1500W固態發射機設計

王錦章

（海裝駐北京地區第八軍代室 北京市 100015）

1 概述

1.1 主要指標

1500W固態發射機工作時，射頻信號由信號發生器產生并送到前級放大器，經前級放大器放大到40W，再送到功率放大器將功率放大到1500W，經阻抗匹配器阻抗匹配接吸收負載或天線。根據發射機整機方案，確定主要技術指標如下：

（1）承載功率：≥1500W；

（2）頻率范圍：低頻；

（3）輸出功率連續可調并可設定輸出功率；

（4）信號輸入：正弦波，50Ω，Vp-p：0 ～2V 可調，無直流偏置；

（5）具備開路、過流、過壓、欠壓、過溫報警功能和自動保護功能；

（6）供電：220V±10%，50Hz；

（7）匹配阻抗：10Ω；

（8）冷卻方式：風冷。

1.2 發射機組成

1500W固態發射機由前級放大器、功率放大器、阻抗匹配器、控制與保護裝置、測量裝置、供電單元、機柜、吸收負載組成。

2 整機原理

2.1 電路原理

1500W固態發射機工作時，射頻信號由信號發生器產生并送到前級放大器，經前級放大器放大到40W，再送到功率放大器通過調整供電電源將整機功率放大到1500W，經阻抗匹配器阻抗變換后通過天線發送出去。其原理框圖如圖1所示。

3 主要器件設計

3.1 前級放大器

前級放大器位于功率放大器前端，產生40W 射頻信號，其由兩級放大電路組成，兩級電路均采用推挽式放大電路進行放大，第一級采用大功率三極管進行放大，輸出功率為約5W，第二級采用MOS-FET 場效應晶體管進行放大，輸出功率為40W，兩級放大器采用變壓器隔離級聯，滿足功率放大器前端信號要求。

功率型器件均考慮了散熱，安裝于散熱器上，采用強迫風冷，前級放大器采用屏蔽式結構。

3.2 功率放大器

3.2.1 功率放大器器件的選擇

功率放大器選擇MOSFET 場效應管，其優點是：輸入阻抗高、增益高、功率放大能力強。本放大器選用器件為：APT5010JVFR，額定耐壓500V，額定電流48A，實際功率達到1500W，功放管電壓≤230V，電流≤20A，留有足夠的功率提升空間，同時增強功率放大器的工作可靠性。

3.2.2 功率放大器設計

功率放大器電路選擇H 橋型電路，直流電源選用230V，輸出功率為1500W。功率放大器原理圖如圖2所示。

圖2：功率放大器原理圖

A、B、C、D 是QA、QB、QC、QD 的柵極激驅動信號，采用變壓器隔離驅動方式，VO 是功放橋的輸出信號。

圖中的QA、QB、QC、QD 為MOSFET 管，C 為隔直電容，T為輸出變壓器。

驅動電路采用變壓器驅動方式，分別安裝于功放管的兩端，用于驅動功放管正常工作。

指示電路安裝于前面板，具有過壓、過流、過熱的顯示，過流恢復按鍵。功率放大器發生過流現象，排除相應的問題之后，再次工作，需要按下過流恢復按鍵，功率放大器正常工作。

3.2.3 功率放大器保護單元

3.2.3.1 過溫保護

功率放大器溫度超過90°，溫度繼電器工作，傳送信號給控制，控制會下高壓，以保護功率放大器過溫

3.2.3.2 過流保護

（1）一旦電路中電流超過25A，保險絲斷路，功放保護，相應指示燈前面板具有顯示。

（2）保護、安全裝置通過取樣輸出電路電流，一旦功率放大器MOSFET 管過流，可以自動切斷功率放大器MOSFET 管的柵極輸入信號，可靠保護功率放大器MOSFET 管。

3.2.3.3 過流恢復

功率放大器發生過流現象，排除相應的問題之后，再次工作，需要按下過流恢復按鍵，功率放大器正常工作。

3.2.3.4 功率放大器結構設計

功率放大器單元盒體前、后端面根據散熱量需求，開有對應的通風孔；后面板裝有風機，對功率放大器進行強制風冷，保證設備在規定的環境溫度中正常工作；對外接口采用航空插頭及射頻插頭。

3.3 阻抗匹配器設計

阻抗匹配器主要用于將功率放大器的輸出阻抗與吸收負載或天線阻抗相匹配，安裝于功率放大器插箱內部。功率放大器輸出直接進入阻抗匹配器的初級，次級接同軸饋線，饋線末端接吸收負載或天線體，阻抗匹配器的磁環采用鐵氧體材料， 通過初次級的匝數比實現阻抗的變換。

3.4 控制與保護設計

3.4.1 主要控制功能

1500W 發射機控制單元主要負責發射機與各單元的控制保護、對關鍵狀態予以顯示；并對其他各功能單元下發的控制命令。其具體功能如下：

（1）保證發射機各種供電電源按設定程序開啟和關閉，及對各供電電源工作狀態的顯示；

（2）實現發射機工作進程的顯示及功率放大單元的狀態顯示；

（3）實現功率、頻率的選擇；

（4）實現輸出功率連續可調；

（5）測量數據電表顯示；

（6）具有故障、誤操作等告警及提示；

（7）具備開路、過流、過壓、欠壓、過溫報警功能和自動保護功能；

（8）提供遠程網絡接口3.4.2 控制與保護設備配置

結合使用需求，1500W固態發射機的控制與保護設備配置如圖3所示。

圖3：1500W固態發射機控制與保護設備配置圖

控制與保護主要設備組成包括：

（1）S7-1200 控制器；

（2）通訊模塊、信號模塊（模擬輸入/輸出、數字輸入/輸出）、功能模塊；

（3）操控顯示屏；

CPU 與操控顯示屏通過PROFIBUS 或PROFINET 總線通信，實現所有的控制功能。

觸摸屏操作安全且符合人體工程學標準，明亮的顯示器實現了最佳可讀性。

所配置的控制系統具有完善自診斷功能。當系統啟動時，系統的各種診斷程序也啟動并運行。當故障發生時，系統可以診斷到，將診斷信息自動存入CPU 診斷緩沖區，同時在操作站上顯示診斷信息。

3.4.3 控制與保護功能實現

1500W固態發射機控制單元信息涵蓋全面，且操作界面直觀，能保證使用者在很好的了解發射機狀態的同時，更可靠的對設備進行使用和維護。

按其功能可分為以下幾個部分：

3.4.3.1 控制功能

可以實現整個開關機的邏輯過程，主要控制包括開關冷卻、開關低壓、天線/負載工作切換、開關高壓等，主要顯示信號包括冷卻正常、低壓正常、高壓正常等信號，與其他模塊配合對發射機整個工作進程全程監控。

3.4.3.2 實時監測功能實時監測功能包括監測和顯示兩部分，均為實時更新，由控制保護軟件進行采集，傳輸到人機界面進行顯示。

3.4.3.3 保護功能

對各種過荷信號和故障信號進行處理，并參與邏輯處理，主要顯示信號包括各種冷卻信號、過荷指示信號等。

3.4.3.4 通信功能

控制器裝有以太網模塊，通過以太網接口與操控顯示屏連接，接收人機界面操作指令，并通過通信網絡下發給各控制器，控制器傳來的采集信息反饋給工控機。

3.5 供電單元設計

供電單元采用單個插箱，安裝于整機機柜底部，具有本控和遙控功能，包括260V/25A 直流電源，80V/2A 直流電源，24V/10A 直流電源、±12V/3A 直流電源，滿足整個發射機的用電需求。

3.6 吸收負載

吸收負載用于吸收發射機輸出功率，代替天線供發射機調試、維修使用。吸收負載額定功率3kW，電阻值選定為10Ω，留有余量，通過串并聯達到5Ω ～20Ω 冷卻方式采用強迫風冷，供電采用交流220V/50Hz。

3.7 結構設計

機柜采用骨架結構設計，骨架采用了鋁合金型材，緊密結合而成。機柜主體外觀使用螺釘鎖合，整體外觀無螺釘，增加其機柜美觀效果。骨架主體、橫梁、均為封閉式的圓管型材。

機柜側板開 有通風孔，增加散熱進風量。

所有設備采用插件結構，插件由前面板、盒體、蓋板、面板固定螺釘組成。插件結構簡單，零件少，其生產加工性能好。

所有結構件的防護處理除面板表噴塑外，其余均采用不導電處理，鍍電鍍鉻酸鹽防護，保證了插件的屏蔽性能。

4 調試測試

發射機的測試工作接吸收負載進行，測試原理框圖見圖4。1500W固態發射機在整機全頻段、滿功率調試試驗時，功率放大器部分區域存在溫度高現象，經檢查發現，強制風冷冷卻通道不合適，調整風扇位置滿足了冷卻要求，達到全頻段滿功率輸出目標。經過設計、生產、試驗、測試，各種檢驗指標滿足要求。