UHF波段5kw脈沖功率放大器設計

衛明 王姜鉑

摘要：介紹了一款UHF波段脈沖功率放大器的設計方法，重點介紹了該功放的主要技術指標、組成框圖、分配合成電路設計及控制檢測保護電路的設計。使用ADS軟件對兩路功率合成分配器以及四路功率合成分配器進行仿真，之后對功放單機進行測試，測試內容包括輸出功率、效率、前后沿、頂降。測試結果表明：在380MHz～450MHz的頻率范圍內輸出功率大于5kW，增益大于64dB。

關鍵詞：脈沖功率放大器;分配合成電路;控制檢測保護電路

0引言

固態發射機具有高可靠性、長壽命、易維護性等優點，越來越受到雷達總體和眾多用戶的青睞。我國自20世紀70年代開始全固態雷達發射機的研制，目前固態發射機已經趨于成熟。

本文研制了一種工作于UHF波段的大功率固態脈沖功率放大器，文中描述功放的組成、分配合成器設計及控制檢測保護電路設計，最后給出測試數據。

功放的主要技術指標和組成

主要技術指標：

工作頻段：380MHz～450MHz;

輸出功率：≥5000W：

最大工作比：10%：

脈沖前后沿：≤0.1us;

頂降：不大于0.5dB：

脈沖寬度：0.1us-1ms;

效率：≥30%。

1固態功放設計

1.1功放組成

功放的組成框圖如圖1，由一臺前級功放和兩臺3500W末級功放組成。輸入RF信號經脈沖保護器、30W前級模塊、300W推動級模塊及帶通濾波器后分為兩路，分別送到兩個相同的3500W末級功放，兩路末級信號由兩路合成器進行合成，經定向耦合器、環形器輸出至天線。控制電路用于監測脈寬和占空比，以防止脈寬過大或占空比太高導致功率晶體管損壞。當功放出現各種故障時（如過熱、功率管損壞、占空比過大等），脈沖保護器斷開，避免后續放大器件的損壞，同時在面板上指示故障狀態，并將故障信號上報。

前級功放由脈沖保護器、30W前級、300W推動級、帶通濾波器、二路分配器/合成器、定向耦合器、環形器、衰減器、控制保護電路、DC/DC電源模塊等組成。DCIDC電源模塊采用的是輸出電壓可調的模塊，負責給30W前級、300W推動級供電，根據調試情況，調整DC/DC電源模塊的輸出電壓來調整前級功放的輸出功率，使輸出功率既能滿足全溫度范圍內的兩個末級功放的需求，又不會對末級功放的功率管產生過沖。

3500W末級功放由8個700W功放模塊、二路分配/合成器和四路分配/合成器組成的八路分配/合成器、儲能電路和保護電路等組成。700W功放模塊是比較成熟的模塊，在此文中就不再詳述。

1.2分配合成電路設計

功放里主要使用的分配合成電路有兩種，分別是同相二路分配/合成器和四路同相分配/合成器。四路分配/合成器都由魔T組成的原理如圖2。如果作為分配器使用，端口1為輸入端，端rq2、3、4、5為輸出端，如果作為合成器使用，端口2、3、4、5為輸入端，端口1為輸出端。實測插損小于0.4dB，隔離度大于20dB。

二路分配/合成器組成如圖26。如果作為分配器使用，端口1為輸入端，端口2、3為輸出端，如果作為合成器使用，端口2、3為輸入端，端口1為輸出端。實測插損小于0.4dB，隔離度大于15dB。

1.3控制檢測保護電路設計

為了控制發熱量，避免管子燒壞，必須對信號的脈寬和占空比進行檢測。因此在30W前級功放模塊前連接了一個可控的低功率射頻開關，開關的閉合與打開受控于以下幾個信號。

①過脈寬/過占空比報警信號：

②駐波報警信號：

③TTL調制信號。

其控制原理如圖4所示。各控制信號分別有專門對應的電路產生，通過一個與門輸出TTL控制信號控制射頻開關。當各路與門輸入都是高電平，TTL控制信號高電平，SPDT開關閉合到射頻放大器鏈路上：只要各路控制信號中有一路出現低電平，TTL控制信號為低電平，射頻開關閉合到50歐姆吸收電阻上，斷開射頻放大器鏈路。

功率檢測和保護電路分為前向功率檢測和反向功率檢測，實現了駐波報警功能和輸出功率顯示功能。其原理如圖5所示，功放使用的耦合器為單定向耦合器，只耦合出一部分前向功率。耦合器的輸出功率通過環形器，環形器的隔離端輸出的是負載反射功率，通過一個衰減器再進行檢波。正反向功率檢波后分別進行功率檢測，輸出對應的峰值電壓。經過ADC模數轉換，然后交由單片機進行數字處理，處理的結果一路作為輸出到顯示屏，可以顯示峰值功率，駐波等信息。一路產生TTL駐波報警信號送到功放的輸入端SPDT射頻開關，當報警信號為低電平，表示駐波過大，則斷開輸入端的射頻開關，起到駐波保護的目的。

前向功率檢測和反向功率檢測的方法完全一樣，都是利用采樣保持電路的原理。其原理如0所示，采樣保持器在TTL控制信號的作用下，當輸入有脈沖包絡的時候，輸出跟蹤輸入的變化。當輸入脈沖包絡消失的時候.輸出依然能夠保持脈沖包絡的電壓幅度。由于這里的檢波器是采用功率檢波，即檢波器輸出的脈沖包絡電壓值正比于輸入的射頻脈沖功率值，所以采樣保持器的輸出電壓幅度即代表正向或反向的脈沖峰值功率。采樣保持器的TTL控制信號直接由檢波包絡通過整形電路來產生。

這里采用集成電路采樣保持器。AD781/AD783，可以滿足采樣穩定時間小于最短的脈沖寬度0.1u s的要求，同時它們的電壓降落速率大約是0.01uV/us，可以長時間對電壓進行保持。

25kW功放單機的測試結果

把前級功放和兩個末級功放級聯，經過精心調試，最終測試取得了滿意的結果。過占空比、過脈寬，大駐波保護功能均正常。在脈寬1ms，周期10ms，功放輸入電平3d Bm的情況下，測試數據如圖，輸出功率大于5kW，效率大于32%。

前后沿、頂降測試數據如表1，均滿足要求。

3結論

UHF波段5kW脈沖功率放大器的研制包括脈沖保護器、多級功率放大模塊合成、儲能及保護控制電路的設計，技術難度高，通過科學的指標分解和精密的計算與仿真，在0.1us～1ms的較寬脈寬內，實現了前后沿不大于0.1us，頂降不大于0.5dB，功率輸出大于5kW，效率大于32%。各項性能指標達到預期的指標，該功放已經應用于某雷達模擬方艙中。