一種真空管發射機的固態化實踐

白志強

（中國空空導彈研究院，河南洛陽，471009）

0 引言

發射機是主動雷達導引系統的重要組成部分，它根據雷達體制和波形設計的要求產生相應調制波形的大功率射頻信號。功率放大器用于對頻率源產生的小功率射頻信號進行放大，是發射機的核心。目前高性能雷達發射機主要采用真空管和固態器件作為功率放大器件。一般來說真空管效率高，輸出功率大，在要求幾千瓦或更高輸出功率的情況下是較好的選擇。另外，真空管是典型的峰值功率器件，適合高峰均比的情況下使用。固態器件在效率和輸出功率上都不占優勢，但在可維護性、模塊化、復雜波形設計等方面存在優勢。下面就介紹一種真空管發射機的固態化實踐。

1 真空管發射機

■1.1 系統組成

在雷達發展之初，真空管是末級功率放大的主要功率源[1]。真空管種類很多，隨著技術發展，目前主要使用的有磁控管、速調管和行波管。某型發射機使用多注速調管作為功率放大器件，多注速調管是在單注速調管的基礎上發展起來的大功率微波器件,其結構及實物見圖1，主要由三大部件組成:電子槍（包括加熱燈絲、陰極和聚焦極）、高頻系統（包括輸入裝置、諧振腔、漂移管和輸出裝置）和收集極。

圖1 速調管結構示意及實物圖

圖2 發射機系統組成框圖

發射機的系統組成見圖2，除速調管外還包含主振源、高壓電源和輔助電路，其中主振源用于產生射頻激勵信號，高壓電源用于為速調管供電，輔助電路用于產生中頻信號及輔助電源。

■1.2 主要技術指標

發射機的主要技術指標如下：頻率范圍為Ku波段，瞬時帶寬≥0.1%，輸出峰值功率400W，工作比為30%，主供電電壓57V，速調管陰極電壓-2500V。

2 固態化需求

雖然上述速調管發射機性能優異，但在使用中面臨著（1）需要定期通電進行維護，（2）是故障維修周期長等問題。速調管故障多為真空度下降導致的發射能力弱（輸出功率小）或陰柵熱短路，除極個別能維修外，都只能報廢處理，更換新的管子。速調管功率增大時,它的帶寬也增大，而在本產品的功率水平上，速調管帶寬過窄，需要若干個工作在不同頻率的速調管才能覆蓋雷達的需求。這在生產過程中可以提前規劃，但在維修中由于無法預判故障產品的工作頻率，因此給備件帶來了困難。如果故障發生后再進行生產和裝機前存貯，周期長達一年，這顯然是無法接受的。

為解決以上問題，在速調管故障時有新的維修方案，擬對發射機進行固態化，即用固態功率放大器替代速調管和高壓電源。固態化后發射機對外電氣、機械接口不變，技術性能滿足要求。下面對可行性進行分析。

圖3 主振源與固態功率放大器的射頻連接框圖

(1)隨著國內半導體技術的發展，固態器件的工作頻率和功率水平不斷提高，在Ku波段已有輸出達40W的GaN功率MMIC，這為小體積下實現對真空管的替代提供了可能；

(2)該型發射機的輸出峰值功率與工作占空比使固態發射機的成本可以承受；

(3)由于固態發射機的效率低于速調管發射機，而系統采用熱電池供電，對熱電池長期儲存后的供電能力進行了評估，可以滿足固態化發射機的用電需求。

3 固態功率放大器設計

■3.1 結構設計

圖4 固態功率放大器結構模型

固態功率放大器可用的結構空間為速調管及高壓電源所在的位置。由于原設計中主振源位于高壓電源和速調管之間（主振源和速調管通過波導口連接），若保持主振源和發射機大功率輸出口的位置不變，固態功率放大器的結構設計將變得十分困難，且無法充分利用原有的空間，因此需對主振源的位置進行上移。主振源位置上移后，為方便與固態功率放大器對接，采用圖3所示連接方式。該方案形成的固態功率放大器結構模型見圖4，保持了發射機對外機械接口不變以及內部各組成部分的位置和固定方式基本不變。

■3.2 電氣設計

由于單個固態功率器件的輸出功率有限，為了獲得滿足要求的功率輸出，需要采用功率合成的方式，使多個固態功率器件并行工作。在設計中選用輸出功率為40W的GaN功率MMIC（型號WFDN140180-P46）為基本合成單元，該MMIC采用0.25μm柵長的GaN工藝制造而成，主要性能參數如下：

典型輸出功率：46dBm；

典型小信號增益：28dB；

典型效率：34%。

將40W功率芯片封裝在獨立的管殼中，采用微波絕緣子輸入輸出，形成如圖5所示的功放單元模塊。單元模塊全密封，增益、功率、相位可單獨調試。

圖5 功放單元模塊

功率合成的第一步是采用波導耦合器將8個功放單元模塊合成得到功放中模塊：輸入信號經過波導雙針耦合、微帶wilkinson功分器、微帶lange橋分配至8個功放單元模塊進行放大，放大后的信號經3dB波導耦合橋、H面波導合路器合成得到輸出功率大于280W的功放中模塊。功率合成的第二步是將2只功放中模塊采用波導合成得到500W以上的輸出功率，合計共使用16只40W功率芯片。若需要降低輸出功率，可以通過適當降低功率MMIC芯片的工作電壓來實現。

圖6 固態功率放大器組成框圖

除微波通路外，固態功率放大器（見圖6）包括控制保護電路、DC/DC電源、負電穩壓電路及漏極調制電路，共同實現微波功率的放大和調制功能。固態功率放大器的供電與速調管發射機保持一致：+57V通過DC/DC轉換為+28V，通過調制電路連接功率芯片的漏極；+27V通過DC/DC轉換為-9V后，通過2次穩壓和分壓后連接功率芯片的柵極；+15V電源通過穩壓后為控制保護電路饋電，實現控制功能。

4 實施效果

對研制的固態功率放大器進行測試,其達到的技術指標為：工作帶寬400MHz，輸出峰值功率500W，綜合效率24%。

雖然GaN器件的效率相比于GaAs器件大幅提高，但與速調管30%的效率相比，仍然較低。同時，固態發射機的調制電路部分有大量的儲能電容，上電瞬態會有較大的電流沖擊，因此對系統熱電池與固態發射機的適配性進行了試驗驗證。試驗共進行了120s，熱電池電壓從64V降至34V，消耗電流則相應上升，總輸出功率保持基本恒定，在這期間固態發射機的輸出功率也基本穩定，證明了系統熱電池可以滿足固態化發射機的用電需求[3]。

速調管發射機進行固態化后，保持了對外電氣、機械接口不變,性能滿足要求，實現了對速調管發射機的原位替換，不影響雷達系統中的其它部分。由于固態功率放大器帶寬寬的特性，其可以覆蓋系統整個工作頻帶，因此可提前對固態功率放大器進行生產備貨，在速調管出現故障時直接替換，解決了維修周期長的問題。固態化也帶來了如下問題:由于速調管帶寬窄，主振源原有的某些雜散分量被速調管所抑制；在固態化后，由于固態功率放大器帶寬變寬,對這些雜散分量的抑制變弱，需要通過對主振源調整進行解決。

5 結束語

在雷達領域，電真空管和固態器件有各自的應用場景，對于已有的真空管發射機,一般很難進行固態替代。本文介紹了一種速調管發射機的固態化實踐，在充分考慮結構、性能、成本的基礎上,以高效的GaN功率MMIC為核心器件,采用多級功率合成技術,研制了可替代速調管和高壓電源的固態功率放大器，最終成功實現了該型速調管發射機的固態化。