謝成發(fā)

華東電子工程研究所 安徽合肥 230088

40kW L波段全固態(tài)雷達發(fā)射機

謝成發(fā)

華東電子工程研究所 安徽合肥 230088

介紹了一種40kW L波段全固態(tài)發(fā)射機。該發(fā)射機綜合了以往同類全固態(tài)發(fā)射機的優(yōu)點，具有輸出功率高，工作穩(wěn)定等特點；同時采用雙機互為冗余熱備份，具備在線維護功能，發(fā)射機的可連續(xù)工作時間大大提高。

全固態(tài)發(fā)射機；功率組件；雙監(jiān)控系統(tǒng)；雙機切換

1.概述

固態(tài)雷達發(fā)射機應(yīng)用廣泛，對發(fā)射機而言其具有功率大、電壓高、電流和熱耗大等特點，又多以脈沖形式工作，因此發(fā)射機是雷達系統(tǒng)中可靠性較低的一種系統(tǒng)，是制約雷達可靠性的主要原因之一。提高大功率雷達發(fā)射機的可靠性和可維性，特別是設(shè)備故障時具備在線維修功能對一套雷達系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠工作至關(guān)重要。

本文介紹了一種新研制成功的L波段40kW全固態(tài)發(fā)射機。該種發(fā)射機采用模塊化設(shè)計、采用雙機監(jiān)控、雙通道互為冗余熱備份和同類發(fā)射機相比具有輸出峰值功率大，工作脈寬較寬，設(shè)備維護方便、簡單等優(yōu)點，具有良好的可靠性和在線維修功能。

2.發(fā)射機的指標和系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 發(fā)射機的主要指標

發(fā)射機的主要性能指標如下：

（1）工作頻率：f0±100MHz（L波段）；

（2）發(fā)射機輸入功率：16±2dBmW；

（3）發(fā)射機輸出功率：≥40kW

（4）頂部起伏：≤1dB

（5）工作占空比：8.8%（最大）

（6）冷卻方式：強制風冷

2.2 發(fā)射機的構(gòu)成

發(fā)射機由2個前級組件和16個固態(tài)組件實現(xiàn)輸入功率14dBmW ~18dBmW，輸出脈沖功率達到要求大于40KW。具體為：兩個前級組件輸出的500W功率經(jīng)過雙工開關(guān)，由發(fā)射監(jiān)控控制雙工開關(guān)選通一個前級組件的輸出功率送至一個1：4分配器再送到四個1：4分配器，共分成16路，驅(qū)動16個末級組件，16個末級組件輸出的3.8KW功率先通過一個8：1空氣板線合成器，再通過一個2：1波導(dǎo)魔T合成輸出達到大于40KW的脈沖功率輸出。具體組成框如圖1所示?

3.關(guān)鍵技術(shù)

3.1 雙監(jiān)控系統(tǒng)

為提高發(fā)射機的可靠性，對可靠性較為薄弱的前級組件和監(jiān)控系統(tǒng)采用雙機系統(tǒng)冗余方案。即采用兩套一樣的前級組件和監(jiān)控系統(tǒng)，一套共用的末級放大組件。通過備份前級組件和監(jiān)控系統(tǒng)的方式來提供系統(tǒng)的可靠性。監(jiān)控系統(tǒng)對兩套前級采用單獨控制的方式，即一套控制系統(tǒng)對應(yīng)控制一套前級和共同控制共同的末級放大組件。

發(fā)射監(jiān)控檢測兩個前級組件的輸出，當選中作為激勵組件的前級組件出現(xiàn)故障時及時控制雙工開關(guān)轉(zhuǎn)至熱備份的另一個前級組件。與互為冗余的驅(qū)動級組件相對應(yīng)，采用了完全一樣的雙路監(jiān)控電路。雙路監(jiān)控電路可以在上電時通過監(jiān)控系統(tǒng)的初始化程序固定選擇上次關(guān)機時工作的通道，然后由監(jiān)控系統(tǒng)來選擇信道變化。監(jiān)控系統(tǒng)具體組成如下：

16個末級組件的BITE電路

2個互為冗余的前級組件中的BITE電路

18個電源模塊的監(jiān)控電路

12個風機狀態(tài)監(jiān)視電路

2套互為冗余的發(fā)射監(jiān)控電路

發(fā)射機的雙監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖2所示：

3.2 3.5kW末級組件

3.5 kW末級組件的功能：實現(xiàn)功率從14W輸入到3500W輸出，完成組件自身工作狀態(tài)的指示、回饋以及故障保護。固態(tài)功率放大組件采用模塊化的設(shè)計思想，每個末級組件的放大鏈路包含4只980W的模塊和一只驅(qū)動模塊。

3.5 kW末級組件的具體射頻鏈路為：16W的射頻功率進入固態(tài)功率放大組件后，經(jīng)過一個帶30dB耦合電路的PIN開關(guān)，驅(qū)動一級輸出260W左右的驅(qū)動單元，末級驅(qū)動單元再驅(qū)動四個980W模塊，最后合成輸出3500W的射頻功率。末級組件內(nèi)部有BITE電路，用來對組件的工作狀態(tài)進行判斷和保護。末級組件的組成框圖如圖3所示。

為保證末級組件的高可靠，我們對組件內(nèi)部的儲能電容組和功率放大管都進行了適當?shù)慕殿~使用。

3.3 功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)

發(fā)射機的組件內(nèi)及組件之間的功率合成是通過功率分配/合成器來實現(xiàn)向量合成，功率分配/合成器各個端口幅度及相位的不平衡將直接影響到系統(tǒng)的合成效率，所以集中式固態(tài)發(fā)射機對功率分配/合成器的選擇有極高的要求。

末組件內(nèi)部的分配器主要從縮小組件結(jié)構(gòu)尺寸考慮，我們采用1：4Wilkinson型微帶分配器；合成器從功率容量考慮采用空氣板線型合成器。

對于機柜間的功率分配器，機柜內(nèi)空間足夠，對體積尺寸沒有特別的要求，我們關(guān)注的重點是分配器的端口幅相一致性和功率容量，因此選擇采用GYSEL型微帶分配器。合成器則更偏重考慮功率容量，故采用空氣板線型合成器，合成器的輸出端則采用5035-K型連接器，保證能夠承受高功率。

3.4 發(fā)射機在線維護設(shè)計

對于整個發(fā)射機，重要的部件包括：前級組件、監(jiān)控系統(tǒng)、末級組件、發(fā)射電源和冷卻系統(tǒng)即風機組件。對以上部件都具備在線維護功能。

對前級組件和監(jiān)控系統(tǒng)：在發(fā)射機上電時發(fā)射監(jiān)控系統(tǒng)對兩個前級組件和監(jiān)控系統(tǒng)選擇其一進行工作，通過雙工開關(guān)進行通道切換，當正在進行工作的前級或者監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)生故障時，能夠通過系統(tǒng)指令切換到另外一套前級和監(jiān)控系統(tǒng)，保證發(fā)射機能夠不停機進行前級或者監(jiān)控板的備件更換。

對末級組件和發(fā)射電源：組件與發(fā)射電源都是一一對應(yīng)，方便組件和電源出現(xiàn)故障時能單獨關(guān)閉，當單個組件出現(xiàn)故障時，只需將對應(yīng)的組件電源進行關(guān)閉，即可對組件進行更換。每個組件電源的開/關(guān)均也可單獨由總控制臺，或者通過電源機柜下方的空氣開關(guān)控制，電源出現(xiàn)故障時，關(guān)閉對應(yīng)開關(guān)也可對電源進行在線更換。發(fā)射組件的RF輸入、輸出接頭和低頻連接器接頭均采用便于插拔的大功率盲配來實現(xiàn)插接，發(fā)射系統(tǒng)的各個組成單元均為可插拔的組件或分機形式，以達到不關(guān)機在線維修的目的。輔助電源采用兩個線性電源模塊并聯(lián)使用，當一個低壓線性電源出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)仍然能正常工作，低壓電源故障在總控制臺顯示。

風機組件：每三個獨立的風機作成一體，每個風機設(shè)置單獨的電源開關(guān)，安裝時設(shè)計少量的結(jié)構(gòu)安裝附件，當單個風機出現(xiàn)故障能夠在不停機的狀態(tài)下能夠?qū)︼L機快速換裝。

4.整機性能測試

完成研制后對發(fā)射機的測試結(jié)果表明，該發(fā)射機在要求的頻率帶寬內(nèi)，占空比為10%，要求的最大工作脈寬條件下，輸出功率見表1：

表1 發(fā)射機的測試結(jié)果

發(fā)射機的雙機切換和在線維修功能都達到了設(shè)計預(yù)期。

5.結(jié)論

通過發(fā)射機使用一年說明，該發(fā)射機整機工作穩(wěn)定，能連續(xù)工作1000小時以上無停機故障，與同類產(chǎn)品相比具有輸出功率大，可靠性高等優(yōu)點。預(yù)計該發(fā)射機在將來的應(yīng)用中，特別是對可靠性要求較高的雷達中有較好的用途。

[1]胡見堂.固態(tài)高頻電路.北京：國防工業(yè)出版社，1999

[2]王強.雷達發(fā)射監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計.現(xiàn)代電子，2001(4)

[3]Reinhold Ludwig，Pavel Brechko.射頻電路設(shè)計——理論與應(yīng)用[M].王子宇，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2002.

謝成發(fā)(1980-)，男，高級工程師，主要研究方向為固態(tài)發(fā)射機，T/R組件，微波電路設(shè)計。