一種C波段1 kW連續(xù)波固態(tài)發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)

劉永寧

(南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

固態(tài)發(fā)射機(jī)因具有高可靠性、長(zhǎng)壽命、易維護(hù)性等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到雷達(dá)總體和眾多用戶的青睞。我國(guó)于20世紀(jì)70年代初就開(kāi)始了全固態(tài)雷達(dá)發(fā)射機(jī)的研究，經(jīng)過(guò)四十多年的努力，至今已有多種全固態(tài)雷達(dá)發(fā)射機(jī)付之使用［1］。隨著固態(tài)功率器件的發(fā)展，在4 GHz以上的C波段和X波段，越來(lái)越多的大功率發(fā)射機(jī)采用全固態(tài)的體制。20世紀(jì)80年代中期，C波段GaAs FET的單管功率僅為10 W左右，目前單管輸出功率已達(dá)80 W，GaN單管輸出功率甚至可達(dá)120 W以上。

本文研制的C波段1 kW連續(xù)波固態(tài)發(fā)射機(jī)的主要功能是將來(lái)自頻率源的射頻激勵(lì)信號(hào)經(jīng)組件中的功率管進(jìn)行逐級(jí)放大，最后由4只大功率末級(jí)組件合成輸出大于1 kW的連續(xù)波射頻功率。由于是連續(xù)波應(yīng)用，而且組件的模塊化布局密度較高，考慮到散熱以及微帶線的功率耐受能力，因此，將每只末級(jí)功放組件輸出功率限制在350 W。采用更多數(shù)量的大功率末級(jí)組件進(jìn)行外部合成可構(gòu)成更大輸出功率的發(fā)射機(jī)。

大功率C波段功放組件的高增益將引起組件內(nèi)高低頻電磁干擾，而各級(jí)放大器之間的級(jí)間匹配情況、帶內(nèi)輸出功率起伏和末級(jí)功率管的合成效率等也會(huì)影響整機(jī)的性能指標(biāo)［2］。因此，在設(shè)計(jì)中需要特別注意功率管的級(jí)間隔離、腔體的結(jié)構(gòu)形式以及組件內(nèi)部各腔之間的電磁屏蔽。

1 發(fā)射機(jī)的組成和基本原理

發(fā)射機(jī)主要包括前級(jí)功放組件、末級(jí)功放組件、控制保護(hù)監(jiān)測(cè)單元、功率合成單元、配電單元和冷卻單元。

其工作的基本原理是:射頻激勵(lì)信號(hào)輸入到前級(jí)功放組件，經(jīng)過(guò)放大，最終由末級(jí)功放組件合成輸出大于1 kW的連續(xù)波功率，工作頻率為C波段。

圖1 發(fā)射機(jī)原理圖

1.1 前級(jí)功放組件

前級(jí)功放組件輸入功率不超過(guò)10 mW，由兩級(jí)放大組成，輸出功率大于10 W。由于整個(gè)功放通道的增益很高，為保證工作的穩(wěn)定，在結(jié)構(gòu)上使腔體寬度小于1/2的工作波長(zhǎng)，并且在級(jí)間加隔墻以降低相互影響。同時(shí)，1∶4功率分配器集成在前級(jí)功放組件內(nèi)部。

1.2 末級(jí)功放組件

末級(jí)組件由多級(jí)放大單元級(jí)聯(lián)組成，電原理框圖見(jiàn)圖2。

圖2 末級(jí)功放組件原理圖

將1 W的輸入功率放大到350 W。組件的輸入、輸出端均有隔離器，保證端口駐波良好，可以進(jìn)一步提高合成效率。

考慮到連續(xù)波應(yīng)用，將功率模塊射頻部分按照平面布局，便于功率管散熱。由于單個(gè)組件的工作電流超過(guò)150 A，所以將直流電源放置在組件的反面，這樣做的好處是減小了傳輸損耗，提高組件的效率。直流電源采用5只500 W的直流-直流(DC-DC)模塊并聯(lián)，可以提供2.5 kW的功率輸出。

由于末級(jí)功放組件的輸出連續(xù)波功率達(dá)到350 W以上，超出了一般微帶線所能承受的功率容量，因此設(shè)計(jì)了同軸波導(dǎo)雙模耦合合成器［3］作為組件內(nèi)部最后的合成輸出，它具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、超低損耗的特性。

同軸-波導(dǎo)雙模耦合器的微波模型是:在波導(dǎo)的兩個(gè)寬邊，以一對(duì)同軸端口的橫電磁(TEM)波激勵(lì)波導(dǎo)的H01模，波導(dǎo)的另一端有短路面，通過(guò)調(diào)節(jié)同軸端口內(nèi)導(dǎo)體伸入波導(dǎo)腔的長(zhǎng)度和直徑以及波導(dǎo)短路面的位置，可以獲得奇模激勵(lì)和偶模激勵(lì)的穩(wěn)定工作狀態(tài)。圖3給出了該耦合裝置的計(jì)算模型和電場(chǎng)分布圖。圖4給出了實(shí)物照片和測(cè)試結(jié)果。

圖3 計(jì)算模型和電場(chǎng)分布圖

圖4 實(shí)物和測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果顯示損耗小于0.2 dB(包括測(cè)試架損耗)。同時(shí)將組件內(nèi)部微帶部分的合成電路分成了兩部分，這樣降低了對(duì)微帶線的功率容量的要求，微帶線的最大承受功率只需達(dá)到350 W的一半，即不小于175 W，就可滿足使用且不會(huì)被燒毀。

為確保場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工作狀態(tài)，必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的偏置電路，從而把直流或控制電壓通過(guò)偏置電路加在晶體管各電極上。由于偏置電路設(shè)計(jì)的好壞直接影響放大器性能，在設(shè)計(jì)時(shí)必須遵循以下原則:(1)使其對(duì)射頻主電路的微波特性影響盡可能小，即不應(yīng)引入大的附加損耗、反射以及高頻能量沿偏壓電路的漏泄。(2)使其結(jié)構(gòu)盡可能緊湊。

如圖5所示，一般采用一段長(zhǎng)度為λg/4的高阻線對(duì)射頻扼制和一段長(zhǎng)度為λg/4的低阻線作為高頻旁路。偏壓應(yīng)從高、低阻抗的交接點(diǎn)加入，該點(diǎn)對(duì)高頻為零電位，由該點(diǎn)再經(jīng)λg/4的高阻線到達(dá)主線與高阻線交點(diǎn)，該點(diǎn)阻抗理論上應(yīng)為無(wú)限大，從而直流偏置對(duì)主線無(wú)影響［4］。

圖5 偏置電路原理圖

由于不同的GaAsFET的偏壓有所不同，約為-1.2 V左右，故需要一個(gè)簡(jiǎn)單的分壓電路，將-5 V變換到所需的偏壓值。

在C波段微帶線的輻射損耗已經(jīng)不容忽視，較厚的介質(zhì)基板將產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁輻射，大量的空間電磁波的輻射將對(duì)功率模塊的性能產(chǎn)生很大影響。為了減少空間輻射，必須采用高介電常數(shù)或厚度較薄的材料。而無(wú)論是哪種方法，都將造成微帶線條變得更細(xì)，導(dǎo)致線上的高頻電流密度加大，從而降低微帶電路所能承受的最大功率。

大功率、連續(xù)波工作狀態(tài)下微帶電路的功率容量的估值和熱設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

假設(shè)射頻通過(guò)微帶線時(shí)產(chǎn)生的溫升為ΔT，則有

式中:H為介質(zhì)厚度;PI為入射平均功率;M為單位長(zhǎng)度損耗;L為微帶線單位長(zhǎng)度;W為微帶線寬度;A為介質(zhì)導(dǎo)熱率。

對(duì)于材料厚度為0.25 mm、型號(hào)RT6002的介質(zhì)板，50 Ω微帶線最窄寬度為1.27 mm，表面光潔度按照1.6 μm計(jì)算，得到在8 GHz上的單位長(zhǎng)度損耗為5.47 dB/m。假設(shè)溫升ΔT=100℃，計(jì)算PI入射功率為209.4 W，所選用材料是能夠滿足使用要求的。

設(shè)計(jì)出的末級(jí)功放組件如圖6所示。

圖6 末級(jí)功放組件

1.3 4∶1多路波導(dǎo)合成器的設(shè)計(jì)

4條末級(jí)功放組件的合成采用3只改進(jìn)型波導(dǎo)魔T，每路之間具有高隔離度［5］，能夠承受不小于2 kW的連續(xù)波功率，損耗小于0.2 dB。圖7為改進(jìn)型波導(dǎo)魔T的計(jì)算模型，在T型結(jié)構(gòu)的中間做了切角，可以進(jìn)一步改善寬帶匹配特性。改變切角尺寸和左右兩條E面臂中間的劈尖的大小，可以同時(shí)獲得良好的匹配和隔離性能。

圖7 改進(jìn)型波導(dǎo)魔T

合成器輸出端直接和波導(dǎo)雙定向耦合器連接，分別獲得耦合發(fā)射機(jī)輸出功率和天饋線反射功率，通過(guò)控保實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)射機(jī)的輸出功率并為發(fā)射機(jī)總輸出端口提供大駐波保護(hù)功能。

1.4 控制保護(hù)

發(fā)射機(jī)具有本控和遙控兩種工作模式。控保單元采集各個(gè)部件的BITE電路送來(lái)的檢測(cè)信號(hào)，對(duì)功放組件、電源、激勵(lì)功率、發(fā)射機(jī)輸出駐波以及冷卻單元進(jìn)行監(jiān)測(cè)，判斷故障信號(hào)。如果出現(xiàn)故障則在面板指示故障地址并上報(bào)至雷達(dá)主控臺(tái)。

功放組件自身還具有過(guò)熱保護(hù)，能檢測(cè)輸入、輸出功率并向控保單元上報(bào)狀態(tài)。同時(shí)，對(duì)功率管柵極電壓進(jìn)行二次穩(wěn)壓和濾波，確保功率管處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。

由于GaAs功率管的應(yīng)用有嚴(yán)格的加電順序的要求，否則將造成損壞，因此要對(duì)功率管進(jìn)行加電順序的保護(hù)。在功放組件內(nèi)部對(duì)每只功率管的柵極電壓提供保護(hù)，將送入的柵極電壓與基準(zhǔn)電平比較，并且和開(kāi)機(jī)信號(hào)相與，進(jìn)行綜合判斷。當(dāng)柵極電壓低于基準(zhǔn)時(shí)則判斷其故障并立即切斷漏極電壓，從而保護(hù)了功率管。

1.5 冷卻設(shè)計(jì)

由于前級(jí)和末級(jí)功放組件的元器件采用了雙面安裝的方式，并且功放組件的熱耗很高，因此采用了水冷的冷卻方式，在功放組件的中間布置水道。在環(huán)境溫度50℃的條件下，二次冷卻裝置保證提供不高于50℃水溫時(shí)，要確保末級(jí)功率管的最高工作結(jié)溫Tjmax≤145℃的要求。發(fā)射機(jī)內(nèi)循環(huán)冷卻系統(tǒng)采用的循環(huán)介質(zhì)為冰點(diǎn)-45℃的乙二醇防凍液，整個(gè)發(fā)射機(jī)射頻部分由4個(gè)末級(jí)功放組件和1個(gè)前級(jí)功放組件組成，總需供水量為1.63 m3/h，單只末級(jí)為0.4 m3/h，單只前級(jí)為0.03 m3/h。

2 發(fā)射機(jī)的測(cè)試結(jié)果

根據(jù)上述分析的原則和步驟設(shè)計(jì)了C波段連續(xù)波固態(tài)發(fā)射機(jī)。測(cè)試表明發(fā)射機(jī)輸出功率穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求。

測(cè)試條件:連續(xù)波激勵(lì)功率為10 mW。測(cè)試結(jié)果如圖8所示。輸出功率大于1 kW，帶內(nèi)功率起伏小于0.8 dB，雜散小于-65 dBc，整機(jī)效率大于18%。

圖8 發(fā)射機(jī)的測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)與實(shí)測(cè)值相吻合，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，已在雷達(dá)整機(jī)中正常工作。其單元電路、功放組件甚至整機(jī)都可以作為基本單元，以合成輸出更高的功率。

本文介紹的雙模耦合功率合成網(wǎng)絡(luò)的微波結(jié)構(gòu)在頻率更高的X、Ka波段都取得了令人滿意的結(jié)果，其設(shè)計(jì)思路和方法值得推廣。

目前，大功率“集中式固態(tài)發(fā)射機(jī)”多用在C波段以下。近幾年來(lái)，隨著半導(dǎo)體功率器件在X、Ku、Ka各個(gè)頻段上的功率輸出能力不斷提高，發(fā)射機(jī)也在向更高頻率擴(kuò)展。固態(tài)高功率發(fā)射技術(shù)的發(fā)展是建立在半導(dǎo)體材料與制作工藝不斷取得新進(jìn)展的基礎(chǔ)之上的，通過(guò)對(duì)新型半導(dǎo)體材料以及管芯的結(jié)構(gòu)形式和工藝設(shè)計(jì)的研究，結(jié)合電路設(shè)計(jì)，會(huì)不斷有新型功率器件推出，發(fā)射技術(shù)也會(huì)隨之升級(jí)換代［6］。

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