一种真空管发射机的固态化实践

白志强

（中国空空导弹研究院，河南洛阳，471009）

0 引言

发射机是主动雷达导引系统的重要组成部分，它根据雷达体制和波形设计的要求产生相应调制波形的大功率射频信号。功率放大器用于对频率源产生的小功率射频信号进行放大，是发射机的核心。目前高性能雷达发射机主要采用真空管和固态器件作为功率放大器件。一般来说真空管效率高，输出功率大，在要求几千瓦或更高输出功率的情况下是较好的选择。另外，真空管是典型的峰值功率器件，适合高峰均比的情况下使用。固态器件在效率和输出功率上都不占优势，但在可维护性、模块化、复杂波形设计等方面存在优势。下面就介绍一种真空管发射机的固态化实践。

1 真空管发射机

■1.1 系统组成

在雷达发展之初，真空管是末级功率放大的主要功率源[1]。真空管种类很多，随着技术发展，目前主要使用的有磁控管、速调管和行波管。某型发射机使用多注速调管作为功率放大器件，多注速调管是在单注速调管的基础上发展起来的大功率微波器件,其结构及实物见图1，主要由三大部件组成:电子枪（包括加热灯丝、阴极和聚焦极）、高频系统（包括输入装置、谐振腔、漂移管和输出装置）和收集极。

图1 速调管结构示意及实物图

图2 发射机系统组成框图

发射机的系统组成见图2，除速调管外还包含主振源、高压电源和辅助电路，其中主振源用于产生射频激励信号，高压电源用于为速调管供电，辅助电路用于产生中频信号及辅助电源。

■1.2 主要技术指标

发射机的主要技术指标如下：频率范围为Ku波段，瞬时带宽≥0.1%，输出峰值功率400W，工作比为30%，主供电电压57V，速调管阴极电压-2500V。

2 固态化需求

虽然上述速调管发射机性能优异，但在使用中面临着（1）需要定期通电进行维护，（2）是故障维修周期长等问题。速调管故障多为真空度下降导致的发射能力弱（输出功率小）或阴栅热短路，除极个别能维修外，都只能报废处理，更换新的管子。速调管功率增大时,它的带宽也增大，而在本产品的功率水平上，速调管带宽过窄，需要若干个工作在不同频率的速调管才能覆盖雷达的需求。这在生产过程中可以提前规划，但在维修中由于无法预判故障产品的工作频率，因此给备件带来了困难。如果故障发生后再进行生产和装机前存贮，周期长达一年，这显然是无法接受的。

为解决以上问题，在速调管故障时有新的维修方案，拟对发射机进行固态化，即用固态功率放大器替代速调管和高压电源。固态化后发射机对外电气、机械接口不变，技术性能满足要求。下面对可行性进行分析。

图3 主振源与固态功率放大器的射频连接框图

(1)随着国内半导体技术的发展，固态器件的工作频率和功率水平不断提高，在Ku波段已有输出达40W的GaN功率MMIC，这为小体积下实现对真空管的替代提供了可能；

(2)该型发射机的输出峰值功率与工作占空比使固态发射机的成本可以承受；

(3)由于固态发射机的效率低于速调管发射机，而系统采用热电池供电，对热电池长期储存后的供电能力进行了评估，可以满足固态化发射机的用电需求。

3 固态功率放大器设计

■3.1 结构设计

图4 固态功率放大器结构模型

固态功率放大器可用的结构空间为速调管及高压电源所在的位置。由于原设计中主振源位于高压电源和速调管之间（主振源和速调管通过波导口连接），若保持主振源和发射机大功率输出口的位置不变，固态功率放大器的结构设计将变得十分困难，且无法充分利用原有的空间，因此需对主振源的位置进行上移。主振源位置上移后，为方便与固态功率放大器对接，采用图3所示连接方式。该方案形成的固态功率放大器结构模型见图4，保持了发射机对外机械接口不变以及内部各组成部分的位置和固定方式基本不变。

■3.2 电气设计

由于单个固态功率器件的输出功率有限，为了获得满足要求的功率输出，需要采用功率合成的方式，使多个固态功率器件并行工作。在设计中选用输出功率为40W的GaN功率MMIC（型号WFDN140180-P46）为基本合成单元，该MMIC采用0.25μm栅长的GaN工艺制造而成，主要性能参数如下：

典型输出功率：46dBm；

典型小信号增益：28dB；

典型效率：34%。

将40W功率芯片封装在独立的管壳中，采用微波绝缘子输入输出，形成如图5所示的功放单元模块。单元模块全密封，增益、功率、相位可单独调试。

图5 功放单元模块

功率合成的第一步是采用波导耦合器将8个功放单元模块合成得到功放中模块：输入信号经过波导双针耦合、微带wilkinson功分器、微带lange桥分配至8个功放单元模块进行放大，放大后的信号经3dB波导耦合桥、H面波导合路器合成得到输出功率大于280W的功放中模块。功率合成的第二步是将2只功放中模块采用波导合成得到500W以上的输出功率，合计共使用16只40W功率芯片。若需要降低输出功率，可以通过适当降低功率MMIC芯片的工作电压来实现。

图6 固态功率放大器组成框图

除微波通路外，固态功率放大器（见图6）包括控制保护电路、DC/DC电源、负电稳压电路及漏极调制电路，共同实现微波功率的放大和调制功能。固态功率放大器的供电与速调管发射机保持一致：+57V通过DC/DC转换为+28V，通过调制电路连接功率芯片的漏极；+27V通过DC/DC转换为-9V后，通过2次稳压和分压后连接功率芯片的栅极；+15V电源通过稳压后为控制保护电路馈电，实现控制功能。

4 实施效果

对研制的固态功率放大器进行测试,其达到的技术指标为：工作带宽400MHz，输出峰值功率500W，综合效率24%。

虽然GaN器件的效率相比于GaAs器件大幅提高，但与速调管30%的效率相比，仍然较低。同时，固态发射机的调制电路部分有大量的储能电容，上电瞬态会有较大的电流冲击，因此对系统热电池与固态发射机的适配性进行了试验验证。试验共进行了120s，热电池电压从64V降至34V，消耗电流则相应上升，总输出功率保持基本恒定，在这期间固态发射机的输出功率也基本稳定，证明了系统热电池可以满足固态化发射机的用电需求[3]。

速调管发射机进行固态化后，保持了对外电气、机械接口不变,性能满足要求，实现了对速调管发射机的原位替换，不影响雷达系统中的其它部分。由于固态功率放大器带宽宽的特性，其可以覆盖系统整个工作频带，因此可提前对固态功率放大器进行生产备货，在速调管出现故障时直接替换，解决了维修周期长的问题。固态化也带来了如下问题:由于速调管带宽窄，主振源原有的某些杂散分量被速调管所抑制；在固态化后，由于固态功率放大器带宽变宽,对这些杂散分量的抑制变弱，需要通过对主振源调整进行解决。

5 结束语

在雷达领域，电真空管和固态器件有各自的应用场景，对于已有的真空管发射机,一般很难进行固态替代。本文介绍了一种速调管发射机的固态化实践，在充分考虑结构、性能、成本的基础上,以高效的GaN功率MMIC为核心器件,采用多级功率合成技术,研制了可替代速调管和高压电源的固态功率放大器，最终成功实现了该型速调管发射机的固态化。