一種C波段1 kW連續波固態發射機的設計

劉永寧

(南京電子技術研究所， 南京210039)

0 引言

固態發射機因具有高可靠性、長壽命、易維護性等優點，越來越受到雷達總體和眾多用戶的青睞。我國于20世紀70年代初就開始了全固態雷達發射機的研究，經過四十多年的努力，至今已有多種全固態雷達發射機付之使用［1］。隨著固態功率器件的發展，在4 GHz以上的C波段和X波段，越來越多的大功率發射機采用全固態的體制。20世紀80年代中期，C波段GaAs FET的單管功率僅為10 W左右，目前單管輸出功率已達80 W，GaN單管輸出功率甚至可達120 W以上。

本文研制的C波段1 kW連續波固態發射機的主要功能是將來自頻率源的射頻激勵信號經組件中的功率管進行逐級放大，最后由4只大功率末級組件合成輸出大于1 kW的連續波射頻功率。由于是連續波應用，而且組件的模塊化布局密度較高，考慮到散熱以及微帶線的功率耐受能力，因此，將每只末級功放組件輸出功率限制在350 W。采用更多數量的大功率末級組件進行外部合成可構成更大輸出功率的發射機。

大功率C波段功放組件的高增益將引起組件內高低頻電磁干擾，而各級放大器之間的級間匹配情況、帶內輸出功率起伏和末級功率管的合成效率等也會影響整機的性能指標［2］。因此，在設計中需要特別注意功率管的級間隔離、腔體的結構形式以及組件內部各腔之間的電磁屏蔽。

1 發射機的組成和基本原理

發射機主要包括前級功放組件、末級功放組件、控制保護監測單元、功率合成單元、配電單元和冷卻單元。

其工作的基本原理是:射頻激勵信號輸入到前級功放組件，經過放大，最終由末級功放組件合成輸出大于1 kW的連續波功率，工作頻率為C波段。

圖1 發射機原理圖

1.1 前級功放組件

前級功放組件輸入功率不超過10 mW，由兩級放大組成，輸出功率大于10 W。由于整個功放通道的增益很高，為保證工作的穩定，在結構上使腔體寬度小于1/2的工作波長，并且在級間加隔墻以降低相互影響。同時，1∶4功率分配器集成在前級功放組件內部。

1.2 末級功放組件

末級組件由多級放大單元級聯組成，電原理框圖見圖2。

圖2 末級功放組件原理圖

將1 W的輸入功率放大到350 W。組件的輸入、輸出端均有隔離器，保證端口駐波良好，可以進一步提高合成效率。

考慮到連續波應用，將功率模塊射頻部分按照平面布局，便于功率管散熱。由于單個組件的工作電流超過150 A，所以將直流電源放置在組件的反面，這樣做的好處是減小了傳輸損耗，提高組件的效率。直流電源采用5只500 W的直流-直流(DC-DC)模塊并聯，可以提供2.5 kW的功率輸出。

由于末級功放組件的輸出連續波功率達到350 W以上，超出了一般微帶線所能承受的功率容量，因此設計了同軸波導雙模耦合合成器［3］作為組件內部最后的合成輸出，它具有體積小、結構簡單、超低損耗的特性。

同軸-波導雙模耦合器的微波模型是:在波導的兩個寬邊，以一對同軸端口的橫電磁(TEM)波激勵波導的H01模，波導的另一端有短路面，通過調節同軸端口內導體伸入波導腔的長度和直徑以及波導短路面的位置，可以獲得奇模激勵和偶模激勵的穩定工作狀態。圖3給出了該耦合裝置的計算模型和電場分布圖。圖4給出了實物照片和測試結果。

圖3 計算模型和電場分布圖

圖4 實物和測試結果

測試結果顯示損耗小于0.2 dB(包括測試架損耗)。同時將組件內部微帶部分的合成電路分成了兩部分，這樣降低了對微帶線的功率容量的要求，微帶線的最大承受功率只需達到350 W的一半，即不小于175 W，就可滿足使用且不會被燒毀。

為確保場效應晶體管的工作狀態，必須設計相應的偏置電路，從而把直流或控制電壓通過偏置電路加在晶體管各電極上。由于偏置電路設計的好壞直接影響放大器性能，在設計時必須遵循以下原則:(1)使其對射頻主電路的微波特性影響盡可能小，即不應引入大的附加損耗、反射以及高頻能量沿偏壓電路的漏泄。(2)使其結構盡可能緊湊。

如圖5所示，一般采用一段長度為λg/4的高阻線對射頻扼制和一段長度為λg/4的低阻線作為高頻旁路。偏壓應從高、低阻抗的交接點加入，該點對高頻為零電位，由該點再經λg/4的高阻線到達主線與高阻線交點，該點阻抗理論上應為無限大，從而直流偏置對主線無影響［4］。

圖5 偏置電路原理圖

由于不同的GaAsFET的偏壓有所不同，約為-1.2 V左右，故需要一個簡單的分壓電路，將-5 V變換到所需的偏壓值。

在C波段微帶線的輻射損耗已經不容忽視，較厚的介質基板將產生強烈的電磁輻射，大量的空間電磁波的輻射將對功率模塊的性能產生很大影響。為了減少空間輻射，必須采用高介電常數或厚度較薄的材料。而無論是哪種方法，都將造成微帶線條變得更細，導致線上的高頻電流密度加大，從而降低微帶電路所能承受的最大功率。

大功率、連續波工作狀態下微帶電路的功率容量的估值和熱設計至關重要。

假設射頻通過微帶線時產生的溫升為ΔT，則有

式中:H為介質厚度;PI為入射平均功率;M為單位長度損耗;L為微帶線單位長度;W為微帶線寬度;A為介質導熱率。

對于材料厚度為0.25 mm、型號RT6002的介質板，50 Ω微帶線最窄寬度為1.27 mm，表面光潔度按照1.6 μm計算，得到在8 GHz上的單位長度損耗為5.47 dB/m。假設溫升ΔT=100℃，計算PI入射功率為209.4 W，所選用材料是能夠滿足使用要求的。

設計出的末級功放組件如圖6所示。

圖6 末級功放組件

1.3 4∶1多路波導合成器的設計

4條末級功放組件的合成采用3只改進型波導魔T，每路之間具有高隔離度［5］，能夠承受不小于2 kW的連續波功率，損耗小于0.2 dB。圖7為改進型波導魔T的計算模型，在T型結構的中間做了切角，可以進一步改善寬帶匹配特性。改變切角尺寸和左右兩條E面臂中間的劈尖的大小，可以同時獲得良好的匹配和隔離性能。

圖7 改進型波導魔T

合成器輸出端直接和波導雙定向耦合器連接，分別獲得耦合發射機輸出功率和天饋線反射功率，通過控保實時監測發射機的輸出功率并為發射機總輸出端口提供大駐波保護功能。

1.4 控制保護

發射機具有本控和遙控兩種工作模式?？乇卧杉鱾€部件的BITE電路送來的檢測信號，對功放組件、電源、激勵功率、發射機輸出駐波以及冷卻單元進行監測，判斷故障信號。如果出現故障則在面板指示故障地址并上報至雷達主控臺。

功放組件自身還具有過熱保護，能檢測輸入、輸出功率并向控保單元上報狀態。同時，對功率管柵極電壓進行二次穩壓和濾波，確保功率管處于穩定工作狀態。

由于GaAs功率管的應用有嚴格的加電順序的要求，否則將造成損壞，因此要對功率管進行加電順序的保護。在功放組件內部對每只功率管的柵極電壓提供保護，將送入的柵極電壓與基準電平比較，并且和開機信號相與，進行綜合判斷。當柵極電壓低于基準時則判斷其故障并立即切斷漏極電壓，從而保護了功率管。

1.5 冷卻設計

由于前級和末級功放組件的元器件采用了雙面安裝的方式，并且功放組件的熱耗很高，因此采用了水冷的冷卻方式，在功放組件的中間布置水道。在環境溫度50℃的條件下，二次冷卻裝置保證提供不高于50℃水溫時，要確保末級功率管的最高工作結溫Tjmax≤145℃的要求。發射機內循環冷卻系統采用的循環介質為冰點-45℃的乙二醇防凍液，整個發射機射頻部分由4個末級功放組件和1個前級功放組件組成，總需供水量為1.63 m3/h，單只末級為0.4 m3/h，單只前級為0.03 m3/h。

2 發射機的測試結果

根據上述分析的原則和步驟設計了C波段連續波固態發射機。測試表明發射機輸出功率穩定，各項指標滿足要求。

測試條件:連續波激勵功率為10 mW。測試結果如圖8所示。輸出功率大于1 kW，帶內功率起伏小于0.8 dB，雜散小于-65 dBc，整機效率大于18%。

圖8 發射機的測試結果

3 結束語

發射機的設計指標與實測值相吻合，系統穩定、可靠，已在雷達整機中正常工作。其單元電路、功放組件甚至整機都可以作為基本單元，以合成輸出更高的功率。

本文介紹的雙模耦合功率合成網絡的微波結構在頻率更高的X、Ka波段都取得了令人滿意的結果，其設計思路和方法值得推廣。

目前，大功率“集中式固態發射機”多用在C波段以下。近幾年來，隨著半導體功率器件在X、Ku、Ka各個頻段上的功率輸出能力不斷提高，發射機也在向更高頻率擴展。固態高功率發射技術的發展是建立在半導體材料與制作工藝不斷取得新進展的基礎之上的，通過對新型半導體材料以及管芯的結構形式和工藝設計的研究，結合電路設計，會不斷有新型功率器件推出，發射技術也會隨之升級換代［6］。

［1］ 鄭 新，李文輝，潘厚忠，等.雷達發射機技術［M］.北京:電子工業出版社，2006.Zheng Xin，Li Wenhui，Pan Houzhong，et al.Radar transmitter technology［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2006.

［2］ 楊克俊.電磁兼容原理與設計技術［M］.北京:人民郵電出版社，2004.Yang Kejun.EMC theory and design［M］.Beijing:Posts＆Telecom Press，2004.

［3］ Song Kaijun，Fan Yong，Xue Quan.Millimeter-wave power amplifier based on coaxial-waveguide power-combining circuits［J］.IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2010，20(1):46-48.

［4］ 邢 靖，劉永寧.C波段固態功放設計和實驗研究［J］.現代雷達，2005，27(6):59-62.Xing jing，Liu Yongning.Design and experimental research on C-band solid state power amplifier［J］.Modern Radar，2005，27(6):59-62.

［5］ Luo Y L，Li Q，Zha J H.A new high isolation 3dB divider/combiner for Ka band power-combining amplifier［C］//2011 International Conference on Computational Problem-Solving(ICCP).Chengdu:IEEE Press，2011:279-282.

［6］ 鄭 新.三代半導體功率器件的特點與應用分析［J］.現代雷達，2008，30(7):10-17.Zheng Xin.Characteristics and application analysis of semiconductor power devices for three generations［J］.Modern Radar，2008，30(7):10-17.