一種機載平臺的小型化L 波段大功率固態功放的實現

馬韜

（中國西南電子技術研究所，四川 成都 610036）

綜合通信導航識別(ICNI) 系統是現代作戰飛機航電系統中重要的組成部分，主要用于提供飛機與外界的話音和數據通信、飛行導航和起降引導以及敵我識別等任務功能。L 波段功放作為ICNI 系統發射前端的關鍵設備，承擔著對多種波形進行調制、放大的作用，其性能的優劣直接影響著ICNI 系統中各功能的戰技指標[1-4]。

該文基于固態微波功率管，采用平面功率合成技術以及多波形調制技術，并結合高效的散熱設計，實現了一種機載平臺的小型化L 波段脈沖功放，工作頻率范圍為900～1 200 MHz，輸出峰值功率大于1200 W，功耗為61 W，質量為1.7 kg。

1 總體設計

L 波段功放由五個單元構成：射頻功率放大單元、控制單元、發射耦合單元、接口單元和電源單元，原理框圖如圖1 所示。

圖1 功放原理框圖

控制單元選用CPLD 作為核心控制器件[5]，根據接口單元所發指令，完成各種工作模式轉換，以及功率、溫度、電壓監測等健康管理工作。

接口單元由時鐘產生電路、LVDS 電平轉換電路、FPGA、通用總線控制器、隔離驅動電路五部分組成，主要實現與系統通信功能，接收外部的控制指令、上報狀態信息、自檢信息以及電子標簽。

電源單元由電源EMI 濾波電路、控制電路和DC/DC 轉換電路組成，將系統輸入的28 V 電壓轉換為模塊內部需要的各種高低電壓，每路輸出采用不同的變壓器，獨立控制，獨立輸出，避免各路之間相互影響。

發射耦合單元用于校準系統延遲或環路自檢。在主發射通道上，設計微帶定向耦合器，耦合得到的信號經功分器分成兩路信號，對第一路信號進行檢波，檢出信號作為功放自檢和脈寬保護[6]信號；第二路經過固定衰減器、開關、溫補衰減器，作為發射耦合信號輸出，用于系統校準。

2 射頻功放設計

射頻功放單元是模塊的核心單元，由分離的腔體和微波固態功率管搭建而成。通過各級微波功率管的級聯匹配，并采用平面功率合成技術[7]，構成一個多模式射頻功率放大器。功放模塊需要兼容塔康[8]、精密測距[9]、航管[10]、IFF[11]四種功能，共有四種工作模式。在四種工作模式下，前三級放大輸出幅度相同，通過改變末級功率管供電電壓來滿足各模式輸出要求。射頻功放單元原理框圖如圖2 所示。

圖2 射頻功放單元原理框圖

功放的第一級放大采用NC31103S-102，在900～1 200 MHz 范圍內增益大于20 dB，1 dB 壓縮點為20 dBm，可將0 dBm±2.5 dB 的射頻輸入信號放大到17 dBm以上，后面加一個7 dB固定π型衰減器，保證第一級輸出大于10 dBm。第二級放大采用WMPM 0913K，增益為28 dB，飽和放大輸出為36 dBm 左右。因為第一級放大器輸出功率大于10 dBm，所以第二級放大器WMPM0913K 處于飽和狀態。由于前兩級放大電路的增益高，為了避免自激，在第二級放大輸出端增加一個隔離器，與后級大信號進行隔離。第三級放大采用MRF10031，增益為9.5 dB，第三級放大將功率放大到45 dBm 左右，再經過一個溫補衰減器為末級功放提供44 dBm 的輸出信號。前三級放大鏈路電平分配如表1 所示。

表1 前三級放大鏈路電平分配

由于目前L 波段固態微波單管最大輸出在700～800 W 之間，為滿足輸出功率大于1 200 W，該文提出了一種基于平面功率合成技術的兩路功率合成網絡[12]，如圖3 所示。

圖3 末級多路功率合成框圖

功率分配/合成網絡基于等功率分配的微帶形式Wilkinson 功分器[13-14]，并在結構上進行了優化，實物圖和仿真三維模型如圖4 所示。在經過大量的仿真實驗收，最終設計出性能優異的兩路功分器，在900～1 200 MHz 工作頻帶內，Port1 的回波損耗優于14.3 dB，Port1 和Port2、Port3 的耦合度優于3.3 dB。此結構應用于功率合成時，能夠保證良好的信號傳輸。

圖4 功分器仿真三維模型及實物圖

合成網絡中兩條合成鏈路的幅度和相位一致性是平面功率合成技術的關鍵和難點。從以下幾方面來控制兩條鏈路的一致性[15]：

①兩條鏈路的微帶電路保證設計一致；

②利用ADS 仿真軟件優化輸入、輸出匹配網絡，盡量減少后期調試工作；

③功放管采用同批次產品，并且保證印制板加工和電路裝配的一致性。

末級放大器采用兩只功率管64092GN 放大合成，其頻率范圍為900～1 200 MHz，單管增益為18 dB，單管輸入41 dBm 信號，輸出59 dBm（800 W）。忽略相位和幅度不一致的影響，可由式（1）計算出理論合成功率：

式中，Pout為合成輸出功率，Pin為單路輸入功率，N為合成路數，L為合成網絡插損。因此可計算出理論合成功率為61.7 dBm(1 479 W)。

雖然通過上述措施可以將兩條合成鏈路的幅度、相位不一致影響控制到最小，但還是會客觀存在，因此該網絡合成輸出功率會小于1 479 W。功放合成輸出后會通過一個插損為0.5 dB 的濾波器，濾掉諧波，所以最終功放模塊輸出功率設計值為61.2 dBm（1 318 W）。

3 多波形調制設計

CPLD 控制電路作為控制單元的核心電路，主要完成高斯調制、COS/ COS2 調制脈沖生成、各種模式的電源電壓配置及監測控制。它根據接口單元提供指令，生成脈沖波形，再經過數模轉換、開關電路的放大與分配，供給功放模塊的每一級功率管，以及發射耦合開關等。

功放模塊包含有四種工作模式，不同工作模式下，末級功率管漏極電壓不同，末級功率管漏極電壓調制原理如圖5 所示。

圖5 末級功率管漏壓供電電路

功放模塊TACAN、DME/P 兩種模式的供電電路使用同一硬件支路。不同模式下，CPLD 控制產生不同的脈沖經過數模轉換后形成不同形狀的鐘形脈沖，再經過電壓電流放大后供給末級功率管的漏極。TACAN 模式下，末級功率管漏極電壓為高斯調制脈沖；DME/P 模式下，末級功率管漏極電壓為COS/COS2 調制脈沖[16]。

功放模塊IFF、ATC 兩種模式的供電電路使用同一硬件支路。不同模式下，CPLD 控制產生不同的脈沖經過數模轉換后形成不同幅度的電壓，再經過電壓電流放大后輸出給末級功率管的漏極。兩種模式下的輸入激勵信號都是已調信號，末級功率管的漏極電壓為不同幅度的直流電壓，最終輸出不同幅度的功率。

4 熱設計

功放模塊在工作中產生的熱量會在模塊內部通過零部件傳導，并通過殼體蓋板與環境進行熱量交換。為滿足模塊的熱設計要求，作如下熱設計：

①合理布置發熱器件位置，避免功率較大的器件布置在一起，使模塊熱量分布盡可能趨于均勻，更有利于模塊散熱。對于體積大、發熱量也大的電源模塊，將其直接固定在模塊殼體上，這樣可以將熱直接傳導到模塊殼體上，通過殼體將熱快速散出；對于信號處理及接口單元電路中發熱量較大的器件，由于它們裝配在印制板上，熱傳導速度較慢，在裝配時增加導熱橡膠墊，將發熱量較大器件的頂部與模塊的蓋板直接接觸，增大熱傳導速率。

②模塊的盒體和蓋板等結構件采用熱傳導性能好的5A06 鋁合金材料。

器件及結構件在環境溫度+73.5 ℃條件下穩態工作的仿真溫度如圖6 和圖7 所示，此時在模塊兩側面具有溫度為73.5 ℃的強迫風冷。從仿真結果可以看出，各主要發熱器件的穩態溫度均遠低于器件的結溫，且主要發熱器件均沒有超過100 ℃，滿足設備的可靠性和設備預期工作的熱環境要求，因此該模塊于-55～+73.5 ℃的環境溫度范圍內各功能模塊均可正?？煽窟\行，該模塊熱設計滿足使用要求。

圖6 +73.5 ℃時的溫度云圖（正面）

圖7 +73.5 ℃時的溫度云圖（反面）

5 測試結果

功放模塊的主要指標符合性如表2 所示，實測值都能滿足設計要求。

表2 功放模塊的指標符合性對照表

6 結論

該文實現的小型化L 波段脈沖固態功放測試結果滿足系統要求指標，它具有輕小型化及低功耗的特點，能夠實現多種波形調制，而且還具備良好的環境適應性，目前已應用于某型號機載平臺，具有一定應用價值。