一种支持宽带工作的S波段发射组件设计

孟欢++于龙++范青

摘 要

本文对于在某些多种大功率无线电发射设备同时集中使用的区域，如何在相近频率范围内有效的避免相互干扰，特别针对S波段雷达发射机设计了一种支持800MHz带宽工作的发射组件。该组件中的核心器件——功率放大管选用目前使用了最新技术的氮化镓功率管，使该组件乃至整套发射机都具有快速的脉冲上升时间。

【关键词】宽带 快速上升时间 氮化镓

随着现代各种类型无线电设备的快速发展，某些特定区域（如机场），会存在着多种大功率无线电发射设备集中使用的情况，这些设备的同时使用，会在相近频率范围内产生相互干扰，若这些设备支持宽带工作，则可以在有效的频率范围内选择最佳的工作频点，避免干扰的产生，从而使设备性能达到最优，这点对于情报雷达尤其重要，特别是在战术上可以很好的规避敌方的干扰及频率侦察，因此使其隐蔽性及战场存活概率得到了极大提高。

固态雷达发射机主要由若干发射组件组成，所以发射组件指标的优劣直接决定了发射机的性能。传统的发射组件通常采用的功率放大管为硅材料的双极型晶体管或结合了BPT和砷化镓工艺的LD MOS功率管，但这两种功率放大管都无法支持大功率宽带工作，而且脉冲信号上升时间较长，使得雷达整机的探测精度较低。本文为了克服上述现有技术的不足，设计了一种支持宽带工作的S波段发射组件，同时解决了固态组件快速脉冲上升时间的问题。

1 设计指标

本发射组件结合雷达整机要求，提出以下主要设计指标：

频率范围： 2.7GHz～3.5GHz

输入功率： 10W（峰值）

工作脉宽： ≤300μs

占空比： ≤10%

输出功率： ≥1kW（峰值）

上升时间： ≤50ns

下降时间： ≤20ns

顶降： ≤0.5dB

二次谐波： ≤60dBc

相噪恶化： ≤3dB

改善因子： ≤60dBc

由上可知，本组件具有800MHz的工作带宽，涵盖了S波段一次雷达常用的频率范围。

2 原理电路

如图1所示， PIN开关接收来自于前端输入的额定峰值功率为20W的激励推动，在PIN开关导通状态下输出功率送入第一250W 功率放大器，耦合口功率大约为20mW左右送入第一1分2分配器；第一250W 功率放大器经过功率放大后输出功率送入第一隔离器；第一隔离器输出端连接均衡器；均衡器输出端连接1分6串馈分配器；1分6串馈分配器输出端连接固定衰减器，调试时可将此固定衰减器拆下，装上测试工装，接上峰值功率计，测量从1分6串馈分配器输出的每个端口的峰值功率，如果端口功率的带内起伏较大，可以在均衡器上用匹配块调节，最终可将带内起伏控制在1dB之内；固定衰减器输出端连接第二250W 功率放大器，第二250W 功率放大器额定峰值输入功率为20W，若输入功率过大，可改变前面所述的固定衰减器的衰减值，以达到合适输入功率；第二250W 功率放大器的输出端连接第二隔离器；第二隔离器的输出端连接6合1串馈合成器，6合1串馈合成器输出端对外输出6路第二250W 功率放大器的合成功率，耦合口功率大约为1W左右送入第二1分2分配器；第一1分2分配器接收到来自于PIN开关耦合端的功率后将其分为两路，一路送往组件面板上的输入功率检测口，可以接上相关仪表进行输入功率的指标测试，另一路送往检波单元所对应的输入端；第二1分2分配器接收到来自于6合1串馈合成器耦合端的功率后将其分为两路，一路送往组件面板上的输出功率检测口，可以接上相关仪表进行输出功率的指标测试，另一路送往检波单元所对应的输入端；检波单元连接第一1分2分配器输出端的支路经过检波二极管后送入BITE所对应的输入端，连接第二1分2分配器输出端的支路在经过一个20dB固定衰减器进入检波二极管后送入BITE所对应的输入端；BITE分别接收来自于检波单元的输入输出检波信号在内部进行放大、整形、比较、判断后输出电平送往组件面板指示灯，用来指示功率正常情况并判断各种故障及时对组件进行保护。

2 器件选择

2.1 功率管

功率管是放大器的核心器件，由以上原理电路可知，本组件设计有两级放大链路，每级的功率放大器功率管型号均选用美国Integra公司生产的IGN2735M250，属于氮化镓场效应晶体管，AB类放大器，50欧姆内部匹配，典型增益11dB，漏极静态电流150mA，漏极额定工作电压+32V，栅极典型工作电压-3.2V，输出功率大于250W，效率大于45%，最大工作脉宽300μs，占空比10%，工作频率范围为2.7GHz～3.5GHz，脉冲上升时间实测值小于20ns。

2.2 PIN开关

PIN开关的作用为控制射频关断与导通，单刀单掷，成都970厂生产，型号为VJK1002，要求其具有不超过20ns的快速响应时间，从而保证组件快速的脉冲上长升时间；要求其除了供电接口外，还应具备输入端、输出端、TTL控制端及耦合端。TTL控制端特性为“0”关断，“1”导通；耦合端耦合度为30dB，隔离度30dB。

2.3 均衡器

功率管的输出功率大小在其工作频率范围内呈现出从低频到高频逐渐降低的特性且组件中的第一250W 功率放大器作为后端6个第二250W 功率放大器的推动级对功率平坦度要求较高，起伏越小越好，因此需要通过均衡器来控制输出功率的平坦度。本组件内的均衡器为微带吸收式，采用ADS仿真得到，损耗特性与功率管功率输出特性相同，按频率从低到高逐渐递减，范围为0.3dB～1.3dB。

2.4 分配器

串馈分配器具有重量轻，体积小等优点，本组件采用1分6串馈分配器，要求其频率范围为2.7GHz～3.5GHz，插入损耗小于0.5dB，隔离度大于20dB，端口驻波小于1.3，幅度不平衡±0.5dB，相位不平衡±3°，可承受功率值为500W。

2.5 合成器

为保证各端口的合成相位相近从而输出最大功率，串馈分配器需同时配合串馈合成器使用，本组件中所使用的6合1串馈合成器要求其频率范围为2.7GHz～3.5GHz，插入损耗小于0.5dB，隔离度大于20dB，端口驻波小于1.3，幅度不平衡±0.5dB，相位不平衡±3°，可承受功率值为2000W，具有输出功率耦合口且耦合度为30dB。

2.6 检波单元

检波单元中所采用的检波二极管生产厂家为中电55所，型号为WJ3022A。检波单元中含有输入输出两条支路，输入支路接收到输入功率信号后直接送入检波二极管检波输出。因为该检波二极管可承受的最大峰值功率为200mW，所以输出支路接收到输出功率信号后先经过一个20dB固定衰减器将信号峰值功率值衰减到该检波二极管的可承受范围内再送入检波二极管检波输出。

2.7 BITE

BITE具有指示功率正常情况及检测过温、过压、欠压等故障并关断PIN开关的功能。功率指示具体显示内容为：绿灯点亮，红灯熄灭代表功率检测正常；绿灯熄灭，红灯点亮代表未检测到输出功率；绿灯红灯一起点亮代表检测到输出功率未检测到输入功率。BITE还能够接收到来自于功率放大管漏极电压及安装在组件内部的温度继电器的吸合状态来进行判断组件是否有过压、欠压、过温故障，若出现上述故障则及时关断送往PIN开关的TTL控制信号以使PIN开关截止从而保护组件不受损坏。

3 测试数据

经过实际测试，将本组件各项指标记录于表1中。

4 结论

由表1可知，本组件经过实际测试，指标完全达到了设计要求且具有以下优点：

（1）支持宽带大工作比工作；

（2）快速的脉冲上升时间，实测值小于20ns；

（3）稳定的功能检测及故障保护；

（4）便于在线测量组件各项指标，组件面板上设计有输入、输出信号检测口，接上相关仪表可以直接对各项指标进行测量，从而判断前端激励及组件本身工作正常与否。

作者简介

孟欢（1984-），男，安徽省合肥市人。现为安徽四创电子股份有限公司工程师。主要研究方向为雷达发射机。

于龙（1984-），男，安徽省亳州市人。现为安徽四创电子股份有限公司工程师。主要研究方向为雷达发射机。

范青（1966-），男，四川省遂宁市人。现为安徽四创电子股份有限公司高级工程师。主要研究方向为雷达发射机。

作者单位

安徽四创电子股份有限公司 安徽省合肥市 230088