一種支持寬帶工作的S波段發(fā)射組件設(shè)計(jì)

孟歡++于龍++范青

摘 要

本文對(duì)于在某些多種大功率無(wú)線電發(fā)射設(shè)備同時(shí)集中使用的區(qū)域，如何在相近頻率范圍內(nèi)有效的避免相互干擾，特別針對(duì)S波段雷達(dá)發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)了一種支持800MHz帶寬工作的發(fā)射組件。該組件中的核心器件——功率放大管選用目前使用了最新技術(shù)的氮化鎵功率管，使該組件乃至整套發(fā)射機(jī)都具有快速的脈沖上升時(shí)間。

【關(guān)鍵詞】寬帶 快速上升時(shí)間 氮化鎵

隨著現(xiàn)代各種類型無(wú)線電設(shè)備的快速發(fā)展，某些特定區(qū)域（如機(jī)場(chǎng)），會(huì)存在著多種大功率無(wú)線電發(fā)射設(shè)備集中使用的情況，這些設(shè)備的同時(shí)使用，會(huì)在相近頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生相互干擾，若這些設(shè)備支持寬帶工作，則可以在有效的頻率范圍內(nèi)選擇最佳的工作頻點(diǎn)，避免干擾的產(chǎn)生，從而使設(shè)備性能達(dá)到最優(yōu)，這點(diǎn)對(duì)于情報(bào)雷達(dá)尤其重要，特別是在戰(zhàn)術(shù)上可以很好的規(guī)避敵方的干擾及頻率偵察，因此使其隱蔽性及戰(zhàn)場(chǎng)存活概率得到了極大提高。

固態(tài)雷達(dá)發(fā)射機(jī)主要由若干發(fā)射組件組成，所以發(fā)射組件指標(biāo)的優(yōu)劣直接決定了發(fā)射機(jī)的性能。傳統(tǒng)的發(fā)射組件通常采用的功率放大管為硅材料的雙極型晶體管或結(jié)合了BPT和砷化鎵工藝的LD MOS功率管，但這兩種功率放大管都無(wú)法支持大功率寬帶工作，而且脈沖信號(hào)上升時(shí)間較長(zhǎng)，使得雷達(dá)整機(jī)的探測(cè)精度較低。本文為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)了一種支持寬帶工作的S波段發(fā)射組件，同時(shí)解決了固態(tài)組件快速脈沖上升時(shí)間的問題。

1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

本發(fā)射組件結(jié)合雷達(dá)整機(jī)要求，提出以下主要設(shè)計(jì)指標(biāo)：

頻率范圍： 2.7GHz～3.5GHz

輸入功率： 10W（峰值）

工作脈寬： ≤300μs

占空比： ≤10%

輸出功率： ≥1kW（峰值）

上升時(shí)間： ≤50ns

下降時(shí)間： ≤20ns

頂降： ≤0.5dB

二次諧波： ≤60dBc

相噪惡化： ≤3dB

改善因子： ≤60dBc

由上可知，本組件具有800MHz的工作帶寬，涵蓋了S波段一次雷達(dá)常用的頻率范圍。

2 原理電路

如圖1所示， PIN開關(guān)接收來(lái)自于前端輸入的額定峰值功率為20W的激勵(lì)推動(dòng)，在PIN開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)下輸出功率送入第一250W 功率放大器，耦合口功率大約為20mW左右送入第一1分2分配器；第一250W 功率放大器經(jīng)過(guò)功率放大后輸出功率送入第一隔離器；第一隔離器輸出端連接均衡器；均衡器輸出端連接1分6串饋分配器；1分6串饋分配器輸出端連接固定衰減器，調(diào)試時(shí)可將此固定衰減器拆下，裝上測(cè)試工裝，接上峰值功率計(jì)，測(cè)量從1分6串饋分配器輸出的每個(gè)端口的峰值功率，如果端口功率的帶內(nèi)起伏較大，可以在均衡器上用匹配塊調(diào)節(jié)，最終可將帶內(nèi)起伏控制在1dB之內(nèi)；固定衰減器輸出端連接第二250W 功率放大器，第二250W 功率放大器額定峰值輸入功率為20W，若輸入功率過(guò)大，可改變前面所述的固定衰減器的衰減值，以達(dá)到合適輸入功率；第二250W 功率放大器的輸出端連接第二隔離器；第二隔離器的輸出端連接6合1串饋合成器，6合1串饋合成器輸出端對(duì)外輸出6路第二250W 功率放大器的合成功率，耦合口功率大約為1W左右送入第二1分2分配器；第一1分2分配器接收到來(lái)自于PIN開關(guān)耦合端的功率后將其分為兩路，一路送往組件面板上的輸入功率檢測(cè)口，可以接上相關(guān)儀表進(jìn)行輸入功率的指標(biāo)測(cè)試，另一路送往檢波單元所對(duì)應(yīng)的輸入端；第二1分2分配器接收到來(lái)自于6合1串饋合成器耦合端的功率后將其分為兩路，一路送往組件面板上的輸出功率檢測(cè)口，可以接上相關(guān)儀表進(jìn)行輸出功率的指標(biāo)測(cè)試，另一路送往檢波單元所對(duì)應(yīng)的輸入端；檢波單元連接第一1分2分配器輸出端的支路經(jīng)過(guò)檢波二極管后送入BITE所對(duì)應(yīng)的輸入端，連接第二1分2分配器輸出端的支路在經(jīng)過(guò)一個(gè)20dB固定衰減器進(jìn)入檢波二極管后送入BITE所對(duì)應(yīng)的輸入端；BITE分別接收來(lái)自于檢波單元的輸入輸出檢波信號(hào)在內(nèi)部進(jìn)行放大、整形、比較、判斷后輸出電平送往組件面板指示燈，用來(lái)指示功率正常情況并判斷各種故障及時(shí)對(duì)組件進(jìn)行保護(hù)。

2 器件選擇

2.1 功率管

功率管是放大器的核心器件，由以上原理電路可知，本組件設(shè)計(jì)有兩級(jí)放大鏈路，每級(jí)的功率放大器功率管型號(hào)均選用美國(guó)Integra公司生產(chǎn)的IGN2735M250，屬于氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，AB類放大器，50歐姆內(nèi)部匹配，典型增益11dB，漏極靜態(tài)電流150mA，漏極額定工作電壓+32V，柵極典型工作電壓-3.2V，輸出功率大于250W，效率大于45%，最大工作脈寬300μs，占空比10%，工作頻率范圍為2.7GHz～3.5GHz，脈沖上升時(shí)間實(shí)測(cè)值小于20ns。

2.2 PIN開關(guān)

PIN開關(guān)的作用為控制射頻關(guān)斷與導(dǎo)通，單刀單擲，成都970廠生產(chǎn)，型號(hào)為VJK1002，要求其具有不超過(guò)20ns的快速響應(yīng)時(shí)間，從而保證組件快速的脈沖上長(zhǎng)升時(shí)間；要求其除了供電接口外，還應(yīng)具備輸入端、輸出端、TTL控制端及耦合端。TTL控制端特性為“0”關(guān)斷，“1”導(dǎo)通；耦合端耦合度為30dB，隔離度30dB。

2.3 均衡器

功率管的輸出功率大小在其工作頻率范圍內(nèi)呈現(xiàn)出從低頻到高頻逐漸降低的特性且組件中的第一250W 功率放大器作為后端6個(gè)第二250W 功率放大器的推動(dòng)級(jí)對(duì)功率平坦度要求較高，起伏越小越好，因此需要通過(guò)均衡器來(lái)控制輸出功率的平坦度。本組件內(nèi)的均衡器為微帶吸收式，采用ADS仿真得到，損耗特性與功率管功率輸出特性相同，按頻率從低到高逐漸遞減，范圍為0.3dB～1.3dB。

2.4 分配器

串饋分配器具有重量輕，體積小等優(yōu)點(diǎn)，本組件采用1分6串饋分配器，要求其頻率范圍為2.7GHz～3.5GHz，插入損耗小于0.5dB，隔離度大于20dB，端口駐波小于1.3，幅度不平衡±0.5dB，相位不平衡±3°，可承受功率值為500W。

2.5 合成器

為保證各端口的合成相位相近從而輸出最大功率，串饋分配器需同時(shí)配合串饋合成器使用，本組件中所使用的6合1串饋合成器要求其頻率范圍為2.7GHz～3.5GHz，插入損耗小于0.5dB，隔離度大于20dB，端口駐波小于1.3，幅度不平衡±0.5dB，相位不平衡±3°，可承受功率值為2000W，具有輸出功率耦合口且耦合度為30dB。

2.6 檢波單元

檢波單元中所采用的檢波二極管生產(chǎn)廠家為中電55所，型號(hào)為WJ3022A。檢波單元中含有輸入輸出兩條支路，輸入支路接收到輸入功率信號(hào)后直接送入檢波二極管檢波輸出。因?yàn)樵摍z波二極管可承受的最大峰值功率為200mW，所以輸出支路接收到輸出功率信號(hào)后先經(jīng)過(guò)一個(gè)20dB固定衰減器將信號(hào)峰值功率值衰減到該檢波二極管的可承受范圍內(nèi)再送入檢波二極管檢波輸出。

2.7 BITE

BITE具有指示功率正常情況及檢測(cè)過(guò)溫、過(guò)壓、欠壓等故障并關(guān)斷PIN開關(guān)的功能。功率指示具體顯示內(nèi)容為：綠燈點(diǎn)亮，紅燈熄滅代表功率檢測(cè)正常；綠燈熄滅，紅燈點(diǎn)亮代表未檢測(cè)到輸出功率；綠燈紅燈一起點(diǎn)亮代表檢測(cè)到輸出功率未檢測(cè)到輸入功率。BITE還能夠接收到來(lái)自于功率放大管漏極電壓及安裝在組件內(nèi)部的溫度繼電器的吸合狀態(tài)來(lái)進(jìn)行判斷組件是否有過(guò)壓、欠壓、過(guò)溫故障，若出現(xiàn)上述故障則及時(shí)關(guān)斷送往PIN開關(guān)的TTL控制信號(hào)以使PIN開關(guān)截止從而保護(hù)組件不受損壞。

3 測(cè)試數(shù)據(jù)

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，將本組件各項(xiàng)指標(biāo)記錄于表1中。

4 結(jié)論

由表1可知，本組件經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，指標(biāo)完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求且具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）支持寬帶大工作比工作；

（2）快速的脈沖上升時(shí)間，實(shí)測(cè)值小于20ns；

（3）穩(wěn)定的功能檢測(cè)及故障保護(hù)；

（4）便于在線測(cè)量組件各項(xiàng)指標(biāo)，組件面板上設(shè)計(jì)有輸入、輸出信號(hào)檢測(cè)口，接上相關(guān)儀表可以直接對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，從而判斷前端激勵(lì)及組件本身工作正常與否。

作者簡(jiǎn)介

孟歡（1984-），男，安徽省合肥市人?，F(xiàn)為安徽四創(chuàng)電子股份有限公司工程師。主要研究方向?yàn)槔走_(dá)發(fā)射機(jī)。

于龍（1984-），男，安徽省亳州市人。現(xiàn)為安徽四創(chuàng)電子股份有限公司工程師。主要研究方向?yàn)槔走_(dá)發(fā)射機(jī)。

范青（1966-），男，四川省遂寧市人?，F(xiàn)為安徽四創(chuàng)電子股份有限公司高級(jí)工程師。主要研究方向?yàn)槔走_(dá)發(fā)射機(jī)。

作者單位

安徽四創(chuàng)電子股份有限公司 安徽省合肥市 230088