40kW L波段全固態(tài)雷達(dá)發(fā)射機(jī)

謝成發(fā)

華東電子工程研究所 安徽合肥 230088

40kW L波段全固態(tài)雷達(dá)發(fā)射機(jī)

謝成發(fā)

華東電子工程研究所 安徽合肥 230088

介紹了一種40kW L波段全固態(tài)發(fā)射機(jī)。該發(fā)射機(jī)綜合了以往同類全固態(tài)發(fā)射機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，具有輸出功率高，工作穩(wěn)定等特點(diǎn)；同時(shí)采用雙機(jī)互為冗余熱備份，具備在線維護(hù)功能，發(fā)射機(jī)的可連續(xù)工作時(shí)間大大提高。

全固態(tài)發(fā)射機(jī)；功率組件；雙監(jiān)控系統(tǒng)；雙機(jī)切換

1.概述

固態(tài)雷達(dá)發(fā)射機(jī)應(yīng)用廣泛，對(duì)發(fā)射機(jī)而言其具有功率大、電壓高、電流和熱耗大等特點(diǎn)，又多以脈沖形式工作，因此發(fā)射機(jī)是雷達(dá)系統(tǒng)中可靠性較低的一種系統(tǒng)，是制約雷達(dá)可靠性的主要原因之一。提高大功率雷達(dá)發(fā)射機(jī)的可靠性和可維性，特別是設(shè)備故障時(shí)具備在線維修功能對(duì)一套雷達(dá)系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠工作至關(guān)重要。

本文介紹了一種新研制成功的L波段40kW全固態(tài)發(fā)射機(jī)。該種發(fā)射機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)、采用雙機(jī)監(jiān)控、雙通道互為冗余熱備份和同類發(fā)射機(jī)相比具有輸出峰值功率大，工作脈寬較寬，設(shè)備維護(hù)方便、簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的可靠性和在線維修功能。

2.發(fā)射機(jī)的指標(biāo)和系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 發(fā)射機(jī)的主要指標(biāo)

發(fā)射機(jī)的主要性能指標(biāo)如下：

（1）工作頻率：f0±100MHz（L波段）；

（2）發(fā)射機(jī)輸入功率：16±2dBmW；

（3）發(fā)射機(jī)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(qiáng)制風(fēng)冷

2.2 發(fā)射機(jī)的構(gòu)成

發(fā)射機(jī)由2個(gè)前級(jí)組件和16個(gè)固態(tài)組件實(shí)現(xiàn)輸入功率14dBmW ~18dBmW，輸出脈沖功率達(dá)到要求大于40KW。具體為：兩個(gè)前級(jí)組件輸出的500W功率經(jīng)過(guò)雙工開關(guān)，由發(fā)射監(jiān)控控制雙工開關(guān)選通一個(gè)前級(jí)組件的輸出功率送至一個(gè)1：4分配器再送到四個(gè)1：4分配器，共分成16路，驅(qū)動(dòng)16個(gè)末級(jí)組件，16個(gè)末級(jí)組件輸出的3.8KW功率先通過(guò)一個(gè)8：1空氣板線合成器，再通過(guò)一個(gè)2：1波導(dǎo)魔T合成輸出達(dá)到大于40KW的脈沖功率輸出。具體組成框如圖1所示?

3.關(guān)鍵技術(shù)

3.1 雙監(jiān)控系統(tǒng)

為提高發(fā)射機(jī)的可靠性，對(duì)可靠性較為薄弱的前級(jí)組件和監(jiān)控系統(tǒng)采用雙機(jī)系統(tǒng)冗余方案。即采用兩套一樣的前級(jí)組件和監(jiān)控系統(tǒng)，一套共用的末級(jí)放大組件。通過(guò)備份前級(jí)組件和監(jiān)控系統(tǒng)的方式來(lái)提供系統(tǒng)的可靠性。監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)兩套前級(jí)采用單獨(dú)控制的方式，即一套控制系統(tǒng)對(duì)應(yīng)控制一套前級(jí)和共同控制共同的末級(jí)放大組件。

發(fā)射監(jiān)控檢測(cè)兩個(gè)前級(jí)組件的輸出，當(dāng)選中作為激勵(lì)組件的前級(jí)組件出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)控制雙工開關(guān)轉(zhuǎn)至熱備份的另一個(gè)前級(jí)組件。與互為冗余的驅(qū)動(dòng)級(jí)組件相對(duì)應(yīng)，采用了完全一樣的雙路監(jiān)控電路。雙路監(jiān)控電路可以在上電時(shí)通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)的初始化程序固定選擇上次關(guān)機(jī)時(shí)工作的通道，然后由監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)選擇信道變化。監(jiān)控系統(tǒng)具體組成如下：

16個(gè)末級(jí)組件的BITE電路

2個(gè)互為冗余的前級(jí)組件中的BITE電路

18個(gè)電源模塊的監(jiān)控電路

12個(gè)風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)視電路

2套互為冗余的發(fā)射監(jiān)控電路

發(fā)射機(jī)的雙監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖2所示：

3.2 3.5kW末級(jí)組件

3.5 kW末級(jí)組件的功能：實(shí)現(xiàn)功率從14W輸入到3500W輸出，完成組件自身工作狀態(tài)的指示、回饋以及故障保護(hù)。固態(tài)功率放大組件采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，每個(gè)末級(jí)組件的放大鏈路包含4只980W的模塊和一只驅(qū)動(dòng)模塊。

3.5 kW末級(jí)組件的具體射頻鏈路為：16W的射頻功率進(jìn)入固態(tài)功率放大組件后，經(jīng)過(guò)一個(gè)帶30dB耦合電路的PIN開關(guān)，驅(qū)動(dòng)一級(jí)輸出260W左右的驅(qū)動(dòng)單元，末級(jí)驅(qū)動(dòng)單元再驅(qū)動(dòng)四個(gè)980W模塊，最后合成輸出3500W的射頻功率。末級(jí)組件內(nèi)部有BITE電路，用來(lái)對(duì)組件的工作狀態(tài)進(jìn)行判斷和保護(hù)。末級(jí)組件的組成框圖如圖3所示。

為保證末級(jí)組件的高可靠，我們對(duì)組件內(nèi)部的儲(chǔ)能電容組和功率放大管都進(jìn)行了適當(dāng)?shù)慕殿~使用。

3.3 功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)

發(fā)射機(jī)的組件內(nèi)及組件之間的功率合成是通過(guò)功率分配/合成器來(lái)實(shí)現(xiàn)向量合成，功率分配/合成器各個(gè)端口幅度及相位的不平衡將直接影響到系統(tǒng)的合成效率，所以集中式固態(tài)發(fā)射機(jī)對(duì)功率分配/合成器的選擇有極高的要求。

末組件內(nèi)部的分配器主要從縮小組件結(jié)構(gòu)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(duì)于機(jī)柜間的功率分配器，機(jī)柜內(nèi)空間足夠，對(duì)體積尺寸沒(méi)有特別的要求，我們關(guān)注的重點(diǎn)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(fā)射機(jī)在線維護(hù)設(shè)計(jì)

對(duì)于整個(gè)發(fā)射機(jī)，重要的部件包括：前級(jí)組件、監(jiān)控系統(tǒng)、末級(jí)組件、發(fā)射電源和冷卻系統(tǒng)即風(fēng)機(jī)組件。對(duì)以上部件都具備在線維護(hù)功能。

對(duì)前級(jí)組件和監(jiān)控系統(tǒng)：在發(fā)射機(jī)上電時(shí)發(fā)射監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)兩個(gè)前級(jí)組件和監(jiān)控系統(tǒng)選擇其一進(jìn)行工作，通過(guò)雙工開關(guān)進(jìn)行通道切換，當(dāng)正在進(jìn)行工作的前級(jí)或者監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，能夠通過(guò)系統(tǒng)指令切換到另外一套前級(jí)和監(jiān)控系統(tǒng)，保證發(fā)射機(jī)能夠不停機(jī)進(jìn)行前級(jí)或者監(jiān)控板的備件更換。

對(duì)末級(jí)組件和發(fā)射電源：組件與發(fā)射電源都是一一對(duì)應(yīng)，方便組件和電源出現(xiàn)故障時(shí)能單獨(dú)關(guān)閉，當(dāng)單個(gè)組件出現(xiàn)故障時(shí)，只需將對(duì)應(yīng)的組件電源進(jìn)行關(guān)閉，即可對(duì)組件進(jìn)行更換。每個(gè)組件電源的開/關(guān)均也可單獨(dú)由總控制臺(tái)，或者通過(guò)電源機(jī)柜下方的空氣開關(guān)控制，電源出現(xiàn)故障時(shí)，關(guān)閉對(duì)應(yīng)開關(guān)也可對(duì)電源進(jìn)行在線更換。發(fā)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(lái)實(shí)現(xiàn)插接，發(fā)射系統(tǒng)的各個(gè)組成單元均為可插拔的組件或分機(jī)形式，以達(dá)到不關(guān)機(jī)在線維修的目的。輔助電源采用兩個(gè)線性電源模塊并聯(lián)使用，當(dāng)一個(gè)低壓線性電源出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)仍然能正常工作，低壓電源故障在總控制臺(tái)顯示。

風(fēng)機(jī)組件：每三個(gè)獨(dú)立的風(fēng)機(jī)作成一體，每個(gè)風(fēng)機(jī)設(shè)置單獨(dú)的電源開關(guān)，安裝時(shí)設(shè)計(jì)少量的結(jié)構(gòu)安裝附件，當(dāng)單個(gè)風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障能夠在不停機(jī)的狀態(tài)下能夠?qū)︼L(fēng)機(jī)快速換裝。

4.整機(jī)性能測(cè)試

完成研制后對(duì)發(fā)射機(jī)的測(cè)試結(jié)果表明，該發(fā)射機(jī)在要求的頻率帶寬內(nèi)，占空比為10%，要求的最大工作脈寬條件下，輸出功率見(jiàn)表1：

表1 發(fā)射機(jī)的測(cè)試結(jié)果

發(fā)射機(jī)的雙機(jī)切換和在線維修功能都達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。

5.結(jié)論

通過(guò)發(fā)射機(jī)使用一年說(shuō)明，該發(fā)射機(jī)整機(jī)工作穩(wěn)定，能連續(xù)工作1000小時(shí)以上無(wú)停機(jī)故障，與同類產(chǎn)品相比具有輸出功率大，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。預(yù)計(jì)該發(fā)射機(jī)在將來(lái)的應(yīng)用中，特別是對(duì)可靠性要求較高的雷達(dá)中有較好的用途。

[1]胡見(jiàn)堂.固態(tài)高頻電路.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1999

[2]王強(qiáng).雷達(dá)發(fā)射監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì).現(xiàn)代電子，2001(4)

[3]Reinhold Ludwig，Pavel Brechko.射頻電路設(shè)計(jì)——理論與應(yīng)用[M].王子宇，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2002.

謝成發(fā)(1980-)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楣虘B(tài)發(fā)射機(jī)，T/R組件，微波電路設(shè)計(jì)。