某40kW短波固态发射机的设计

李劲

关键词：短波；大功率；发射机

中图分类号：TN834 文献标识码：A

0引言

短波通信是人类最早大规模使用的无线电通信方式之一，在通信技术迅猛发展的今天，得益于其特有的物理特性优势，仍然发挥着重要作用。随着晶体管技术的发展，电子设备的硬件集成化、固态化、数字化以及功能软件化已基本完成。使用电子管的非固态化短波发射机因无法适配新的通信技术要求已逐步被淘汰。但晶体管因单管功率上限远低于电子管，使得固态化短波发射机的最大额定功率与非固态的电子管发射机仍存在一定差距。我国国土面积大，同时工业活动使得地表电磁环境不断恶化，对短波通信发射机的发射功率要求与日俱增。本文论述了一款目前国内最大功率等级的40 kW短波固态发射机的原理和设计，供相关人员参考。

1设计输入与设计分解

某40 kW短波固态发射机是一款设计安装于标准方舱内，以此布设在铺装地面或车载转移的大功率短波发射机。其核心需求是具有较小的设备体积、良好的工作可靠性和维护便利性以及可较好适应方舱条件的散热和环境防护性。发射机的设计要求为固态化发射机，组成形态为标准机柜安装通用上架式单元的形式，兼顾通信和连续波稳定发射输出能力，其主要技术指标如表1所示。本文将从电路设计、结构和热设计两个方面进行分解和进一步阐析。

2电路设计

2.1发射机整体组成

某40 kW固态短波发射机包含激励控制单元、控制分配单元（4个）、2 kW功率放大器（简称“功放”，24个）、六路功率合成器（4个）、电源单元（4个）、配电单元、40 kW合成器，一共39个功能单元放置于1个主机柜和4个功放机柜中，如图1所示。

2.2分单元和链路设计

发射机通过供电、射频、信号控制3个链路将上述各功能单元连接，形成发射机的电路系统，其原理框图如图2所示。

2.2.1供电链路

发射机供电链路如图2中带箭头实线所示。外部380V三相交流电源供电连接到发射机的电源分配单元输入端，经电源分配单元内的总开关和电源滤波后分到各机柜的电源单元中，各电源单元转换为多种直流电压，然后送至各功能单元。

2.2.2射频链路

发射机射频链路如图2中带箭头长虚线所示。基带数据经过数字信号处理和直接频率合成转换为激励射频后送入前级放大器，然后经过3级功率分配器均分到24个功放单元共96个后级放大器中。经后级放大后的功率射频再经过3级功率合成，最终得到额定40 kW的大功率射频，然后通过定向耦合器后对外输出。定向耦合器的采样信号返回由数字处理，并控制射频激励幅度使输出功率保持稳定，形成射频链路闭环。

图3为发射机射频链路和增益分配。调制后的激励射频输出功率最大为2dBm，链路中两级放大器的总射频增益为78 dB，三级功率分配和功率合成的总损耗不大于2.5 dB，发射机理论最大输出功率为：2 dBm+78 dB-2.5 dB=77.5 dBm（约56 kW），大功率射频经闭环链路的数字增益控制后可稳定输出额定40 kW的大功率射频。

2.2.3信号控制链路

发射机信号控制链路如图2中带箭头短虚线所示，信号控制链路在发射机内共分3级。第一级为外部基带和控制信号送至激励控制单元。其输入接口有网口、光纤、模拟音频和控制串口，可以兼容老式电平、串口、模拟音频输入控制以及新式网络化数字基带输入控制方式。第二级为激励控制单元将控制信号分发到4个控制分配单元以及直接对40 kW合成器的控制。第三级为控制分配单元对其所在功放机柜各单元的末端控制。信号控制链路由上至下传递控制信令，由下至上传递各受控端的信令响应以及实时状态信息，并实现工作参数设置、自检、状态和异常上报等功能。

3结构和热设计

3.1设备结构工程设计

某40 kW短波固态发射机由5个等高的19 in（1 in～2.54 cm）标准机柜并联组成，每个机柜上架单元总高为36U（1U-4.45 cm）。设备在保证良好抗震强度和通风散热条件下，通过优化单元的排布方式兼顾了可维护性、美观性和通用性。其每个机柜顶部预留吊装孔，底部带减震脚架，设备总外形尺寸为：3000 mm×1850 mmx850 mm（宽×高×深）。外形及主要尺寸（总外形尺寸不合吊环）如图4所示。

发射机的机柜采用型材框架+面挡板的框架式方案。机柜的各边柜使用高强度铝型材做梁，通过不锈钢板件和角件连接并安装减震器、吊装孔以及上架单元的导轨架以实现单元上架安装。柜体各面使用轻质铝板做柜门，柜门的装卸不影响机柜的承载能力，保证了侧面的安装维护便利性以及后方的可开孔通风性。

采用此方案制造的机柜整体受力均匀，相较于传统的钢板钣金焊接式方案，在实现相同的结构强度条件下，具有质量轻、公差小、成本低、抗锈蚀、整机安装维护方便等诸多优势。

3.2散热设计和仿真

发射机采用的是机柜正前方进冷风、后方排热风的风冷式散热设计，此方案具有技术成熟、成本低、适应性好等优点。设备每个功能单元均根据热耗设计相应的内部换热方案，并通过选用合适的风扇进行强迫风冷换热以实现热量的排出。

发射机的热损耗主要体现在电源转换、功放和大功率射频合成器的损耗上，下面以2 kW功率放大器为例解析其设计和仿真。通过计算，可以得出在极端工况下2 kW功率放大器的核心发热器件——功放管的总热耗为2.5 kW，此时通过将2 kW功率放大器的三维设计模型导入热仿真工具，并设定相应的导热材料、风扇工况曲线和热量参数等即可通过计算机进行仿真。

图5为2 kW功放单元热仿真图，显示了仿真后的功放管、散热器表面热度图以及切面空气温度。通过壳温、热功率和热阻可以计算功放管的理论最大工作结温。再通过功放管厂商提供的工作结温与可靠性时间曲线评估整机功放管可靠性，从而进一步计算发射机整机的理论可靠性时间是否满足设计指标要求。图5中功放管工作时的最大壳温为91℃，经计算整机所有功放管的合计平均故障间隔达到10年以上，符合整机可靠性设计指标分解要求，2 kW功放单元的热设计方案可行。

4结语

短波大功率固态发射机随着现代通信和电子对抗理论的发展，需求正在逐步扩大，额定功率等级也在不断向上拓展。大功率发射机的设计是一个自顶向下、需要诸多不同领域的知识理论和工程化经验结合的庞大工程。本文對目前国内最大功率等级的某40kW短波固态发射机的主要设计方案进行简要解析，希望能为相关从业者带来新的思路。