40kW L波段全固態雷達發射機

[摘要]介紹了一種40kW L波段全固態發射機。該發射機綜合了以往同類全固態發射機的優點，具有輸出功率高，工作穩定等特點;同時采用雙機互為冗余熱備份，具備在線維護功能，發射機的可連續工作時間大大提高。

[關鍵詞]全固態發射機;功率組件;雙監控系統;雙機切換

1.概述

固態雷達發射機應用廣泛，對發射機而言其具有功率大、電壓高、電流和熱耗大等特點，又多以脈沖形式工作，因此發射機是雷達系統中可靠性較低的一種系統，是制約雷達可靠性的主要原因之一。提高大功率雷達發射機的可靠性和可維性，特別是設備故障時具備在線維修功能對一套雷達系統長期穩定可靠工作至關重要。

本文介紹了一種新研制成功的L波段40kW全固態發射機。該種發射機采用模塊化設計、采用雙機監控、雙通道互為冗余熱備份和同類發射機相比具有輸出峰值功率大，工作脈寬較寬，設備維護方便、簡單等優點，具有良好的可靠性和在線維修功能。

2.發射機的指標和系統構成

2.1發射機的主要指標

發射機的主要性能指標如下：

（1）工作頻率：f0±100MHz（L波段）;

（2）發射機輸入功率：16±2dBmW;

（3）發射機輸出功率：≥40kW

（4）頂部起伏：≤1dB

（5）工作占空比：8.8%（最大）

（6）冷卻方式：強制風冷

2.2發射機的構成

發射機由2個前級組件和16個固態組件實現輸入功率14dBmW ～18dBmW，輸出脈沖功率達到要求大于40KW。具體為：兩個前級組件輸出的500W功率經過雙工開關，由發射監控控制雙工開關選通一個前級組件的輸出功率送至一個1：4分配器再送到四個1：4分配器，共分成16路，驅動16個末級組件，16個末級組件輸出的3.8KW功率先通過一個8：1空氣板線合成器，再通過一個2：1波導魔T合成輸出達到大于40KW的脈沖功率輸出。具體組成框如圖1所示

圖1 發射機組成框圖

3.關鍵技術

3.1雙監控系統

為提高發射機的可靠性，對可靠性較為薄弱的前級組件和監控系統采用雙機系統冗余方案。即采用兩套一樣的前級組件和監控系統，一套共用的末級放大組件。通過備份前級組件和監控系統的方式來提供系統的可靠性。監控系統對兩套前級采用單獨控制的方式，即一套控制系統對應控制一套前級和共同控制共同的末級放大組件。

發射監控檢測兩個前級組件的輸出，當選中作為激勵組件的前級組件出現故障時及時控制雙工開關轉至熱備份的另一個前級組件。與互為冗余的驅動級組件相對應，采用了完全一樣的雙路監控電路。雙路監控電路可以在上電時通過監控系統的初始化程序固定選擇上次關機時工作的通道，然后由監控系統來選擇信道變化。監控系統具體組成如下：

16個末級組件的BITE電路

2個互為冗余的前級組件中的BITE電路

18個電源模塊的監控電路

12個風機狀態監視電路

2套互為冗余的發射監控電路

發射機的雙監控系統框圖如圖2所示：

圖2 發射機雙監控系統

3.2 3.5kW末級組件

3.5kW末級組件的功能：實現功率從14W輸入到3500W輸出，完成組件自身工作狀態的指示、回饋以及故障保護。固態功率放大組件采用模塊化的設計思想，每個末級組件的放大鏈路包含4只980W的模塊和一只驅動模塊。

3.5kW末級組件的具體射頻鏈路為：16W的射頻功率進入固態功率放大組件后，經過一個帶30dB耦合電路的PIN開關，驅動一級輸出260W左右的驅動單元，末級驅動單元再驅動四個980W模塊，最后合成輸出3500W的射頻功率。末級組件內部有BITE電路，用來對組件的工作狀態進行判斷和保護。末級組件的組成框圖如圖3所示。

圖3 末級組件組成框圖

為保證末級組件的高可靠，我們對組件內部的儲能電容組和功率放大管都進行了適當的降額使用。

3.3 功率分配/合成網絡

發射機的組件內及組件之間的功率合成是通過功率分配/合成器來實現向量合成，功率分配/合成器各個端口幅度及相位的不平衡將直接影響到系統的合成效率，所以集中式固態發射機對功率分配/合成器的選擇有極高的要求。

末組件內部的分配器主要從縮小組件結構尺寸考慮，我們采用1：4Wilkinson型微帶分配器;合成器從功率容量考慮采用空氣板線型合成器。

對于機柜間的功率分配器，機柜內空間足夠，對體積尺寸沒有特別的要求，我們關注的重點是分配器的端口幅相一致性和功率容量，因此選擇采用GYSEL型微帶分配器。合成器則更偏重考慮功率容量，故采用空氣板線型合成器，合成器的輸出端則采用5035-K型連接器，保證能夠承受高功率。

3.4發射機在線維護設計

對于整個發射機，重要的部件包括：前級組件、監控系統、末級組件、發射電源和冷卻系統即風機組件。對以上部件都具備在線維護功能。

對前級組件和監控系統：在發射機上電時發射監控系統對兩個前級組件和監控系統選擇其一進行工作，通過雙工開關進行通道切換，當正在進行工作的前級或者監控系統發生故障時，能夠通過系統指令切換到另外一套前級和監控系統，保證發射機能夠不停機進行前級或者監控板的備件更換。

對末級組件和發射電源：組件與發射電源都是一一對應，方便組件和電源出現故障時能單獨關閉，當單個組件出現故障時，只需將對應的組件電源進行關閉，即可對組件進行更換。每個組件電源的開/關均也可單獨由總控制臺，或者通過電源機柜下方的空氣開關控制，電源出現故障時，關閉對應開關也可對電源進行在線更換。發射組件的RF輸入、輸出接頭和低頻連接器接頭均采用便于插拔的大功率盲配來實現插接，發射系統的各個組成單元均為可插拔的組件或分機形式，以達到不關機在線維修的目的。輔助電源采用兩個線性電源模塊并聯使用，當一個低壓線性電源出現故障時，系統仍然能正常工作，低壓電源故障在總控制臺顯示。

風機組件：每三個獨立的風機作成一體，每個風機設置單獨的電源開關，安裝時設計少量的結構安裝附件，當單個風機出現故障能夠在不停機的狀態下能夠對風機快速換裝。

4.整機性能測試

完成研制后對發射機的測試結果表明，該發射機在要求的頻率帶寬內，占空比為10%，要求的最大工作脈寬條件下，輸出功率見表1：

表1 發射機的測試結果

發射機的雙機切換和在線維修功能都達到了設計預期。

5.結論

通過發射機使用一年說明，該發射機整機工作穩定，能連續工作1000小時以上無停機故障，與同類產品相比具有輸出功率大，可靠性高等優點。預計該發射機在將來的應用中，特別是對可靠性要求較高的雷達中有較好的用途。

參考文獻

[1]胡見堂.固態高頻電路.北京：國防工業出版社，1999

[2]王強.雷達發射監控系統的設計.現代電子，2001（4）

[3]Reinhold Ludwig， Pavel Brechko.射頻電路設計——理論與應用[M].王子宇，譯.北京：電子工業出版社，2002.

作者簡介

謝成發（1980-），男，高級工程師，主要研究方向為固態發射機，T/R組件，微波電路設計。