Ku波段300W固态发射机的研制

马云柱 王海涛 李 磊 陈福媛 杨 斐

(西安电子工程研究所 西安 710100)

1 引言

随着半导体器件工作频率向毫米波频段延伸，固态发射机的研制也向越来越高的频段发展。自动化、高精度、高频率、宽频带和大功率是固态发射机发展的大趋势。然而，随着工作频率的提高和输出功率的增大，模块化技术、大功率合成技术、散热技术、智能化技术仍然是固态发射机设计的关键技术和研究重点。

本文所论述的最新研制成功的Ku波段300W固态发射机，其主要特点为:a.模块化设计，结构紧凑，维修方便;b.合成效率高，发射机合成效率大于93.7%;c.完备的故障检测与保护系统，可以全天候无人值守工作;d.优良的散热特性。

2 系统设计

2.1 主要技术指标

工作频段:Ku波段

工作带宽:1GHz

输出功率≥300W(峰值功率)

脉冲宽度:120μs

占空比:≤30%

射频输入信号功率:14dBm±1dB

发射脉冲上升沿时间:≤50ns

发射脉冲下降沿时间:≤50ns

顶降≤0.5dB

杂散、相噪与输入激励信号相比恶化小于3dB

2.2 发射机的组成及工作原理

发射机系统由前级功率放大模块、波导分路器、末级放大模块、波导合成器、输出检测模块五个模块组成(发射机所需电源由总站提供)。发射机的组成框图如图1所示。

该发射机的工作原理如下:

在雷达主控计算机的控制下，来自频率综合器的射频信号(输入功率约14dBm)，经过前级功率放大模块放大后输出27dBm，然后经过一分四波导功率分配器输出四路20.6dBm(功分器插入损耗6.4dBm)的射频信号，分别推动四个末级放大模块，然后输出四路80w信号，四路80w信号经过波导功率合成器合成，得到大于300W的脉冲输出功率。

图1 发射机原理框图

输出检测模块的波导环形器实现发射机输出与天线的隔离，同时通过其第三端连接波段耦合器，对发射机反射功率进行采样，实现输出功率的过反射保护，大功率波导定向耦合器对发射机的输出功率信号进行耦合采样，实现发射机输出功率和微波包络的检测。

控制与保护系统一方面与雷达系统主控计算机通信，接收来自雷达系统的指令，将发射机的工作状态报告给雷达系统，另一方面与发射机各组成部分通信，传递雷达系统指令和收集发射机系统各组成部分状态报告，控制系统自动按预定状态和时序及逻辑开关机，实现检测和显示系统的工作状态，自动按时序和预定逻辑实现发射机的故障检测和自动保护功能。

3 发射机分系统的研制

3.1 功放模块的研制

固态功率放大是全固态发射机设计的核心。功放模块性能的好坏，将直接影响整个雷达的电气性能。该发射机的功率放大由前级功率放大模块和末级功率放大模块两个部分组成。其中，末级功放模块是设计的关键。

根据系统设计要求，功放模块应该有较大的输出功率和高的效率，同时也要满足带宽、增益和稳定性的要求。在两级功率放大模块的设计中，我们选用内匹配放大器，同时采用宽带外匹配电路，保证了发射机的工作带宽，而且工作频点数和频点间隔可任意选取。为了提高发射机的可维修性，前级功放模块和末级功放模块设置了射频输入信号、射频输出信号、射频反射信号、电源、模块温度的检测电路，通过指示灯在发射机前面板直观显示，同时将两级功放模块的工作状态送给发射机的控制保护系统，实时监控放大器的工作状态。

在功放模块的设计中，由于模块内部射频电路和直流电路、数字电路并存且排列紧密，微带电路间存在着互耦、串扰、辐射等问题，因此电磁兼容性的设计至关重要。在设计中，利用EDA软件，采用“场路”结合的方法对两级功放模块存在的电磁兼容问题进行抗干扰设计;选用新型的电磁屏蔽接插件;采用微波吸收材料减低射频电路的干扰等措施。并在调试中反复试验，最终取得了满意的效果。末级功放模块的结构如图2所示。

图2 末级功率放大模块

3.2 波导功率分配/合成技术

功率合成有多种方式，其中波导合成器是最传统的一种合成形式。它具有的功率容量高、损耗小等优点是其他任何一种合成方式都无法相比的。作为发射机最后一级合成，减小损耗、提高合成效率，对最后的功率输出起着决定性的作用。波导结构特别适合大功率、高效率的功率合成。

在本文中，根据发射机的技术指标，我们选用波导功率合成技术，主要结构是由三个魔T组成一分四的大功率波导功率分配/合成器。模型仿真结果如图3，实物照片如图4所示。在设计中，首先是模型的选择和设计，其次精密的机械加工和高质量的电镀工艺至关重要，它能够保证波导合路的均匀性和对称性，有效抑制高次模的产生。这是波导合成技术的关键，决定了合成效率。

图3 波导功率分配/合成器模型及仿真曲线

图4 波导功率分配/合成器实物照片

使用矢量网络分析仪Agilent E8363B进行测试，测试结果如表1所示。

图5 发射机散热设计

表1 波导功率分配/合成器(2只)测试数据

从表1中可以看出，在设计的频率范围内，驻波系数小于1.32，四路波导魔T输出端口插入损耗为6.4±0.25dB，相位不平衡度最大为5.4°。从测试结果看，通过采用波导魔T的方式实现Ku波段功率分配/合成，能满足Ku波段大功率固态发射机功率合成的要求。

3.3 控制保护系统的设计

该发射机具有完备的故障检测功能和自动保护功能。控制保护系统主要完成发射机的控制、监测、保护、通讯和显示功能，包括加断电时序控制、功放模块监测等。

该固态发射机的功率放大模块工作电流大，控制保护系统需要具有较强的抗干扰能力和稳定性。控制保护系统的主要功能是监测发射机各个模块的电源状态、功率检波输出、功放模块温度等参数，并进行综合判定，将发射机的工作状态实时上报雷达总站，保证发射机稳定可靠的工作。

在设计中，采用CPLD作为控制器，负责发射机内加断电、保护等时序控制，实现发射机调制脉冲宽度控制和占空比检测。硬件采用Altera公司的EPM7160STI100-10，该器件有3200个可用门，160个宏单元，是一个容量不大但信价比较高的可编程逻辑器件。设计中充分利用Altera公司CPLD的快速准确特性，圆满实现了发射机的控制保护功能。

该控制保护系统不仅能够屏蔽过宽的脉冲以及过高工作比的脉冲，而且能够应付多达几十种射频脉冲宽度和脉冲重复频率的组合。即使主控台送来的状态信号受干扰、出现乱码或者断电，发射机输入端都不会出现超脉宽或超工作比的射频信号。

在发射机调试和工作过程中，该控制保护系统工作性能稳定，保证了发射机工作的稳定性和可靠性。

3.4 散热设计

固态发射机中功放模块的高组装密度和高发热量使得固态发射机的散热设计成为整机可靠性设计的一个重要环节。根据设计指标，发射机的总热流量为481W，其中1个前级模块1W，4个末级模块各120W。发射机的功耗主要集中在4个末级功放模块，末级模块散热面的热流密度0.5W/cm2。根据模块热流密度和总体设计要求，发射机采用强迫风冷的散热方式。

确定风冷的散热方式后，合理的风道设计至关重要。针对热源较集中的特点，在散热设计中，为了减小风阻，着重从以下几个方面进行设计:a.通过机柜四周壁形成封闭的空气通道;b.4个末级并排放置，上端为进风口，下端为风机出风口;c.离心风机抽风冷却，安装在机柜底部。根据发射机所需的通风量，选择PAPST公司的型号为4184NHX的风机(2个)。发射机的风道设计如图5所示。

利用仿真软件，在Flotherm仿真平台上建立仿真模型，对发射机的独立风道进行温度特性模拟。仿真模型和仿真的结果分别如图6、图7所示。仿真结果表明:在环境温度50℃情况下，功率放大模块的最高温度点为65.4℃.该散热方式满足固态发射机的热设计要求。

此方案设计的固态发射机已经顺利通过了各种试验及连续开机工作测试，发射机工作稳定，证明了该热设计的可靠性。

4 整机性能测试

根据设计方案，通过对发射机关键技术的分析，首部发射机样机已经成功研制，整机结构图和实物照片如图8、图9所示。在实验室进行性能指标测试时，测试条件包括常温、高温和低温环境。

4.1 工作带宽

测试结果表明;在1GHz带宽的工作范围内，常温以及高低温环境下，发射机都能够稳定工作，在工作频带内输出功率大于300W。测试结果表明，在设计指标内，该发射机的相对工作带宽可以扩展至1.5GHz。

4.2 输出功率和顶降

发射机总输出功率通过四路80W末级功率放大模块合成实现，测试结果表明:在工作频带内，发射机的输出功率高于300W。合成效率大于93.7%。发射脉冲功率的顶降小于0.35dB。

4.3 发射脉冲的上升沿和下降沿

发射机采用脉冲调制方式工作。在常温及高低温环境下，发射机系统实际测得的上升沿、下降沿均小于30ns。

4.4 相位噪声恶化

用频谱分析仪测试发射机耦合输出射频信号，在工作频带内，发射相位噪声变坏小于3dB。

5 结束语

本文论述的Ku波段高功率固态发射机经过高温、低温，常温和振动试验，各项技术指标均达到或者优于设计值。该发射机在实际应用中，具有输出功率大，工作频率高，工作频带宽，可长时间无人值守工作等特点。同时，在发射机的设计过程中，作者对涉及的关键技术如波导大功率合成技术、散热技术、智能化技术等也进行了较为深入的研究，取得了一定的成果，具有较大的参考价值，为探索固体发射机向着更高频率、更大功率、更高度智能化方向发展提供了有益的借鉴和参考。

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