賈金偉

(91404部隊　秦皇島　066001)

JIA Jinwei

(No.91404 Troops of PLA, Qinhuangdao　066001)

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一種寬頻帶大功率固態(tài)發(fā)射機的可靠性設(shè)計*

賈金偉

(91404部隊秦皇島066001)

介紹了影響固態(tài)發(fā)射機可靠性的關(guān)鍵因素及提高發(fā)射機可靠性的應(yīng)對措施，為發(fā)射機可靠性設(shè)計提供了依據(jù)，在綜合考慮可靠性因素的基礎(chǔ)上提出了一種寬頻帶、大功率、固態(tài)發(fā)射機可靠性設(shè)計的方案，對固態(tài)發(fā)射機的推廣應(yīng)用具有重要意義。

固態(tài)發(fā)射機; 可靠性; 放大鏈

JIA Jinwei

(No.91404 Troops of PLA, Qinhuangdao066001)

Class NumberTN948

1　引言

各型電子裝備中廣泛使用的行波管發(fā)射機具有使用壽命短、維護成本高及易打火等缺點，故障率高且難于快速修復(fù)，作為電子裝備信號產(chǎn)生中的關(guān)鍵一環(huán)，發(fā)射機的性能及可靠性一直影響和制約著裝備效能的發(fā)揮。

隨著國內(nèi)半導(dǎo)體材料和制造工藝的不斷發(fā)展，發(fā)射機固態(tài)化逐漸成為提高發(fā)射機可靠性的重要途徑。固態(tài)發(fā)射機與行波管發(fā)射機相比在降低全壽命周期成本，提高可靠性、可維性和安全性等方面具有明顯優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。固態(tài)發(fā)射機由于采用多個固態(tài)功放管并聯(lián)方式合成大功率輸出，即使個別固態(tài)功放管發(fā)生故障，對整機輸出功率影響不大，發(fā)射機仍可正常工作，提高了可靠性；固態(tài)功放管工作電壓較低，由幾十伏的安全電壓取代上萬伏高壓電源，避免了高壓打火；固態(tài)功放管本身使用壽命更長；固態(tài)發(fā)射機實現(xiàn)了模塊化設(shè)計，便于設(shè)置備份和更換，提高了可維性。

2　影響固態(tài)發(fā)射機可靠性的主要因素

固態(tài)發(fā)射機較行波管發(fā)射機盡管在可靠性上有很大提高，但是在大功率、寬頻段、高熱耗及電源等指標(biāo)實現(xiàn)及可靠性設(shè)計方面依然面臨挑戰(zhàn)。影響發(fā)射機可靠的主要因素包括放大鏈設(shè)計、控保電路設(shè)計、結(jié)構(gòu)工藝及散熱設(shè)計等。

放大鏈的合理設(shè)計包括功率管的選擇、各功能單元間的隔離與匹配，冗差設(shè)計、降額設(shè)計對發(fā)射機可靠性也有重要影響。作為固態(tài)發(fā)射機的重要組成部分，大功率電源、功率分配器、功率合成器等器件必須符合大功率條件下的可靠性要求；各并聯(lián)功能單元如末級功放組件、大功率開關(guān)電源的冗余設(shè)計及推動級功放的熱備份設(shè)計大提高發(fā)射機的可靠性。

發(fā)射機故障率較高，必須具有工作狀態(tài)監(jiān)測、故障保護、故障指示及故障報警功能，實時監(jiān)測各功能單元的狀態(tài)，發(fā)射機應(yīng)具有電源故障、水流欠流、過溫、輸出端駐波失配等故障保護功能，避免發(fā)射機發(fā)生故障時受損。

工作溫度是影響固態(tài)發(fā)射機器件性能和失效的重要因素。晶體管結(jié)溫每升高10℃，失效率提高約一倍，因此，良好的散熱設(shè)計對發(fā)射機來說至關(guān)重要，晶體管的工作溫度必須低于允許的溫度值，避免長時間工作在臨界狀態(tài)。[1]

3　提高發(fā)射機可靠性的主要措施

滿足固態(tài)發(fā)射機功能和指標(biāo)需求的功率器件往往不止一種，可靠性是功率器件選擇的重要參考。對晶體管的選擇來說，不應(yīng)過分追求高的電性能指標(biāo)而犧牲可靠性。功率管的增益往往和穩(wěn)定性相矛盾，而體積大小則和電磁兼容性、散熱等相矛盾，過分追求小體積、高增益，必然會影響可靠性，同時，功率管的選擇應(yīng)當(dāng)考慮功率管對溫度漂移、裝配冗差等條件的敏感性，敏感的功率管可靠性不高[1]。

3.1放大鏈設(shè)計

固態(tài)發(fā)射機放大鏈一般由多級放大器串聯(lián)或并聯(lián)組成，如果前級功放模塊的輸出功率在頻帶內(nèi)有功率起伏，在推動后級攻放模塊時勢必造成部分頻點欠激勵或過激勵。解決該問題可采用均衡器進行幅頻校正，均衡器的衰減特型正好與前級輸出的幅頻特性互補，從而保證各級放大單元具有良好的功率匹配性。在各級放大單元之間增加隔離度，減小相互之間的影響，可以大大提高發(fā)射機的可靠性。在末級功放模塊內(nèi)可外接隔離器，功率合成器也具有一定隔離作用，當(dāng)功放模塊的負(fù)載駐波惡化或個別放大單元失效時，可保證其他放大子單元不會受太大影響。

在滿足功率指標(biāo)的前提下，降低晶體管的工作電壓也是提高功率管可靠性的有效方法。晶體管工作結(jié)溫和占空比有很大關(guān)系。結(jié)溫每下降10℃，可靠性提高50%，因此設(shè)計時保證晶體管實際工作時的占空比低于額定值，可以降低功率管的結(jié)溫并提高可靠性。

3.2發(fā)射機電源設(shè)計

固態(tài)發(fā)射機低壓電源中用到大量的功率器件及儲能元件，電壓雖然不高但是電流很大，功率容量及散熱要求高。大功率電源一般采用并聯(lián)方式工作，采用冗余設(shè)計可提高發(fā)射機的可靠性，個別電源故障不會影響整個發(fā)射機的工作。

3.3控保設(shè)計

控保系統(tǒng)應(yīng)對電源狀態(tài)、推動級攻放狀態(tài)、末級攻放狀態(tài)、整機輸出功率、發(fā)射機內(nèi)部溫度及負(fù)載駐波等進行狀態(tài)檢測、指示和保護，將故障定位到最小可更換單元，實現(xiàn)快速檢測及時修復(fù)，避免發(fā)射機的進一步損壞。

4　2GHz～6GHz頻段200W固態(tài)發(fā)

射機可靠性設(shè)計實例

4.1發(fā)射機指標(biāo)

工作頻段：2GHz～6GHz；

功率：200W；

飽和輸入功率：≤3dBm；

輸入信號形式：脈沖、連續(xù)波；

冷卻方式：液冷；

故障保護：電源故障，組件過溫，功率故障，輸出端駐波失配等故障保護；

供電：單相220V±10%，50Hz±5%。

4.2放大鏈設(shè)計

2GHz～6GHz頻段200W固態(tài)發(fā)射機整個放大鏈由2級功放組成。第一級功放由一個5W模塊組成，模塊增益35dB； 第二級功放采用16個功率模塊合成，每4個功率管先通過3dB電橋組成平衡式放大模塊，每個功放模塊輸出功率在65W左右，經(jīng)合成器合成后保證最終輸出功率大于200W，其組成框圖見圖1。

圖1　2.5GHz～6GHz頻段固態(tài)發(fā)射機原理框圖

本射頻放大鏈為寬帶功放，為減少頻帶內(nèi)輸入輸出駐波對前級功放的影響，級間必須加隔離，常規(guī)的隔離器件有隔離器和衰減器，隔離器為首選器件。末級的4路合成模塊采用平衡式的放大器結(jié)構(gòu)來保證功放模塊的端口駐波。一分四功率分配器采用多級威爾金森功分器結(jié)構(gòu)形式，四合一功率合成器則由空氣板線合成器實現(xiàn)，以滿足連續(xù)波大功率的要求。

射頻放大鏈在工作頻帶內(nèi)功率有起伏，頻率低端功率高而高端功率低，多級級聯(lián)后功率起伏會更大，在超寬帶功放中，整個頻帶內(nèi)的功率增益變化更大，為保證帶內(nèi)的增益起伏，電路中采用均衡網(wǎng)絡(luò)來進行幅頻校正，其衰減特性與前一級放大電路的輸出功率的幅頻特性互補，從而使前一級放大電路的輸出功率經(jīng)過均衡網(wǎng)絡(luò)以后在工作頻帶內(nèi)保持平坦，保證下一級放大電路的正常工作。均衡網(wǎng)絡(luò)采用電阻加載開路線的結(jié)構(gòu)形式來實現(xiàn)，通過調(diào)整開路線的長度來調(diào)節(jié)頻率特性。

固態(tài)發(fā)射具有功率適度惡化的優(yōu)點，末級采用多管合成，部分末級功率管失效，發(fā)射機的輸出功率適度減少。在n路合成功放系統(tǒng)中，當(dāng)有m路失效時，輸出功率下降為(1-m/n)2P0,其中P0為所有功放正常時的輸出功率。

功率管選用了新型功率器件——GaN功率器件，該器件具有功率大、增益高、效率高、可連續(xù)波工作的特點，功率管采用降額設(shè)計，輸出功率較額定輸出功率均有一定的回退；針對影響GAN功率管高功率密度帶來的散熱問題，末級功放模塊采用兩個中功率的功率管合成來替代一個大功率功率管，管芯溫度最高為160℃，遠低于器件最高結(jié)溫225℃的要求，分擔(dān)了功率管的散熱壓力。

4.3電源設(shè)計

本固態(tài)放大鏈為全固態(tài)發(fā)射機，功放工作時需要提供低壓大電流的直流功率。發(fā)射電源的功能就是將電站提供的交流電通過高效率的AC/DC變換器，向固態(tài)放大器提供直流功率。電源部分由28V/80A、5V/1A、-5V/1A三個品種的電源組成，其中5V/1A主要給控保和檢測電路使用，-5V/1A給GaN功率管提供柵壓，28V/80A電源給GaN功率管提供漏極柵壓。電源原理框圖如圖2所示。

圖2　電源組成原理框圖

±5V電源采用一只BICOR公司出品的二代DC/DC模塊作為穩(wěn)壓元件，單只模塊最大輸出功率為100W。模塊采用零電流諧振技術(shù)作為模塊技術(shù)核心，操作頻率可達1MHz，效率超過80%，體積小，功率密度高，功能完善，內(nèi)部集成了過壓、過流、過熱保護功能，提供外部電壓微調(diào)，提供并聯(lián)接口及遙測端。

28V電源輸出功率較大，因此采用PFC功率因數(shù)校正VICOR模塊電源多路并聯(lián)方式產(chǎn)生所需電源。功率因數(shù)校正單元由分立器件構(gòu)成，最大輸出電流為5A。后級電源采用6只BICOR公司出品的二代DC/DC模塊并聯(lián)輸出，單只模塊最大輸出功率為600W，

高壓電源線選用具有金屬屏蔽層的線纜，避免外界干擾。對工作電流大于等于25A的電源線提供防護措施，如安裝保護裝置或擋板、保證間隔、以防短路及標(biāo)上警告標(biāo)志等。25A以上的所有電源匯流條，都有防護裝置和足夠大的隔離空間。所有的設(shè)備都具備過載保護裝置；設(shè)置良好的接地裝置，以保證所產(chǎn)生的靜電能迅速導(dǎo)入地下。

4.4控保設(shè)計

控保電路主要由控制電路和三個故障檢測電路組成。固態(tài)發(fā)射機在RS422方式的控制信號控制下工作，并將故障信號匯總送控制計算機顯示。其基本組成框圖見圖3。

圖3　控保電路組成框圖

故障檢測電路分別檢測固態(tài)發(fā)射機的輸入射頻信號、輸出射頻信號和輸出反射功率。當(dāng)天饋線駐波大于3:1時，輸出反射功率檢測電路給出故障信號，送控制電路，切斷發(fā)射電源；當(dāng)激勵信號正常時，若輸出功率低于設(shè)定值，則輸出射頻檢測電路給出故障信號，送控制電路；控制電路接到發(fā)射開機信號后，給發(fā)射電源的28V電源給出加電指令；發(fā)射機具備具備過熱保護功能，當(dāng)功率管管殼溫度超過正常的工作溫度時，熱繼電器工作，功率管將自動停止工作。

5　結(jié)語

提高固態(tài)發(fā)射機的可靠性可以有效降低發(fā)射機的壽命周期成本，為固態(tài)發(fā)射機的推廣應(yīng)用打下堅實的基礎(chǔ)。本文在綜合考慮固態(tài)發(fā)射機可靠性因素的基礎(chǔ)上，提出了一種寬頻段大功率全固態(tài)發(fā)射機的可靠性設(shè)計方案，方案采用超寬帶功放模塊、大功率合成和大動態(tài)功率調(diào)節(jié)技術(shù)，運用降額設(shè)計、冗余設(shè)計和模塊化設(shè)計等思想，實現(xiàn)發(fā)射機在寬帶工作條件下的線性高功率輸出，充分發(fā)揮了全固態(tài)發(fā)射機的優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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A Reliability Design of Wide-Band High-Power Solid-State Transmitter*

This paper introduces the key factors effecting the reliability of solid-state transmitter and measures to improve the reliability of the transmitter, provides the basis for the reliability design of transmitter. On the basis of considering the reliability factors a scheme of wide-band, high-power and solid-state transmitter reliability design is presented, which is of great significance to the popularization and application of solid-state transmitter.

solid-state transmitter, reliability, amplifier chain

2016年2月7日,

2016年3月12日

賈金偉,男,碩士,工程師,研究方向：雷達對抗。

TN948

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.038