某型號(hào)雷達(dá)中激勵(lì)源放大器的設(shè)計(jì)方案

安徽四創(chuàng)電子股份有限公司　鄭銀福

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某型號(hào)雷達(dá)中激勵(lì)源放大器的設(shè)計(jì)方案

安徽四創(chuàng)電子股份有限公司鄭銀福

【摘要】本文簡(jiǎn)述了某型號(hào)雷達(dá)中激勵(lì)源放大器的設(shè)計(jì)方法及平衡放大器的設(shè)計(jì)原理。

【關(guān)鍵詞】激勵(lì)；BITE；射頻；3dB電橋；定向耦合器；Po-1

1　引言

激勵(lì)源作為雷達(dá)系統(tǒng)中不可或缺的一部分，它的性能好壞決定了雷達(dá)發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)質(zhì)量的好壞和發(fā)射信號(hào)的正常檢測(cè)功能。激勵(lì)源放大器將上變頻通道產(chǎn)生的發(fā)射信號(hào)放大到雷達(dá)發(fā)射機(jī)輸入端所需的功率和提供激勵(lì)發(fā)射信號(hào)的檢測(cè)信號(hào)以及BITE故障在線檢測(cè)信號(hào)。

2　產(chǎn)品特點(diǎn)

本激勵(lì)源放大器模塊作為一個(gè)獨(dú)立放大模塊，可通過(guò)二選一射頻開(kāi)關(guān)選擇激勵(lì)輸出信號(hào)給發(fā)射機(jī)或選擇測(cè)試輸出信號(hào)給測(cè)試通道，同時(shí)能夠提供激勵(lì)輸出通道故障在線檢測(cè)功能所需的電壓信號(hào)即BITE信號(hào)。本模塊包含射頻開(kāi)關(guān)選擇電路、射頻放大電路、3dB電橋、微帶定向耦合器電路以及射頻檢波、比較電路。

3　方案設(shè)計(jì)

3.1主要指標(biāo)要求

a.工作頻率：2700～2900MHz；

b.增益：40±2dB（激勵(lì)輸出），三路輸出；

c.激勵(lì)發(fā)射信號(hào)Po-1：22±1dBm；測(cè)試輸出信號(hào)：-15±1dBm；輸出信號(hào)各路之間隔離度：≥80dB；駐波小于1.5；

d.激勵(lì)檢測(cè)信號(hào)和激勵(lì)發(fā)射信號(hào)的耦合度：-20± 2dB；

e.輸出故障檢測(cè)信號(hào)：TTL電平。

3.2方案選擇

根據(jù)技術(shù)指標(biāo)及可靠性要求我們選擇平衡放大器方案，平衡放大器具有噪聲低、穩(wěn)定性好、輸入輸出駐波小，容易匹配等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)工作頻率和輸出信號(hào)Po-1指標(biāo)要求，末級(jí)放大器選擇TRANSCOM公司的TC2384，在工作頻率點(diǎn)增益達(dá)可以到17dB,輸出Po-1可以達(dá)到到24 dBm。根據(jù)增益要求反推輸入級(jí)放大器的級(jí)數(shù)和型號(hào)，輸入級(jí)需采用二級(jí)放大，型號(hào)選用Mini公司的ERA-5SM，由于激勵(lì)發(fā)射信號(hào)和測(cè)試輸出信號(hào)隔離度要求＞80dB，我們選擇的HMC270MS8G只有45dB左右，因此可在每個(gè)支路上增加一個(gè)二選一射頻開(kāi)關(guān)來(lái)增加隔離度，再通過(guò)結(jié)構(gòu)上將兩路射頻信號(hào)腔體隔腔來(lái)屏蔽干擾，這樣可以保證隔離度＞80dB，具體方案框圖如圖1所示。

3.3基本原理及設(shè)計(jì)方案

如圖1所示，-17dBm左右的射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)兩個(gè)二選一射頻開(kāi)關(guān)，進(jìn)入任意一路放大器，以激勵(lì)發(fā)射輸出一路為例，經(jīng)過(guò)兩個(gè)射頻開(kāi)關(guān)后信號(hào)幅度為-20dBm,再經(jīng)3dBπ型衰減網(wǎng)絡(luò)后為-23dBm，經(jīng)過(guò)兩級(jí)增益放大器ERA-5SM放大后幅度為+7dBm，再通過(guò)兩個(gè)3dB電橋和兩個(gè)TC2384組成的平衡放大器放大后幅度達(dá)到+24dBm，此信號(hào)通過(guò)三路微帶定向耦合器后得到3路幅度不同的輸出信號(hào)，分別為給功放的激勵(lì)信號(hào)、用于檢測(cè)激勵(lì)信號(hào)的耦合信號(hào)和做BITE檢波比較所需的BITE信號(hào)，其中通過(guò)設(shè)計(jì)三路微帶定向耦合器的耦合度來(lái)控制激勵(lì)檢測(cè)信號(hào)和激勵(lì)發(fā)射信號(hào)的耦合度。

3.4平衡放大器的原理及簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)方法

平衡放大器具有噪聲低、穩(wěn)定性好，輸入輸出駐波小的優(yōu)點(diǎn)，下面我們將首先討論下圖所示平衡放大器的工作原理。

圖2　平衡放大器框圖

如圖2所示，這種平衡放大器由兩個(gè)3dB電橋，兩個(gè)性能完全相同放大器A和B ，和一系列傳輸線組成的。

圖1　激勵(lì)功放框圖

圖3　ADS仿真原理圖

︱S11︱=1/2 | S11(A) - S11(B) |

︱S21︱=1/2 | S21(A) + S21(B) |

︱S12︱=1/2 | S12(A) + S12(B) |

︱S22︱=1/2 | S22(A) - S22(B) |

其中系數(shù)1/2表示3dB衰減，如果放大器A和放大器B性能完全相同，反射系數(shù)相等，輸入功率從1端口輸入，

到2端口有90度相移，到3端口有180度相移，放大器A的反射功率到達(dá)1端口有180度相移，到達(dá)4端口有270度相移，放大器B的反射功率到達(dá)1端口有360度相移，到達(dá)4端口有270度相移，在1端口反射功率模值相同，符號(hào)相反，二者正好相互抵消，在4端口反射功率疊加，被匹配負(fù)載吸收掉，故|S11|=0；同理，|S22|=0，因此平衡放大器具有駐波小的優(yōu)點(diǎn)。

平衡放大器的可靠性高于單管式放大器，如果1只微波管損壞，放大器仍有功率輸出，只是輸出功率降低了6dB（前級(jí)的分配電橋和后級(jí)的合成電橋各損失3dB）。通常，微波管易出現(xiàn)潛在不穩(wěn)定性。對(duì)于平衡放大器，可以證明它的穩(wěn)定系數(shù)K恒大于1。從物理意義上可以這樣解釋：放大器的不穩(wěn)定性是由于信號(hào)源或負(fù)載的反射引起的，反射波的相位和幅度的、在某一范圍內(nèi)可能造成自激振蕩。但是在平衡放大器中，輸入和輸出端口是無(wú)反射的，所以盡管單只微波管本身具有潛在不穩(wěn)定性，但只要匹配電路設(shè)計(jì)良好，平衡放大器就是絕對(duì)穩(wěn)定的。

圖4　增益仿真圖

圖5　駐波仿真圖

此外，平衡放大器噪聲特性方面也有優(yōu)點(diǎn)。平衡放大器的最低噪聲系數(shù)和單端放大器是相同的，在設(shè)計(jì)匹配電路時(shí)，可以完全按照最佳噪聲匹配設(shè)計(jì)，以獲得理想的最小噪聲系數(shù)，不必兼顧駐波比。

元器件的離散性和溫度變化對(duì)平衡放大器的影響。由于平衡放大器的兩路放大器是完全對(duì)稱的，電路參數(shù)同時(shí)改變，3dB電橋可將離散性消除。于此同時(shí)，這也要求在平衡放大器的裝配過(guò)程中，要求兩支路放大器完全對(duì)稱。

圖3、圖4、圖5、圖6為用ADS仿真軟件仿真的平衡放大器電路圖和仿真結(jié)果圖。

圖6　穩(wěn)定系數(shù)仿真圖

4　結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了某雷達(dá)系統(tǒng)中激勵(lì)功放的設(shè)計(jì)方案及平衡放大器的原理和ADS仿真結(jié)果。該激勵(lì)源放大器設(shè)計(jì)方案切實(shí)可行，經(jīng)過(guò)實(shí)際加工測(cè)試驗(yàn)證，測(cè)試指標(biāo)完全符合指標(biāo)要求，并已投入實(shí)際使用中。

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