S波段全液冷固态发射机设计

由金光,姚武生,郑智潜

(中国电子科技集团公司第三十八研究所,合肥230088)

S波段全液冷固态发射机设计

由金光,姚武生,郑智潜

(中国电子科技集团公司第三十八研究所,合肥230088)

介绍新研制成功的应用在相控阵雷达的全液冷固态发射机。分析了本发射机系统组成与工作原理,重点介绍了采用的监控设计技术、电磁兼容技术、液冷热设计等技术。测试表明,该发射机能很好地满足各项技术指标的要求。

相控阵雷达；固态发射机；功放组件；热设计

0 引 言

随着科技的发展和现代战争的需要以及射频固态大功率放大技术的日益成熟,多功能相控阵雷达的运用也越来越广泛,同时对发射机在输出功率、体积、质量、幅相一致性及可靠性等指标上也提出了越来越高的要求。本文介绍一种用于S波段全液冷固态发射机的设计过程,并对其关键技术、模块化设计及液冷热设计的方法都进行了深入的探讨。

本发射系统在遵循模块化、标准化及保证技术指标的基础上,所有功能模块采用串口通讯技术,既减少了阵面机柜走线,同时也提高了阵面通讯的可靠性；通过对主电源的均流供电,提高了系统的可靠性；采用阵面液冷源结构,避免了长期使用水铰链导致雷达可靠性存在的问题。

该发射机的指标要求如下：

•品种、数量：

1 kW行发射机32个

•工作频率： S波段

•输出总脉冲功率： 大于32 kW

•脉冲宽度： 4～200 μs

•工作比： ≤10%

•行发射机幅度一致性： ≤1 dB(rms)

•改善因子： ≥60 dB

•工作温度： -40℃～+50℃

1 系统组成及关键技术

1.1 系统组成及工作原理

本发射机属于分布式放大发射机,主要由以下几部分组成：微波放大链、控制保护系统、大功率开关电源、液冷系统。其原理框图如图1所示。

发射机的基本工作原理如下：

从频率源送来的RF信号,经一激励放大组件(在接收分系统内,设有射频信号监测及保护功能)放大并一分为二,每路输出1.5 W左右,之后每路RF信号送至发射机柜上下两层；RF信号先经一移相功分组件,一分十六,每路至每行发射机输入端口(即功放组件输入端口)处的幅度为10 dBmW±1 dB,将32个行发射机分别放大后,每行输出1 kW以上的功率,馈送发射线源。每路行发射机由1个微波功率组件构成。机柜内共4个发射主电源,通过内均流技术产生(并联合成)36 V的主电压供给32个发射组件,一个低压电源通过均流产生的低压电压供给32个发射组件；位于阵面中的液冷源为发射机柜提供所需流量的冷却液体。

图1 发射机原理框图

电源是为微波放大链及监控电路提供所需要的直流电源。对本发射系统RF放大链采用4个36 V/100A型主电源模块集中内均流供电(且有一个电源的冗余)。这样可以在坏一个电源的前提下电源的电流会迅速调整,发射系统仍能正常工作,不影响发射系统的功率输出,提高了系统的可靠性。

组件内的BITE电路判断出输出功率降低、电源失效及功率管结温过高等故障后,一方面送到面板指示,同时送到机柜内的远端监控分机,由监控分机对机柜内的各种回馈信号进行汇总,远距离传送到系统监控中心,同时接收监控中心的指令,分送到各个模块中,对各个模块进行远距离控制。

冷却系统控制功放组件和电源的温升,为微波放大链和电源正常工作提供保证。

1.2 发射监控设计

发射系统的输入功率来源于频率源。为了保护功率组件,使其工作于安全的信号时序范围,首先对频率源的工作时序进行系统自检,判别射频工作时序是否会产生过脉宽或过工作比故障。射频监测采用成熟技术,实现对射频时序信号的实时、快速的检测与保护。当发生过脉宽或过工作比故障时,故障记忆,同时通过射频监测门套,快速关门套,切断发射系统的射频输入,从而起到保护的作用。功放组件可以接收来源于远端监控的开关机命令和门套信号,可以实现开关机控制和门套调制。具体功放组件又都是一个独立的子系统。组件内通过各自相应的控制、检测电路实现对组件的监视和控保。

考虑到该发射系统的大部分电路在天线上,信号需通过汇流环才能传输下来。根据系统所固有的特点,本发射机通过接口电路与阵面计算机相连,从而实现与雷达主监控的联系,由雷达主监控实现本发射系统的在线监测及控制。整个发射系统有32个功放组件,4个主电源,1个线性低压电源,1个液冷源,输入输出信号近千对。为了减少阵面导线数量及传输干扰,各模块的控制信号、故障信号内部采用统一的信号控制器。预先将各功能模块内部的各种并行的控制、故障信号变换到串口。系统监控通过422总线方式通过串口对各功能模块进行控制、监测。图2为发射监控原理图。

图2 发射监控原理图

1.3 电磁兼容的设计

由于本发射分系统全部位于天线阵面上,考虑到对其他系统的影响,以及外界对发射系统的影响,需进行电磁兼容设计。

电磁兼容即信号与干扰共存的能力。首先在电路设计时,如微带电路设计、放大器电路设计以及走线设计时需考虑此问题,其次在结构设计时采取措施。具体对本发射分系统来说,一是功放组件,主要是高频电场的串扰,即所谓的腔体效应,采取的措施如下：各级放大器电路间隔离；采用微波吸收材料；良好接地等；二是电源模块,主要是大电流的电磁干扰,采取信号地、电源地分开接地、合理的走线布局等办法,达到抑制干扰的目的；三是线缆间的干扰问题,在设计时应考虑合理的走线布局、绞合线及线缆屏蔽等。另外,还需考虑雷击防护问题。

此外,功放组件的信号接插与射频接插不能满足电磁屏蔽试验要求,因此采取增加屏蔽罩的措施。

图3为电磁屏蔽设计方案。

图3 电磁屏蔽设计方案

对于此雷达电磁兼容需过五项试验,难度最大的为“CE102电源线传导发射”与“RE102电场辐射发射”。电源的干扰抑制是最普遍遇到和十分重要的问题。电源干扰包括电子设备内部电源产生的干扰,也包括来自设备外部公共电源线的干扰。主要处理的方法，一是输入端加滤波器,作为电源滤波器应考虑共模干扰和差模干扰的滤波；二是电源供电线采用四绞屏蔽线,可能会改善5 dB左右。图4为发射系统CE102指标测试。发射系统RE102指标测试见图5。

对于电场辐射发射需要对壳体的孔缝、插头座、观测孔、表头等开缝、开孔处进行有效屏蔽处理,隔离度根据干扰强度来决定。插头座的有效滤波和屏蔽也是十分有效的,最好采用圆形屏蔽插头座,目前的插头座的尾部需改成金属化方可有效,同时所有插头座的防潮垫圈应改成电磁材料,应既防潮又导电起屏蔽作用。射频插座的密封垫圈及所有插头座(低频、射频)接缝处也应同样采用多层屏蔽处理。

图5 发射系统RE102指标测试

1.4 发射机的热设计

发射机的热设计是发射结构设计中的最核心部分及难点。热设计的成败直接影响到发射机的性能及可靠性指标。根据元器件工作时热流密度的差异,应采取不同的冷却方式,而不同的冷却方式就意味着不同的安装形式。采用液冷散热方式必须解决两个关键问题：一是水冷组件的结构及热设计,二是水冷系统的构建及其流量的分配。

组件采用间接液体冷却方式,按环境温度50℃,进口流体温度58℃,忽略了自然对流和热辐射,器件壳温最高温度69.5℃。在模拟中由于忽略了接触热阻,实际情况下接触热阻是客观存在的,只能够尽量地减小,如采取在发热元器件和冷板安装面之间涂导热硅脂和软金属薄片等措施。根据经验估计,接触热阻温升按△t=2℃取值,则冷板的最高温度Tmax=71.5℃,第2层组件水温增加2℃,则第2层组件冷板最高温度Tmax=73.5℃,满足热设计指标要求。最后根据要求对壳体背面水道和壳体内腔进行半精加工,然后焊上水道盖板,并充1 MPa气体进行焊缝致密性检查。图6为一推四管子水道热分析模型。

图6 一推四管子水道热分析模型

机柜的热设计主要是管路结构布局及流量分配设计,主要是根据结构布局合理安排管路走向及接头的数量和位置,采取分配器直接装于组件插箱的后部。按此布局,每个电源模块对应8个组件。考虑快接的流量已超过6 L/min,因此在电源流量分配器需要增加一路泄流管路,流量通过内设孔板进行调节。合理分配液冷管路。将液冷管路按组件的数量和位置进行均匀布置,按集-分-集的布局进行均匀多级划分,以保证各分支沿程压力的均匀,从而得到流量的均匀分配。该流量分配的关键是液冷分配器的设计。

本发射机采用分配器、汇集器用于系统流量的分配和汇流。常见的分配器、汇集器为歧管结构,如图7所示。在主管路通径相对于支管路通径足够大时,可以保证各个支路有较高的流量均匀性。

图7 岐管结构的分配器/汇集器安装位置

2 实现的技术指标

经过精心设计,本发射机达到了各项技术指标的要求。发射机已通过了高低温、温度冲击、随机振动等环境实验考验,证明该固态发射机稳定可靠,取得预期的效果。图8为抽测行发射机的输出功率测试结果。

该发射机实现的关键技术如下：

(1) 本发射分系统为分布式行发射机体制,整个发射系统输入输出信号近千对。为了减少阵面导线数量及传输干扰,各模块的信号内部采用统一的信号控制器(系统监控提供)。系统监控通过422总线方式经串口对各功能模块进行控制、监测。

图8 行发射机高低温测试结果

(2) 对本发射系统RF放大链采用4个36V/100A型主电源模块集中均流供电。这样可以在坏1个电源的前提下电源的电流会迅速调整,发射系统仍能正常工作,不影响发射系统的功率输出,提高了系统的可靠性。

(3) 根据组件电磁兼容的经验,除组件内部精心设计外,鉴于信号接插与射频接插不能满足电磁屏蔽试验要求,因此采取增加屏蔽罩的措施。

(4) 管路结构布局放弃多接头、多管路及接头在机柜内部的形式,采取分配器直接装于组件插箱的后部,取消了系统内部的连接接头和管路。这减少了管路渗漏的可能,增加了液冷系统设计的可维性,降低了液体渗漏的概率,同时保证了设计电液的分离。

3 结束语

本文就S波段全液冷发射机的组成、工作原理及采用的关键技术作了比较详细的阐述。通过整机的实际使用,证明该发射机的性能稳定、可靠性高。目前该发射系统已成功地应用于某雷达上。

[1] Edward D Ostroff, Michael Borkowski, Harry Thomas, James Curtis. Solid-State Radar Transmitters[M]. Artech House, INC. 1985.

[2] 贾中璐, 等. 20kW L波段全固态雷达发射机[J]. 现代雷达,2004,26(5)：53-55.

[3] P Edueline, P Grandgeorge.12kW S Band New Generation Primary Transmitter SST2000-NG For ATC Low Cost Re-design of An Existing S Band Transmitter[C]. IEEE International Radar Conference，2000.

[4] Ph Eudeline, P Perez, J P Lemette. New Generation Low Cost S Band High Power Solid State-Transmitter For Air Traffic Control And Navel Applications Radar[J]. IEE Radar 97,1997(449).

Design of an S-band all-liquid-cooling solid-state transmitter

YOU Jin-guang, YAO Wu-sheng, ZHENG Zhi-qian

(No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088)

A newly developed all-liquid-cooling solid-state transmitter is introduced for the phased array radar. The composition and the working principle of the transmitter system are analyzed with emphasis on the monitoring design technology, the electromagnetic compatibility technology, and the liquid-cooling thermal design technology. The test results indicate that the transmitter can satisfy the requirements of each technical specification.

phased array radar; solid-state transmitter; power amplifier module; thermal design

2016-12-12；

2017-01-09

由金光(1978-),男,高级工程师,硕士,研究方向：固态发射机的设计与研制；姚武生(1968-),男,研究员,工程硕士,研究方向：发射系统(电真空发射机和固态发射机)。

TN834

A

1009-0401(2017)01-0037-05