S波段全液冷固態發射機設計

由金光,姚武生,鄭智潛

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,合肥230088)

S波段全液冷固態發射機設計

由金光,姚武生,鄭智潛

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,合肥230088)

介紹新研制成功的應用在相控陣雷達的全液冷固態發射機。分析了本發射機系統組成與工作原理,重點介紹了采用的監控設計技術、電磁兼容技術、液冷熱設計等技術。測試表明,該發射機能很好地滿足各項技術指標的要求。

相控陣雷達；固態發射機；功放組件；熱設計

0 引 言

隨著科技的發展和現代戰爭的需要以及射頻固態大功率放大技術的日益成熟,多功能相控陣雷達的運用也越來越廣泛,同時對發射機在輸出功率、體積、質量、幅相一致性及可靠性等指標上也提出了越來越高的要求。本文介紹一種用于S波段全液冷固態發射機的設計過程,并對其關鍵技術、模塊化設計及液冷熱設計的方法都進行了深入的探討。

本發射系統在遵循模塊化、標準化及保證技術指標的基礎上,所有功能模塊采用串口通訊技術,既減少了陣面機柜走線,同時也提高了陣面通訊的可靠性；通過對主電源的均流供電,提高了系統的可靠性；采用陣面液冷源結構,避免了長期使用水鉸鏈導致雷達可靠性存在的問題。

該發射機的指標要求如下：

?品種、數量：

1 kW行發射機32個

?工作頻率： S波段

?輸出總脈沖功率： 大于32 kW

?脈沖寬度： 4～200 μs

?工作比： ≤10%

?行發射機幅度一致性： ≤1 dB(rms)

?改善因子： ≥60 dB

?工作溫度： -40℃～+50℃

1 系統組成及關鍵技術

1.1 系統組成及工作原理

本發射機屬于分布式放大發射機,主要由以下幾部分組成：微波放大鏈、控制保護系統、大功率開關電源、液冷系統。其原理框圖如圖1所示。

發射機的基本工作原理如下：

從頻率源送來的RF信號,經一激勵放大組件(在接收分系統內,設有射頻信號監測及保護功能)放大并一分為二,每路輸出1.5 W左右,之后每路RF信號送至發射機柜上下兩層；RF信號先經一移相功分組件,一分十六,每路至每行發射機輸入端口(即功放組件輸入端口)處的幅度為10 dBmW±1 dB,將32個行發射機分別放大后,每行輸出1 kW以上的功率,饋送發射線源。每路行發射機由1個微波功率組件構成。機柜內共4個發射主電源,通過內均流技術產生(并聯合成)36 V的主電壓供給32個發射組件,一個低壓電源通過均流產生的低壓電壓供給32個發射組件；位于陣面中的液冷源為發射機柜提供所需流量的冷卻液體。

圖1 發射機原理框圖

電源是為微波放大鏈及監控電路提供所需要的直流電源。對本發射系統RF放大鏈采用4個36 V/100A型主電源模塊集中內均流供電(且有一個電源的冗余)。這樣可以在壞一個電源的前提下電源的電流會迅速調整,發射系統仍能正常工作,不影響發射系統的功率輸出,提高了系統的可靠性。

組件內的BITE電路判斷出輸出功率降低、電源失效及功率管結溫過高等故障后,一方面送到面板指示,同時送到機柜內的遠端監控分機,由監控分機對機柜內的各種回饋信號進行匯總,遠距離傳送到系統監控中心,同時接收監控中心的指令,分送到各個模塊中,對各個模塊進行遠距離控制。

冷卻系統控制功放組件和電源的溫升,為微波放大鏈和電源正常工作提供保證。

1.2 發射監控設計

發射系統的輸入功率來源于頻率源。為了保護功率組件,使其工作于安全的信號時序范圍,首先對頻率源的工作時序進行系統自檢,判別射頻工作時序是否會產生過脈寬或過工作比故障。射頻監測采用成熟技術,實現對射頻時序信號的實時、快速的檢測與保護。當發生過脈寬或過工作比故障時,故障記憶,同時通過射頻監測門套,快速關門套,切斷發射系統的射頻輸入,從而起到保護的作用。功放組件可以接收來源于遠端監控的開關機命令和門套信號,可以實現開關機控制和門套調制。具體功放組件又都是一個獨立的子系統。組件內通過各自相應的控制、檢測電路實現對組件的監視和控保。

考慮到該發射系統的大部分電路在天線上,信號需通過匯流環才能傳輸下來。根據系統所固有的特點,本發射機通過接口電路與陣面計算機相連,從而實現與雷達主監控的聯系,由雷達主監控實現本發射系統的在線監測及控制。整個發射系統有32個功放組件,4個主電源,1個線性低壓電源,1個液冷源,輸入輸出信號近千對。為了減少陣面導線數量及傳輸干擾,各模塊的控制信號、故障信號內部采用統一的信號控制器。預先將各功能模塊內部的各種并行的控制、故障信號變換到串口。系統監控通過422總線方式通過串口對各功能模塊進行控制、監測。圖2為發射監控原理圖。

圖2 發射監控原理圖

1.3 電磁兼容的設計

由于本發射分系統全部位于天線陣面上,考慮到對其他系統的影響,以及外界對發射系統的影響,需進行電磁兼容設計。

電磁兼容即信號與干擾共存的能力。首先在電路設計時,如微帶電路設計、放大器電路設計以及走線設計時需考慮此問題,其次在結構設計時采取措施。具體對本發射分系統來說,一是功放組件,主要是高頻電場的串擾,即所謂的腔體效應,采取的措施如下：各級放大器電路間隔離；采用微波吸收材料；良好接地等；二是電源模塊,主要是大電流的電磁干擾,采取信號地、電源地分開接地、合理的走線布局等辦法,達到抑制干擾的目的；三是線纜間的干擾問題,在設計時應考慮合理的走線布局、絞合線及線纜屏蔽等。另外,還需考慮雷擊防護問題。

此外,功放組件的信號接插與射頻接插不能滿足電磁屏蔽試驗要求,因此采取增加屏蔽罩的措施。

圖3為電磁屏蔽設計方案。

圖3 電磁屏蔽設計方案

對于此雷達電磁兼容需過五項試驗,難度最大的為“CE102電源線傳導發射”與“RE102電場輻射發射”。電源的干擾抑制是最普遍遇到和十分重要的問題。電源干擾包括電子設備內部電源產生的干擾,也包括來自設備外部公共電源線的干擾。主要處理的方法，一是輸入端加濾波器,作為電源濾波器應考慮共模干擾和差模干擾的濾波；二是電源供電線采用四絞屏蔽線,可能會改善5 dB左右。圖4為發射系統CE102指標測試。發射系統RE102指標測試見圖5。

對于電場輻射發射需要對殼體的孔縫、插頭座、觀測孔、表頭等開縫、開孔處進行有效屏蔽處理,隔離度根據干擾強度來決定。插頭座的有效濾波和屏蔽也是十分有效的,最好采用圓形屏蔽插頭座,目前的插頭座的尾部需改成金屬化方可有效,同時所有插頭座的防潮墊圈應改成電磁材料,應既防潮又導電起屏蔽作用。射頻插座的密封墊圈及所有插頭座(低頻、射頻)接縫處也應同樣采用多層屏蔽處理。

圖5 發射系統RE102指標測試

1.4 發射機的熱設計

發射機的熱設計是發射結構設計中的最核心部分及難點。熱設計的成敗直接影響到發射機的性能及可靠性指標。根據元器件工作時熱流密度的差異,應采取不同的冷卻方式,而不同的冷卻方式就意味著不同的安裝形式。采用液冷散熱方式必須解決兩個關鍵問題：一是水冷組件的結構及熱設計,二是水冷系統的構建及其流量的分配。

組件采用間接液體冷卻方式,按環境溫度50℃,進口流體溫度58℃,忽略了自然對流和熱輻射,器件殼溫最高溫度69.5℃。在模擬中由于忽略了接觸熱阻,實際情況下接觸熱阻是客觀存在的,只能夠盡量地減小,如采取在發熱元器件和冷板安裝面之間涂導熱硅脂和軟金屬薄片等措施。根據經驗估計,接觸熱阻溫升按△t=2℃取值,則冷板的最高溫度Tmax=71.5℃,第2層組件水溫增加2℃,則第2層組件冷板最高溫度Tmax=73.5℃,滿足熱設計指標要求。最后根據要求對殼體背面水道和殼體內腔進行半精加工,然后焊上水道蓋板,并充1 MPa氣體進行焊縫致密性檢查。圖6為一推四管子水道熱分析模型。

圖6 一推四管子水道熱分析模型

機柜的熱設計主要是管路結構布局及流量分配設計,主要是根據結構布局合理安排管路走向及接頭的數量和位置,采取分配器直接裝于組件插箱的后部。按此布局,每個電源模塊對應8個組件。考慮快接的流量已超過6 L/min,因此在電源流量分配器需要增加一路泄流管路,流量通過內設孔板進行調節。合理分配液冷管路。將液冷管路按組件的數量和位置進行均勻布置,按集-分-集的布局進行均勻多級劃分,以保證各分支沿程壓力的均勻,從而得到流量的均勻分配。該流量分配的關鍵是液冷分配器的設計。

本發射機采用分配器、匯集器用于系統流量的分配和匯流。常見的分配器、匯集器為歧管結構,如圖7所示。在主管路通徑相對于支管路通徑足夠大時,可以保證各個支路有較高的流量均勻性。

圖7 岐管結構的分配器/匯集器安裝位置

2 實現的技術指標

經過精心設計,本發射機達到了各項技術指標的要求。發射機已通過了高低溫、溫度沖擊、隨機振動等環境實驗考驗,證明該固態發射機穩定可靠,取得預期的效果。圖8為抽測行發射機的輸出功率測試結果。

該發射機實現的關鍵技術如下：

(1) 本發射分系統為分布式行發射機體制,整個發射系統輸入輸出信號近千對。為了減少陣面導線數量及傳輸干擾,各模塊的信號內部采用統一的信號控制器(系統監控提供)。系統監控通過422總線方式經串口對各功能模塊進行控制、監測。

圖8 行發射機高低溫測試結果

(2) 對本發射系統RF放大鏈采用4個36V/100A型主電源模塊集中均流供電。這樣可以在壞1個電源的前提下電源的電流會迅速調整,發射系統仍能正常工作,不影響發射系統的功率輸出,提高了系統的可靠性。

(3) 根據組件電磁兼容的經驗,除組件內部精心設計外,鑒于信號接插與射頻接插不能滿足電磁屏蔽試驗要求,因此采取增加屏蔽罩的措施。

(4) 管路結構布局放棄多接頭、多管路及接頭在機柜內部的形式,采取分配器直接裝于組件插箱的后部,取消了系統內部的連接接頭和管路。這減少了管路滲漏的可能,增加了液冷系統設計的可維性,降低了液體滲漏的概率,同時保證了設計電液的分離。

3 結束語

本文就S波段全液冷發射機的組成、工作原理及采用的關鍵技術作了比較詳細的闡述。通過整機的實際使用,證明該發射機的性能穩定、可靠性高。目前該發射系統已成功地應用于某雷達上。

[1] Edward D Ostroff, Michael Borkowski, Harry Thomas, James Curtis. Solid-State Radar Transmitters[M]. Artech House, INC. 1985.

[2] 賈中璐, 等. 20kW L波段全固態雷達發射機[J]. 現代雷達,2004,26(5)：53-55.

[3] P Edueline, P Grandgeorge.12kW S Band New Generation Primary Transmitter SST2000-NG For ATC Low Cost Re-design of An Existing S Band Transmitter[C]. IEEE International Radar Conference，2000.

[4] Ph Eudeline, P Perez, J P Lemette. New Generation Low Cost S Band High Power Solid State-Transmitter For Air Traffic Control And Navel Applications Radar[J]. IEE Radar 97,1997(449).

Design of an S-band all-liquid-cooling solid-state transmitter

YOU Jin-guang, YAO Wu-sheng, ZHENG Zhi-qian

(No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088)

A newly developed all-liquid-cooling solid-state transmitter is introduced for the phased array radar. The composition and the working principle of the transmitter system are analyzed with emphasis on the monitoring design technology, the electromagnetic compatibility technology, and the liquid-cooling thermal design technology. The test results indicate that the transmitter can satisfy the requirements of each technical specification.

phased array radar; solid-state transmitter; power amplifier module; thermal design

2016-12-12；

2017-01-09

由金光(1978-),男,高級工程師,碩士,研究方向：固態發射機的設計與研制；姚武生(1968-),男,研究員,工程碩士,研究方向：發射系統(電真空發射機和固態發射機)。

TN834

A

1009-0401(2017)01-0037-05