UHF波段5kw脉冲功率放大器设计

卫明 王姜铂

摘要：介绍了一款UHF波段脉冲功率放大器的设计方法，重点介绍了该功放的主要技术指标、组成框图、分配合成电路设计及控制检测保护电路的设计。使用ADS软件对两路功率合成分配器以及四路功率合成分配器进行仿真，之后对功放单机进行测试，测试内容包括输出功率、效率、前后沿、顶降。测试结果表明：在380MHz～450MHz的频率范围内输出功率大于5kW，增益大于64dB。

关键词：脉冲功率放大器;分配合成电路;控制检测保护电路

0引言

固态发射机具有高可靠性、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。我国自20世纪70年代开始全固态雷达发射机的研制，目前固态发射机已经趋于成熟。

本文研制了一种工作于UHF波段的大功率固态脉冲功率放大器，文中描述功放的组成、分配合成器设计及控制检测保护电路设计，最后给出测试数据。

功放的主要技术指标和组成

主要技术指标：

工作频段：380MHz～450MHz;

输出功率：≥5000W：

最大工作比：10%：

脉冲前后沿：≤0.1us;

顶降：不大于0.5dB：

脉冲宽度：0.1us-1ms;

效率：≥30%。

1固态功放设计

1.1功放组成

功放的组成框图如图1，由一台前级功放和两台3500W末级功放组成。输入RF信号经脉冲保护器、30W前级模块、300W推动级模块及带通滤波器后分为两路，分别送到两个相同的3500W末级功放，两路末级信号由两路合成器进行合成，经定向耦合器、环形器输出至天线。控制电路用于监测脉宽和占空比，以防止脉宽过大或占空比太高导致功率晶体管损坏。当功放出现各种故障时（如过热、功率管损坏、占空比过大等），脉冲保护器断开，避免后续放大器件的损坏，同时在面板上指示故障状态，并将故障信号上报。

前级功放由脉冲保护器、30W前级、300W推动级、带通滤波器、二路分配器/合成器、定向耦合器、环形器、衰减器、控制保护电路、DC/DC电源模块等组成。DCIDC电源模块采用的是输出电压可调的模块，负责给30W前级、300W推动级供电，根据调试情况，调整DC/DC电源模块的输出电压来调整前级功放的输出功率，使输出功率既能满足全温度范围内的两个末级功放的需求，又不会对末级功放的功率管产生过冲。

3500W末级功放由8个700W功放模块、二路分配/合成器和四路分配/合成器组成的八路分配/合成器、储能电路和保护电路等组成。700W功放模块是比较成熟的模块，在此文中就不再详述。

1.2分配合成电路设计

功放里主要使用的分配合成电路有两种，分别是同相二路分配/合成器和四路同相分配/合成器。四路分配/合成器都由魔T组成的原理如图2。如果作为分配器使用，端口1为输入端，端rq2、3、4、5为输出端，如果作为合成器使用，端口2、3、4、5为输入端，端口1为输出端。实测插损小于0.4dB，隔离度大于20dB。

二路分配/合成器组成如图26。如果作为分配器使用，端口1为输入端，端口2、3为输出端，如果作为合成器使用，端口2、3为输入端，端口1为输出端。实测插损小于0.4dB，隔离度大于15dB。

1.3控制检测保护电路设计

为了控制发热量，避免管子烧坏，必须对信号的脉宽和占空比进行检测。因此在30W前级功放模块前连接了一个可控的低功率射频开关，开关的闭合与打开受控于以下几个信号。

①过脉宽/过占空比报警信号：

②驻波报警信号：

③TTL调制信号。

其控制原理如图4所示。各控制信号分别有专门对应的电路产生，通过一个与门输出TTL控制信号控制射频开关。当各路与门输入都是高电平，TTL控制信号高电平，SPDT开关闭合到射频放大器链路上：只要各路控制信号中有一路出现低电平，TTL控制信号为低电平，射频开关闭合到50欧姆吸收电阻上，断开射频放大器链路。

功率检测和保护电路分为前向功率检测和反向功率检测，实现了驻波报警功能和输出功率显示功能。其原理如图5所示，功放使用的耦合器为单定向耦合器，只耦合出一部分前向功率。耦合器的输出功率通过环形器，环形器的隔离端输出的是负载反射功率，通过一个衰减器再进行检波。正反向功率检波后分别进行功率检测，输出对应的峰值电压。经过ADC模数转换，然后交由单片机进行数字处理，处理的结果一路作为输出到显示屏，可以显示峰值功率，驻波等信息。一路产生TTL驻波报警信号送到功放的输入端SPDT射频开关，当报警信号为低电平，表示驻波过大，则断开输入端的射频开关，起到驻波保护的目的。

前向功率检测和反向功率检测的方法完全一样，都是利用采样保持电路的原理。其原理如0所示，采样保持器在TTL控制信号的作用下，当输入有脉冲包络的时候，输出跟踪输入的变化。当输入脉冲包络消失的时候.输出依然能够保持脉冲包络的电压幅度。由于这里的检波器是采用功率检波，即检波器输出的脉冲包络电压值正比于输入的射频脉冲功率值，所以采样保持器的输出电压幅度即代表正向或反向的脉冲峰值功率。采样保持器的TTL控制信号直接由检波包络通过整形电路来产生。

这里采用集成电路采样保持器。AD781/AD783，可以满足采样稳定时间小于最短的脉冲宽度0.1u s的要求，同时它们的电压降落速率大约是0.01uV/us，可以长时间对电壓进行保持。

25kW功放单机的测试结果

把前级功放和两个末级功放级联，经过精心调试，最终测试取得了满意的结果。过占空比、过脉宽，大驻波保护功能均正常。在脉宽1ms，周期10ms，功放输入电平3d Bm的情况下，测试数据如图，输出功率大于5kW，效率大于32%。

前后沿、顶降测试数据如表1，均满足要求。

3结论

UHF波段5kW脉冲功率放大器的研制包括脉冲保护器、多级功率放大模块合成、储能及保护控制电路的设计，技术难度高，通过科学的指标分解和精密的计算与仿真，在0.1us～1ms的较宽脉宽内，实现了前后沿不大于0.1us，顶降不大于0.5dB，功率输出大于5kW，效率大于32%。各项性能指标达到预期的指标，该功放已经应用于某雷达模拟方舱中。