淺談全固態加權相控陣雷達發射機的設計思路

中國電子科技集團公司第三十八研究所 陶 磊

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淺談全固態加權相控陣雷達發射機的設計思路

中國電子科技集團公司第三十八研究所 陶 磊

【摘要】隨著固態功率器件的日趨成熟和成本的大幅度降低，固態發射機工作方式越來越靈活，工作壽命也越來越長，本文簡要介紹全固態幅度加權相控陣雷達發射機的系統設計，同時進行理論測算和仿真優化，通過全面測試和改進后測試，驗證到確實消除了天線陣面的熱島，為發射機的可靠工作提供了保障。

【關鍵詞】發射機；固態功放；設計

0 引言

隨著科技的日益發展，固態功率器件成本價格越來越低，性能也不斷的提高，固態有源相控陣雷達的一些相關的理論日趨成熟，在雷達的全壽命周期上提出了性價比的高要求，為了達到雷達高水平的吸引力，以降低天線副瓣電平的手段，提高雷達功能特殊性，多樣性等指標為目的，因此設計和開發了全固態加權相控陣雷達發射機。

1 全固態發射機系統設計

1.1 系統設計組成

全固態發射機的形式主要有集中放大式發射機和分布放大式發射機兩種。

集中放大式發射機　　分布放大式發射機功率合成高功率合成器將多個功放組件功率合成，然后通過天線集中發射天線上多個功放組件直接通過天線陣子單元發射出去量級　　一般為中小功率　　功率可大可小，靈活性大實現形式　　在組件上合成總的輸出功率要求　　在空間進行功率合成總的輸出功率要求

本文主要描述的是分布放大式雷達發射機設計，工作要求為s波段，1O%的相對帶寬工作，輸出峰值二十千瓦以上，脈沖寬度的可變范圍比較大。發射機的硬件組成主要分為以下幾點：驅動級功率放大器組件、前級放大器及保護電路、大功率開關電源和冷卻系統、有源陣面上的發射功率放大器組件等。發射機的信號實現如下：信號從本振源經過，進入前級放大器進行功率放大，然后饋線系統將功率分配到上，中，下三層，每層由一個行驅動器進行輸出功率功放，然后按需求發送到若干路列驅動功放。事實上雷達發射機子系統通過前級放大器、本振信號、行驅動功放、列驅動功放、發射功率放大器，將小信號逐步放大為大功率信號，然后通過天線單元輻射逐漸增大成多個高功率信號路徑，組合形成發射光束。

1.2 發射幅度加權

本雷達發射機設計采用了幅度加權的全固態有源相控陣形式。普通的固態有源相控陣中每個發射放大器組件發射輸出功率是相同的，而本發射機設計中各功率放大器的輸出功率是不一樣的，它是由計算機輔助設計進行了量化的幅度加權。發送功率放大器輻射排列成蜂巢，幅度大小分成四份，被稱為四階量化。具體地說，輸出功率位于從中心放大器模塊向外三個環形區域的間距依次減小，在俯仰和方位上都形成特定要求的錐削。

雖然這個發射機實施起來有一定的困難，但這種方法可以大大降低天線的副瓣電平，顯著改善雷達性能，可以滿足高性能指標的雷達系統的特殊要求。設計理論顯示天線的副瓣電平達到-22dB以下或者更小，而一般沒有經過幅度加權的天線的副瓣電平一般在-6dB ～ -13dB之間。當前雷達中的T / R模塊的數量越來越多，采用了模塊化設計發射部件，提高了設備的可靠性和可維護性。雖然在不同的量化的輸出功率放大不同，但是從雷達的整體設計的考慮，每個功率放大器元件，安裝尺寸，外部接口，輸入功率等的形狀要求一致性。使用這種降低工作電壓的方法，沒有任何不利影響，實現了幾種通用模塊輸出功率的一致。

2 發射功放組件設計

發射功放器模塊是固態發射機的核心，將直接影響雷達的電性能。如果對各個放大元件增加體積重量，天線也將增加很多重量，影響雷達天線的機械性能。因此，在進行組件設計時，必須認真在性能、模塊尺寸，重量和散熱之間作出一個選擇。

2.1 理論計算

固態功率放大器設計的主要內容是阻抗匹配網絡的設計。在寬帶阻抗匹配網絡的設計具有可變帶寬的靈活性，以選擇工作的低通濾波器的變形阻力，不僅具有阻抗匹配功能，而且還具有濾波的作用，阻抗匹配網絡微帶線所需較小的基板等，特別是對有源相控陣雷達發送器組件的需求。為了防止產生較大的誤差，用微帶線匹配電路實現精確模型。以4階匹配網絡為例，對上述非線性方程組所選擇的收斂判據可設定為：

2.2 仿真實驗

為了驗證上述計算結果的正確性，可使用微波仿真軟件來模擬仿真電路的電路的性能。 使用阻抗匹配網絡仿真軟件對輸入或輸出數據進行調節，計算出插入損耗和回程損耗，結合項目實際制作功放組件，進行產品的設計實現。

3 設計實現方法

3.1 電源并聯

從固態高功率發射機和電源發展的過去經驗中學習得到了改善，發射機的功率被設計成幾十個并聯電源模塊，可以大大提高發射機的可靠性。工作過程中如果幾個電源單元出現故障，發射器仍能正常工作。

3.2 發射單元冷卻

固態發射單元的加熱密度比較大，因此需要使用一種有效的散熱器。通過理論計算，并參考以往的經驗，我們選擇了一個曲折的鰭片散熱器。散熱器具有的特點為重量輕，散熱面積大，熱效率高。為了減少元件的尺寸，重量，我們使用高介電常數的復合微波電介質板。同時所有的微波晶體管的計算機輔助設計和優化的匹配電路，以進一步減小尺寸，易于調試。在固定微波介電復合板，PCB采用整體焊接技術。這將不僅防止振動引起的天線和接地效果的影響。

由于發射機具有幅度加權特殊性輻射，天線表面是凹凸不平的。因此，考慮到冷卻系統的設計時，使用以下特殊方法。首先，將天線陣列的表面是單獨設計的鎮流器。通過計算機模擬和實驗，這取決于熱功率放大器的量，不同大小的通風口，以啟動空氣量所需的各種部件的合理分布的所有壓載艙和傳輸部件組之間。其次，天線前代表位置設立了數十個熱電偶，測得的發射模塊的工作溫度。

3.3 保護電路

從過去的雷達發展過程可以看出，顯示的信號源發送器在開關瞬間有連續波。一旦這種現象，有可能燒毀大脈沖發射機功率放大

器模塊，造成嚴重的后果。由于發射器的成本較高，在整個雷達的比重較大，為了安全起見，總是在發射器輸入端設置一個單獨的保護電路。保護電路的設計思路是非常獨特的，不僅屏蔽過寬脈沖和高脈沖占空比，并能夠應對幾十個RF脈沖寬度的組合和脈沖重復頻率。即使受到干擾信號，也不會在發射端出現超脈寬或超工作比的射頻信號。保護電路的設計很好的保護了雷達發射機的調試工作。

4 結束語

本文簡要介紹全固態幅度加權相控陣雷達發射機的系統設計，通過全面測試，驗證到確實消除了天線陣面的熱島，為發射機的可靠工作提供了保障。

參考文獻

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陶磊（1984－），助理工程師，從事固態發射機設計、調試系統的技術開發。

作者簡介：