一种C波段1 kW连续波固态发射机的设计

刘永宁

(南京电子技术研究所， 南京210039)

0 引言

固态发射机因具有高可靠性、长寿命、易维护性等优点，越来越受到雷达总体和众多用户的青睐。我国于20世纪70年代初就开始了全固态雷达发射机的研究，经过四十多年的努力，至今已有多种全固态雷达发射机付之使用［1］。随着固态功率器件的发展，在4 GHz以上的C波段和X波段，越来越多的大功率发射机采用全固态的体制。20世纪80年代中期，C波段GaAs FET的单管功率仅为10 W左右，目前单管输出功率已达80 W，GaN单管输出功率甚至可达120 W以上。

本文研制的C波段1 kW连续波固态发射机的主要功能是将来自频率源的射频激励信号经组件中的功率管进行逐级放大，最后由4只大功率末级组件合成输出大于1 kW的连续波射频功率。由于是连续波应用，而且组件的模块化布局密度较高，考虑到散热以及微带线的功率耐受能力，因此，将每只末级功放组件输出功率限制在350 W。采用更多数量的大功率末级组件进行外部合成可构成更大输出功率的发射机。

大功率C波段功放组件的高增益将引起组件内高低频电磁干扰，而各级放大器之间的级间匹配情况、带内输出功率起伏和末级功率管的合成效率等也会影响整机的性能指标［2］。因此，在设计中需要特别注意功率管的级间隔离、腔体的结构形式以及组件内部各腔之间的电磁屏蔽。

1 发射机的组成和基本原理

发射机主要包括前级功放组件、末级功放组件、控制保护监测单元、功率合成单元、配电单元和冷却单元。

其工作的基本原理是:射频激励信号输入到前级功放组件，经过放大，最终由末级功放组件合成输出大于1 kW的连续波功率，工作频率为C波段。

图1 发射机原理图

1.1 前级功放组件

前级功放组件输入功率不超过10 mW，由两级放大组成，输出功率大于10 W。由于整个功放通道的增益很高，为保证工作的稳定，在结构上使腔体宽度小于1/2的工作波长，并且在级间加隔墙以降低相互影响。同时，1∶4功率分配器集成在前级功放组件内部。

1.2 末级功放组件

末级组件由多级放大单元级联组成，电原理框图见图2。

图2 末级功放组件原理图

将1 W的输入功率放大到350 W。组件的输入、输出端均有隔离器，保证端口驻波良好，可以进一步提高合成效率。

考虑到连续波应用，将功率模块射频部分按照平面布局，便于功率管散热。由于单个组件的工作电流超过150 A，所以将直流电源放置在组件的反面，这样做的好处是减小了传输损耗，提高组件的效率。直流电源采用5只500 W的直流-直流(DC-DC)模块并联，可以提供2.5 kW的功率输出。

由于末级功放组件的输出连续波功率达到350 W以上，超出了一般微带线所能承受的功率容量，因此设计了同轴波导双模耦合合成器［3］作为组件内部最后的合成输出，它具有体积小、结构简单、超低损耗的特性。

同轴-波导双模耦合器的微波模型是:在波导的两个宽边，以一对同轴端口的横电磁(TEM)波激励波导的H01模，波导的另一端有短路面，通过调节同轴端口内导体伸入波导腔的长度和直径以及波导短路面的位置，可以获得奇模激励和偶模激励的稳定工作状态。图3给出了该耦合装置的计算模型和电场分布图。图4给出了实物照片和测试结果。

图3 计算模型和电场分布图

图4 实物和测试结果

测试结果显示损耗小于0.2 dB(包括测试架损耗)。同时将组件内部微带部分的合成电路分成了两部分，这样降低了对微带线的功率容量的要求，微带线的最大承受功率只需达到350 W的一半，即不小于175 W，就可满足使用且不会被烧毁。

为确保场效应晶体管的工作状态，必须设计相应的偏置电路，从而把直流或控制电压通过偏置电路加在晶体管各电极上。由于偏置电路设计的好坏直接影响放大器性能，在设计时必须遵循以下原则:(1)使其对射频主电路的微波特性影响尽可能小，即不应引入大的附加损耗、反射以及高频能量沿偏压电路的漏泄。(2)使其结构尽可能紧凑。

如图5所示，一般采用一段长度为λg/4的高阻线对射频扼制和一段长度为λg/4的低阻线作为高频旁路。偏压应从高、低阻抗的交接点加入，该点对高频为零电位，由该点再经λg/4的高阻线到达主线与高阻线交点，该点阻抗理论上应为无限大，从而直流偏置对主线无影响［4］。

图5 偏置电路原理图

由于不同的GaAsFET的偏压有所不同，约为-1.2 V左右，故需要一个简单的分压电路，将-5 V变换到所需的偏压值。

在C波段微带线的辐射损耗已经不容忽视，较厚的介质基板将产生强烈的电磁辐射，大量的空间电磁波的辐射将对功率模块的性能产生很大影响。为了减少空间辐射，必须采用高介电常数或厚度较薄的材料。而无论是哪种方法，都将造成微带线条变得更细，导致线上的高频电流密度加大，从而降低微带电路所能承受的最大功率。

大功率、连续波工作状态下微带电路的功率容量的估值和热设计至关重要。

假设射频通过微带线时产生的温升为ΔT，则有

式中:H为介质厚度;PI为入射平均功率;M为单位长度损耗;L为微带线单位长度;W为微带线宽度;A为介质导热率。

对于材料厚度为0.25 mm、型号RT6002的介质板，50 Ω微带线最窄宽度为1.27 mm，表面光洁度按照1.6 μm计算，得到在8 GHz上的单位长度损耗为5.47 dB/m。假设温升ΔT=100℃，计算PI入射功率为209.4 W，所选用材料是能够满足使用要求的。

设计出的末级功放组件如图6所示。

图6 末级功放组件

1.3 4∶1多路波导合成器的设计

4条末级功放组件的合成采用3只改进型波导魔T，每路之间具有高隔离度［5］，能够承受不小于2 kW的连续波功率，损耗小于0.2 dB。图7为改进型波导魔T的计算模型，在T型结构的中间做了切角，可以进一步改善宽带匹配特性。改变切角尺寸和左右两条E面臂中间的劈尖的大小，可以同时获得良好的匹配和隔离性能。

图7 改进型波导魔T

合成器输出端直接和波导双定向耦合器连接，分别获得耦合发射机输出功率和天馈线反射功率，通过控保实时监测发射机的输出功率并为发射机总输出端口提供大驻波保护功能。

1.4 控制保护

发射机具有本控和遥控两种工作模式。控保单元采集各个部件的BITE电路送来的检测信号，对功放组件、电源、激励功率、发射机输出驻波以及冷却单元进行监测，判断故障信号。如果出现故障则在面板指示故障地址并上报至雷达主控台。

功放组件自身还具有过热保护，能检测输入、输出功率并向控保单元上报状态。同时，对功率管栅极电压进行二次稳压和滤波，确保功率管处于稳定工作状态。

由于GaAs功率管的应用有严格的加电顺序的要求，否则将造成损坏，因此要对功率管进行加电顺序的保护。在功放组件内部对每只功率管的栅极电压提供保护，将送入的栅极电压与基准电平比较，并且和开机信号相与，进行综合判断。当栅极电压低于基准时则判断其故障并立即切断漏极电压，从而保护了功率管。

1.5 冷却设计

由于前级和末级功放组件的元器件采用了双面安装的方式，并且功放组件的热耗很高，因此采用了水冷的冷却方式，在功放组件的中间布置水道。在环境温度50℃的条件下，二次冷却装置保证提供不高于50℃水温时，要确保末级功率管的最高工作结温Tjmax≤145℃的要求。发射机内循环冷却系统采用的循环介质为冰点-45℃的乙二醇防冻液，整个发射机射频部分由4个末级功放组件和1个前级功放组件组成，总需供水量为1.63 m3/h，单只末级为0.4 m3/h，单只前级为0.03 m3/h。

2 发射机的测试结果

根据上述分析的原则和步骤设计了C波段连续波固态发射机。测试表明发射机输出功率稳定，各项指标满足要求。

测试条件:连续波激励功率为10 mW。测试结果如图8所示。输出功率大于1 kW，带内功率起伏小于0.8 dB，杂散小于-65 dBc，整机效率大于18%。

图8 发射机的测试结果

3 结束语

发射机的设计指标与实测值相吻合，系统稳定、可靠，已在雷达整机中正常工作。其单元电路、功放组件甚至整机都可以作为基本单元，以合成输出更高的功率。

本文介绍的双模耦合功率合成网络的微波结构在频率更高的X、Ka波段都取得了令人满意的结果，其设计思路和方法值得推广。

目前，大功率“集中式固态发射机”多用在C波段以下。近几年来，随着半导体功率器件在X、Ku、Ka各个频段上的功率输出能力不断提高，发射机也在向更高频率扩展。固态高功率发射技术的发展是建立在半导体材料与制作工艺不断取得新进展的基础之上的，通过对新型半导体材料以及管芯的结构形式和工艺设计的研究，结合电路设计，会不断有新型功率器件推出，发射技术也会随之升级换代［6］。

［1］ 郑 新，李文辉，潘厚忠，等.雷达发射机技术［M］.北京:电子工业出版社，2006.Zheng Xin，Li Wenhui，Pan Houzhong，et al.Radar transmitter technology［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2006.

［2］ 杨克俊.电磁兼容原理与设计技术［M］.北京:人民邮电出版社，2004.Yang Kejun.EMC theory and design［M］.Beijing:Posts＆Telecom Press，2004.

［3］ Song Kaijun，Fan Yong，Xue Quan.Millimeter-wave power amplifier based on coaxial-waveguide power-combining circuits［J］.IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2010，20(1):46-48.

［4］ 邢 靖，刘永宁.C波段固态功放设计和实验研究［J］.现代雷达，2005，27(6):59-62.Xing jing，Liu Yongning.Design and experimental research on C-band solid state power amplifier［J］.Modern Radar，2005，27(6):59-62.

［5］ Luo Y L，Li Q，Zha J H.A new high isolation 3dB divider/combiner for Ka band power-combining amplifier［C］//2011 International Conference on Computational Problem-Solving(ICCP).Chengdu:IEEE Press，2011:279-282.

［6］ 郑 新.三代半导体功率器件的特点与应用分析［J］.现代雷达，2008，30(7):10-17.Zheng Xin.Characteristics and application analysis of semiconductor power devices for three generations［J］.Modern Radar，2008，30(7):10-17.