基于GaN功率器件的高功率車載微波信號源設計

梁 琰，吳 湘

(1.中國船舶工業集團公司電子科技有限公司，北京 100070；2.海軍裝備部試驗監管局，北京 100841)

基于GaN功率器件的高功率車載微波信號源設計

梁 琰1，吳 湘2

(1.中國船舶工業集團公司電子科技有限公司，北京 100070；2.海軍裝備部試驗監管局，北京 100841)

針對真空管體制大功率微波信號源在脈寬、任務可靠性和使用壽命等方面的不足，結合當前氮化鎵功率器件的技術優勢，開展基于氮化鎵功率器件的高功率車載信號源研制。對高功率車載信號源的設計及實現方法進行了詳細論述，并給出了測試結果和實際應用效果。

氮化鎵；固態功放；信號源

Abstract: The high-power microwave signal sources with vacuum tubes have many deficiencies in pulse width, mission reliability and service life. According to the technological advantages of the GaN power devices currently, the vehicle-borne high-power microwave signal sources are developed based on the GaN power devices. The design and implementation method of the vehicle-borne high-power microwave signal sources are discussed in detail. The test results and the actual application effect are given.

Keywords: GaN; solid-state power amplifier; signal source

0 引 言

高功率微波信號源是雷達、通訊及電子對抗裝備重要的配試設備，通過遠程輻射可以實現接收機靈敏度、探測威力、方位精度、PDW等性能測試，對各型裝備的外場試驗、標校等具有重要作用。本項目高功率車載信號源包含L、S、C、X 4個波段，采用固態化發射體制，解決了傳統磁控管信號源脈沖窄、非相參、易受干擾等弱點，具有發射脈沖寬、波形設計靈活、任務可靠性高等優點，采用系列化、標準化的設計理念，維護使用更加方便快捷。

1 主要功能及技術指標

根據具體試驗任務需求，本文中介紹的高功率固態微波車載信號源主要實現L、S、C、X 4個波段的復雜微波信號產生、放大及輻射功能。4個頻段間的切換只需更換高功率固態功放模塊、射頻信號組件及天線饋源，而輻射信號工作頻點、信號形式的切換通過顯控軟件控制，不需要改變設備硬件狀態。為適應野外機動、快速架設工作需要，固態高功率信號源的硬件設備全部安裝在一臺經過加固改造的卡車上。在能夠提供動力交流電的架設地點，通過電網實現動力交流電供應，而在缺少電力供應的野外環境下通過自帶的供電機組可以保證系統的供電需求。

高功率固態車載信號源主要性能指標如下：

(1) 信號形式：點頻脈沖、線性調頻脈沖、非線性調頻脈沖和相位編碼脈沖;

(2) 工作頻率：L波段、S波段、C波段、X波段;

(3) 最小頻率間隔：1 MHz;

(4) 天線增益：≥25 dB(L波段)、≥31 dB(S波段)、≥35 dB(C波段)、≥41 dB(X波段);

(5) 輸出峰值功率：≥4 kW(L波段)、≥3 kW(S波段)、≥3 kW(C波段)、≥1 kW(X波段);

(6) 最大脈寬：300 μs;

(7) 最大占空比：10%;

(8) 等效輻射功率：≥61 dBW(L波段)、≥65 dBW(S波段)、≥69 dBW(C波段)、≥71 dBW(X波段);

(9) 天線掃描方式：扇掃或環掃(轉速：5～15 r/min可調);

(10) 整機功耗：≤5 kW(220 V/50 Hz)。

2 設計實現

2.1 設計原理和主要組成

固態高功率車載信號源主要由天線系統、發射系統、伺服系統、運載架設設備等組成。天線系統包括寬帶高增益輻射天線、饋源(4個波段可切換)、饋線，發射系統包括數字信號組件、射頻信號組件、高功率固態功放(4個波段可切換)、電源模塊、冷卻單元，伺服系統包括伺服控制、方位轉臺、多路匯流環饋電系統，運載架設設備包括野外供電機組、運載車輛、液壓調平系統等。信號源工作頻點及信號形式的切換由載車方艙內的顯控軟件通過網絡接口進行控制。

車載信號源的主要組成如圖1所示。

圖1 高功率固態微波車載信號源的主要組成

2.2 主要功能單元設計實現

2.2.1 天線設計

本系統采用工作帶寬寬、結構簡單、方向性好的旋轉拋物面天線結構。天線由反射體、背架、饋源、波導等部件組成。天線通過背架上的法蘭與發射機的側壁聯接。反射體材料為厚度為2 mm的鋁合金板(LF21)，其反射面為實體。

為保證全頻帶良好的匹配、足夠的功率容量和滿足應用需求的方向圖性能，針對L、S、C、X 4個頻段的使用需求，準備了4個不同的饋源供使用時換裝。饋源的設計在保證合適的輻射方向圖、理想的輻射相位分布的同時還應保證對拋物面輻射場盡可能小的遮擋。

3種不同的饋源結構外形如圖 2所示。

圖2 3種不同的饋源結構

2.2.2 發射系統設計

發射系統的主要功能是實現L、S、C、X 4個波段復雜微波信號的產生及放大，其組成原理框圖如圖 3所示。數字信號組件主要產生點頻脈沖、線性調頻脈沖、非線性調頻脈沖和相位編碼脈沖等形式的中頻信號。射頻信號組件產生時鐘和本振信號，并通過二次混頻的方法將中頻信號變換為所需的射頻信號，為前級功放組件提供激勵。微波激勵信號經前級功放組件放大后再通過四路大功率分配器推動4個末級功放組件，最后通過四路大功率合成器合成后送給饋線。[1-3]

電源組件負責為發射系統各功能模塊提供所需的工作電壓。冷卻分機主要實現電源組件、前級功放組件和末級功放組件等功能單元的散熱，通過波導耦合器采集發射系統的輸出功率和反射功率并送往數字信號組件。數字信號組件通過對發射功率、反射功率、溫度、電壓、電流、激勵信號電平及其他狀態信息的采集判斷，實現發射系統的實時狀態監測和保護。

圖3 發射系統原理框圖

本項目共有4種頻段的固態發射分機。考慮到設計和維護的方便，每個頻段的發射機都采用相同的設計原理和物理架構。最終實現的4個頻段的發射機外形尺寸和對外接口完全一致。單個波段發射分機實物照片如圖4所示。

圖4 單個波段發射分機實物照片

2.2.3 伺服系統設計

伺服系統主要由伺服控制、方位轉臺、多路匯流環饋電系統等組成，其主要組成原理如圖 5所示。

圖5 伺服系統原理框圖

伺服控制主要包括伺服控制機箱、115 V變壓器、開關電源、遠程控制箱、數控驅動模塊等。本設計采用數字化步進控制大功率驅動技術，實現轉速在5～15 r/min范圍內步進可調。系統中的電源開關及伺服控制按鈕、發射機控制開關等設計成遠程線控方式，便于遙控操作。

方位轉臺系統主要包括驅動電機、動力傳動鏈等。數控交流伺服電動機采用非接觸式換向器，摩擦力矩小，堅固耐用。方位轉臺采用4級斜齒圓柱齒輪傳動機構，總傳動比It=9。作用在方位轉臺上的載荷包括風載荷、摩擦載荷和慣性載荷，這里主要考慮風載荷。發射系統的供電、控制信號和工作狀態經大功率匯流環傳輸。

2.2.4 運載架設設備

高功率車載信號源運載架設設備主要包括運載車輛、液壓調平系統、野外發電機組3個部分。運輸車長5 500 mm、寬2 140 mm，系統最大高度4 200 mm，系統自重4.8 t。運載架設設備主要組成如圖6所示。

圖6 運載架設設備示意圖

天線的軸線垂直于方位軸的軸線，平行于水平校準面。將水平校準平面調成水平就可以使天線的軸線保持水平。方位轉臺的調平通過液壓調平裝置實現，通過手動調節各換向閥來控制液壓千斤頂的升降運動，從而達到將方位轉臺調平的目的。為方便調節，液壓裝置應設置節流閥，系統中的溢流閥可以使油液的壓力保持不變。

供電機組的選擇要保證能在野外環境長期可靠工作。本設計中選擇YAMAHA汽油發電機組，輸出功率5 kVA，外形尺寸1 360 mm×600 mm×600 mm，質量50 kg。

3 設計結果

經設計實現，高功率車載信號源的主要性能滿足實際應用需求，主要性能指標測試數據見表1。

4 結束語

高功率車載信號源采用第三代氮化鎵半導體功率器件實現微波信號的放大，各波段發射分機采用系列化、標準化的設計思路，設備的可靠性和使用維護的方便性得到了充分驗證，在雷達及電子對抗裝備外場試驗保障方面發揮了重要作用。其先進的設計理念為其他類似產品的研制提供了重要的技術參考。[2]

表1 高功率車載信號源主要性能指標

[1] 吳頤雷. 采用模塊化設計提高雷達發射機可靠性[J]. 可靠性設計與工藝控制，2002(2).

[2] 丁定浩. 雷達固態發射機可靠性評估和失效判別的定量方法[J]. 電子學報，1997(9).

[3] 喬艷紅. 固態發射機功放組件的電磁兼容性設計[J]. 現代電子，2002(2).

[4]MishraUK,LikunS,KaziorTE,etal.GaN-ba-sedRFpowerdevicesandamplifiers[J].ProceedingsoftheIEEE, 2008, 96(2): 287-305.

Design of vehicle-borne high-power microwave signal sources based on GaN power devices

LIANG Yan1, WU Xiang2

(1.Electronics Technology Co., Ltd, China State Shipbuilding Corporation, Beijing 100070; 2. Test Supervision Bureau, Naval Equipment Department, Beijing 100841)

TN911.7

A

1009-0401(2017)03-0024-03

2017-08-10;

2017-08-15

梁琰(1977-)，女，工程師，工學碩士，研究方向：電子測量、故障診斷；吳湘(1972-)，男，碩士，研究方向：裝備指揮與保障。