Ku波段300W固態發射機的研制

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

隨著半導體器件工作頻率向毫米波頻段延伸，固態發射機的研制也向越來越高的頻段發展。自動化、高精度、高頻率、寬頻帶和大功率是固態發射機發展的大趨勢。然而，隨著工作頻率的提高和輸出功率的增大，模塊化技術、大功率合成技術、散熱技術、智能化技術仍然是固態發射機設計的關鍵技術和研究重點。

本文所論述的最新研制成功的Ku波段300W固態發射機，其主要特點為:a.模塊化設計，結構緊湊，維修方便;b.合成效率高，發射機合成效率大于93.7%;c.完備的故障檢測與保護系統，可以全天候無人值守工作;d.優良的散熱特性。

2 系統設計

2.1 主要技術指標

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%

射頻輸入信號功率:14dBm±1dB

發射脈沖上升沿時間:≤50ns

發射脈沖下降沿時間:≤50ns

頂降≤0.5dB

雜散、相噪與輸入激勵信號相比惡化小于3dB

2.2 發射機的組成及工作原理

發射機系統由前級功率放大模塊、波導分路器、末級放大模塊、波導合成器、輸出檢測模塊五個模塊組成(發射機所需電源由總站提供)。發射機的組成框圖如圖1所示。

該發射機的工作原理如下:

在雷達主控計算機的控制下，來自頻率綜合器的射頻信號(輸入功率約14dBm)，經過前級功率放大模塊放大后輸出27dBm，然后經過一分四波導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，分別推動四個末級放大模塊，然后輸出四路80w信號，四路80w信號經過波導功率合成器合成，得到大于300W的脈沖輸出功率。

圖1 發射機原理框圖

輸出檢測模塊的波導環形器實現發射機輸出與天線的隔離，同時通過其第三端連接波段耦合器，對發射機反射功率進行采樣，實現輸出功率的過反射保護，大功率波導定向耦合器對發射機的輸出功率信號進行耦合采樣，實現發射機輸出功率和微波包絡的檢測。

控制與保護系統一方面與雷達系統主控計算機通信，接收來自雷達系統的指令，將發射機的工作狀態報告給雷達系統，另一方面與發射機各組成部分通信，傳遞雷達系統指令和收集發射機系統各組成部分狀態報告，控制系統自動按預定狀態和時序及邏輯開關機，實現檢測和顯示系統的工作狀態，自動按時序和預定邏輯實現發射機的故障檢測和自動保護功能。

3 發射機分系統的研制

3.1 功放模塊的研制

固態功率放大是全固態發射機設計的核心。功放模塊性能的好壞，將直接影響整個雷達的電氣性能。該發射機的功率放大由前級功率放大模塊和末級功率放大模塊兩個部分組成。其中，末級功放模塊是設計的關鍵。

根據系統設計要求，功放模塊應該有較大的輸出功率和高的效率，同時也要滿足帶寬、增益和穩定性的要求。在兩級功率放大模塊的設計中，我們選用內匹配放大器，同時采用寬帶外匹配電路，保證了發射機的工作帶寬，而且工作頻點數和頻點間隔可任意選取。為了提高發射機的可維修性，前級功放模塊和末級功放模塊設置了射頻輸入信號、射頻輸出信號、射頻反射信號、電源、模塊溫度的檢測電路，通過指示燈在發射機前面板直觀顯示，同時將兩級功放模塊的工作狀態送給發射機的控制保護系統，實時監控放大器的工作狀態。

在功放模塊的設計中，由于模塊內部射頻電路和直流電路、數字電路并存且排列緊密，微帶電路間存在著互耦、串擾、輻射等問題，因此電磁兼容性的設計至關重要。在設計中，利用EDA軟件，采用“場路”結合的方法對兩級功放模塊存在的電磁兼容問題進行抗干擾設計;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。并在調試中反復試驗，最終取得了滿意的效果。末級功放模塊的結構如圖2所示。

圖2 末級功率放大模塊

3.2 波導功率分配/合成技術

功率合成有多種方式，其中波導合成器是最傳統的一種合成形式。它具有的功率容量高、損耗小等優點是其他任何一種合成方式都無法相比的。作為發射機最后一級合成，減小損耗、提高合成效率，對最后的功率輸出起著決定性的作用。波導結構特別適合大功率、高效率的功率合成。

在本文中，根據發射機的技術指標，我們選用波導功率合成技術，主要結構是由三個魔T組成一分四的大功率波導功率分配/合成器。模型仿真結果如圖3，實物照片如圖4所示。在設計中，首先是模型的選擇和設計，其次精密的機械加工和高質量的電鍍工藝至關重要，它能夠保證波導合路的均勻性和對稱性，有效抑制高次模的產生。這是波導合成技術的關鍵，決定了合成效率。

圖3 波導功率分配/合成器模型及仿真曲線

圖4 波導功率分配/合成器實物照片

使用矢量網絡分析儀Agilent E8363B進行測試，測試結果如表1所示。

圖5 發射機散熱設計

表1 波導功率分配/合成器(2只)測試數據

從表1中可以看出，在設計的頻率范圍內，駐波系數小于1.32，四路波導魔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°。從測試結果看，通過采用波導魔T的方式實現Ku波段功率分配/合成，能滿足Ku波段大功率固態發射機功率合成的要求。

3.3 控制保護系統的設計

該發射機具有完備的故障檢測功能和自動保護功能。控制保護系統主要完成發射機的控制、監測、保護、通訊和顯示功能，包括加斷電時序控制、功放模塊監測等。

該固態發射機的功率放大模塊工作電流大，控制保護系統需要具有較強的抗干擾能力和穩定性。控制保護系統的主要功能是監測發射機各個模塊的電源狀態、功率檢波輸出、功放模塊溫度等參數，并進行綜合判定，將發射機的工作狀態實時上報雷達總站，保證發射機穩定可靠的工作。

在設計中，采用CPLD作為控制器，負責發射機內加斷電、保護等時序控制，實現發射機調制脈沖寬度控制和占空比檢測。硬件采用Altera公司的EPM7160STI100-10，該器件有3200個可用門，160個宏單元，是一個容量不大但信價比較高的可編程邏輯器件。設計中充分利用Altera公司CPLD的快速準確特性，圓滿實現了發射機的控制保護功能。

該控制保護系統不僅能夠屏蔽過寬的脈沖以及過高工作比的脈沖，而且能夠應付多達幾十種射頻脈沖寬度和脈沖重復頻率的組合。即使主控臺送來的狀態信號受干擾、出現亂碼或者斷電，發射機輸入端都不會出現超脈寬或超工作比的射頻信號。

在發射機調試和工作過程中，該控制保護系統工作性能穩定，保證了發射機工作的穩定性和可靠性。

3.4 散熱設計

固態發射機中功放模塊的高組裝密度和高發熱量使得固態發射機的散熱設計成為整機可靠性設計的一個重要環節。根據設計指標，發射機的總熱流量為481W，其中1個前級模塊1W，4個末級模塊各120W。發射機的功耗主要集中在4個末級功放模塊，末級模塊散熱面的熱流密度0.5W/cm2。根據模塊熱流密度和總體設計要求，發射機采用強迫風冷的散熱方式。

確定風冷的散熱方式后，合理的風道設計至關重要。針對熱源較集中的特點，在散熱設計中，為了減小風阻，著重從以下幾個方面進行設計:a.通過機柜四周壁形成封閉的空氣通道;b.4個末級并排放置，上端為進風口，下端為風機出風口;c.離心風機抽風冷卻，安裝在機柜底部。根據發射機所需的通風量，選擇PAPST公司的型號為4184NHX的風機(2個)。發射機的風道設計如圖5所示。

利用仿真軟件，在Flotherm仿真平臺上建立仿真模型，對發射機的獨立風道進行溫度特性模擬。仿真模型和仿真的結果分別如圖6、圖7所示。仿真結果表明:在環境溫度50℃情況下，功率放大模塊的最高溫度點為65.4℃.該散熱方式滿足固態發射機的熱設計要求。

此方案設計的固態發射機已經順利通過了各種試驗及連續開機工作測試，發射機工作穩定，證明了該熱設計的可靠性。

4 整機性能測試

根據設計方案，通過對發射機關鍵技術的分析，首部發射機樣機已經成功研制，整機結構圖和實物照片如圖8、圖9所示。在實驗室進行性能指標測試時，測試條件包括常溫、高溫和低溫環境。

4.1 工作帶寬

測試結果表明;在1GHz帶寬的工作范圍內，常溫以及高低溫環境下，發射機都能夠穩定工作，在工作頻帶內輸出功率大于300W。測試結果表明，在設計指標內，該發射機的相對工作帶寬可以擴展至1.5GHz。

4.2 輸出功率和頂降

發射機總輸出功率通過四路80W末級功率放大模塊合成實現，測試結果表明:在工作頻帶內，發射機的輸出功率高于300W。合成效率大于93.7%。發射脈沖功率的頂降小于0.35dB。

4.3 發射脈沖的上升沿和下降沿

發射機采用脈沖調制方式工作。在常溫及高低溫環境下，發射機系統實際測得的上升沿、下降沿均小于30ns。

4.4 相位噪聲惡化

用頻譜分析儀測試發射機耦合輸出射頻信號，在工作頻帶內，發射相位噪聲變壞小于3dB。

5 結束語

本文論述的Ku波段高功率固態發射機經過高溫、低溫，常溫和振動試驗，各項技術指標均達到或者優于設計值。該發射機在實際應用中，具有輸出功率大，工作頻率高，工作頻帶寬，可長時間無人值守工作等特點。同時，在發射機的設計過程中，作者對涉及的關鍵技術如波導大功率合成技術、散熱技術、智能化技術等也進行了較為深入的研究，取得了一定的成果，具有較大的參考價值，為探索固體發射機向著更高頻率、更大功率、更高度智能化方向發展提供了有益的借鑒和參考。

［1］ 馬云柱，楊斐，雷國忠.C波段600W固態發射機系統的研制［J］.火控雷達技術，2009，38(2):86-89.

［2］雷國忠.雷達發射機關鍵技術的研究［J］.火控雷達技術，2000，29:46-49.

［3］李躍峰，陳福媛，李磊.一種Ku波段固態發射機的設計［J］.火控雷達技術，2006，67-69.

［4］羅忠省，臧新梅，張麗琴.C波段高功率超大脈寬固態發射機系統的研制［C］.第十屆全國雷達學術會議論文集，2008.

［5］周斌，鄭新.S波段全固態有源加權相控陣雷達發射機［J］.現代雷達，2006，28(1):65-67.