建立仿真模型，對(duì)發(fā)射機(jī)的獨(dú)立風(fēng)道進(jìn)行溫度特性模擬。仿真模型和仿真的結(jié)果分別如圖6、圖7所示。仿真結(jié)果表明:在環(huán)境溫度50℃情況下，功率放大模塊的最高溫度點(diǎn)為65.4℃.該散熱方式滿(mǎn)足固態(tài)發(fā)射機(jī)的熱設(shè)計(jì)要求。

此方案設(shè)計(jì)的固態(tài)發(fā)射機(jī)已經(jīng)順利通過(guò)了各種試驗(yàn)及連續(xù)開(kāi)機(jī)工作測(cè)試，發(fā)射機(jī)工作穩(wěn)定，證明了該熱設(shè)計(jì)的可靠性。

4 整機(jī)性能測(cè)試

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，通過(guò)對(duì)發(fā)射機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的分析，首部發(fā)射機(jī)樣機(jī)已經(jīng)成功研制，整機(jī)結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物照片如圖8、圖9所示。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行性能指標(biāo)測(cè)試時(shí)，測(cè)試條件包括常溫、高溫和低溫環(huán)境。

4.1 工作帶寬

測(cè)試結(jié)果表明;在1GHz帶寬的工作范圍內(nèi)，常溫以及高低溫環(huán)境下，發(fā)射機(jī)都能夠穩(wěn)定工作，在工作頻帶內(nèi)輸出功率大于300W。測(cè)試結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)指標(biāo)內(nèi)，該發(fā)射機(jī)的相對(duì)工作帶寬可以擴(kuò)展至1.5GHz。

4.2 輸出功率和頂降

發(fā)射機(jī)總輸出功率通過(guò)四路80W末級(jí)功率放大模塊合成實(shí)現(xiàn)，測(cè)試結(jié)果表明:在工作頻帶內(nèi)，發(fā)射機(jī)的輸出功率高于300W。合成效率大于93.7%。發(fā)射脈沖功率的頂降小于0.35dB。

4.3 發(fā)射脈沖的上升沿和下降沿

發(fā)射機(jī)采用脈沖調(diào)制方式工作。在常溫及高低溫環(huán)境下，發(fā)射機(jī)系統(tǒng)實(shí)際測(cè)得的上升沿、下降沿均小于30ns。

4.4 相位噪聲惡化

用頻譜分析儀測(cè)試發(fā)射機(jī)耦合輸出射頻信號(hào)，在工作頻帶內(nèi)，發(fā)射相位噪聲變壞小于3dB。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文論述的Ku波段高功率固態(tài)發(fā)射機(jī)經(jīng)過(guò)高溫、低溫，常溫和振動(dòng)試驗(yàn)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到或者優(yōu)于設(shè)計(jì)值。該發(fā)射機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中，具有輸出功率大，工作頻率高，工作頻帶寬，可長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人值守工作等特點(diǎn)。同時(shí)，在發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，作者對(duì)涉及的關(guān)鍵技術(shù)如波導(dǎo)大功率合成技術(shù)、散熱技術(shù)、智能化技術(shù)等也進(jìn)行了較為深入的研究，取得了一定的成果，具有較大的參考價(jià)值，為探索固體發(fā)射機(jī)向著更高頻率、更大功率、更高度智能化方向發(fā)展提供了有益的借鑒和參考。

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