P波段功放組件的研制

沈項(xiàng)東，樊錫元

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

P波段功放組件的研制

沈項(xiàng)東，樊錫元

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

功放組件是風(fēng)廓線雷達(dá)的關(guān)鍵部件之一，對(duì)于整機(jī)的性能、可靠性、成本等有決定性的影響。本文通過風(fēng)廓線雷達(dá)系統(tǒng)指標(biāo)的分解、單元電路的劃分、微帶混合匹配電路的設(shè)計(jì)，研制了一種P波段功放組件。在充分滿足系統(tǒng)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)解決了組件的幅相一致性、可靠性等問題，大大降低了組件調(diào)試難度，從而為整機(jī)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

功放組件；架構(gòu)；一致性；可靠性

0 引 言

風(fēng)廓線雷達(dá)是一種以晴空湍流為對(duì)象，探測(cè)大氣風(fēng)場(chǎng)要素的新型地基遙感設(shè)備，通常工作在全天候無人值守狀態(tài)。功放組件是風(fēng)廓線雷達(dá)的核心部件之一，它向空中發(fā)射高頻脈沖，信號(hào)處理系統(tǒng)提取回波，再利用多波束進(jìn)行數(shù)據(jù)綜合就可以獲得實(shí)時(shí)風(fēng)廓線。為了實(shí)現(xiàn)靈活而高精度的波束指向，對(duì)功放組件提出了高功率、高可靠、低成本、幅相一致性等性能要求。

固態(tài)微波功率器件由于工作電壓低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，倍受各個(gè)領(lǐng)域的青睞。據(jù)資料報(bào)道，所有采用固態(tài)器件制作的發(fā)射機(jī)及功率組件，其可靠性指標(biāo)都很高。集中式發(fā)射機(jī)的平均故障間隔時(shí)間(MTBF)已達(dá)到104小時(shí)，而收發(fā)組件則達(dá)到了105小時(shí)[1]。

目前，國(guó)內(nèi)外采用固態(tài)功放組件構(gòu)成的發(fā)射系統(tǒng)屢見不鮮。新一代E-2D預(yù)警機(jī)雷達(dá)將電真空發(fā)射系統(tǒng)替換為固態(tài)發(fā)射系統(tǒng)，其核心部件是功放組件，同樣采用固態(tài)功放組件的陸基雷達(dá)(美國(guó)X波段THAAD，丹麥的C波段MALIC)，艦載雷達(dá)(美國(guó)的朱迪眼鏡蛇，日本的OPS-24)，機(jī)載預(yù)警雷達(dá)(瑞典的S波段的ERIEYE，以色列的L波段PHALCOW)等已相繼部署[1]。

為了適應(yīng)層出不窮的應(yīng)用需求，各國(guó)研究機(jī)構(gòu)均加大投入，以期提升固態(tài)功放組件的性能。在P波段風(fēng)廓線雷達(dá)功放組件的研制過程中，突破了微帶混合匹配電路技術(shù)、傳輸線配相、穩(wěn)定性設(shè)計(jì)以及脈沖前延優(yōu)化技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)功放組件的驅(qū)動(dòng)級(jí)固態(tài)放大器、微波放大模塊、BITE、供電電源、冷卻系統(tǒng)等分別進(jìn)行了設(shè)計(jì)，成功研制了滿足要求的功放組件。

1 指標(biāo)分析及系統(tǒng)架構(gòu)

探測(cè)目標(biāo)對(duì)電磁波的散射非常微弱，本次設(shè)計(jì)的風(fēng)廓線雷達(dá)的探測(cè)高度要求達(dá)到10km，經(jīng)過技術(shù)分解，所需P波段功放組件主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 P波段功放組件主要技術(shù)指標(biāo)

由于每路射頻輸出功率均需要達(dá)到1.5 kW以上，所以要綜合考慮功率組件的數(shù)量和輸出功率之間的關(guān)系。否則，將對(duì)系統(tǒng)在體積、重量、散熱等方面提出過高的要求?？偟膩碚f，由于工作頻率較低，組件數(shù)目太多將導(dǎo)致系統(tǒng)的分配網(wǎng)絡(luò)和合成網(wǎng)絡(luò)非常復(fù)雜，不利于系統(tǒng)的裝配和維修。因此，在設(shè)計(jì)之初，就決定將微波組件的總數(shù)目控制在5個(gè)，即每路用一個(gè)組件來完成。這樣，一方面，將大大減少發(fā)射機(jī)整機(jī)的復(fù)雜性； 另一方面，降低整機(jī)成本。

考慮到每一路輸出均需進(jìn)行相位控制，則必須在射頻通路中串入移相器。移相器的串入有如下兩種方式：

圖1 移相器串入的兩種方式

方式1是將5路數(shù)字移相器放在整個(gè)鏈路的最前面，優(yōu)點(diǎn)是移相器的承受功率可在mW量級(jí)；但需要5路前級(jí)組件，會(huì)大大增加成本。方式2僅需一只前級(jí)組件，但移相器需要承受W級(jí)功率。在P波段，該量級(jí)的移相器難度不大。鑒于此，選擇方式2的系統(tǒng)架構(gòu)。由此，射頻鏈路各級(jí)增益分配圖如圖2所示。

圖2 射頻鏈路各級(jí)增益分配圖

2 模塊設(shè)計(jì)

功放組件中需要進(jìn)行功率模塊的合成。從簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，用2的n次方的數(shù)目進(jìn)行合成是最為簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)的?？紤]到完善的BITE功能的需求，P波段功放組件的整體設(shè)計(jì)方案圖如圖3所示。

圖3 P波段功放組件的整體設(shè)計(jì)方案圖

射頻信號(hào)進(jìn)入功放組件，首先送入300 W模塊，放大到300 W左右。經(jīng)過兩級(jí)電橋的功分成為4路，每一路約為54W。經(jīng)過500 W模塊的放大后，功率成為500 W以上。再通過兩級(jí)電橋的合成，輸出至少1.5 kW以上。在組件的輸入、輸出端，均設(shè)置耦合檢波電路，對(duì)輸入、輸出的射頻功率進(jìn)行檢測(cè)。放置在組件內(nèi)的溫度繼電器可以對(duì)過溫故障及時(shí)作出反應(yīng)以保護(hù)微波晶體管。組件出現(xiàn)故障時(shí)，BITE板給主監(jiān)控及時(shí)送出故障信號(hào)。

基于模塊化設(shè)計(jì)考慮，本系統(tǒng)總共只用兩種模塊完成射頻部分的放大。功放組件的增益分配圖如圖4。

圖4 功放組件的增益分配圖

300W模塊和500W模塊分別選擇MS2176型和MS2200型雙極型功率管。實(shí)物圖見圖5和圖6。

圖5 300 W模塊實(shí)物圖

圖6 500 W模塊實(shí)物圖

由于50 Ω?jìng)鬏斁€與晶體管的輸入、輸出阻抗相差太大(微波晶體管的輸入、輸出阻抗往往在數(shù)歐甚至1歐以下)，直接匹配難以產(chǎn)生好的效果。用傳輸線變壓器(變比為4∶1)首先將50 Ω的傳輸線阻抗變換為12.5 Ω左右，然后再通過集總元件――電容、電感，在輸入端獲得良好的匹配效果。輸出端也是照此設(shè)計(jì)，只是將傳輸線變壓器的變比由4∶1改為1∶4。

作為功放模塊而言，功率管往往采用脈沖C類工作方式。此種功率管的生產(chǎn)廠家往往不能提供其S參數(shù)，這就給匹配電路的具體實(shí)現(xiàn)帶來難度[3]。設(shè)計(jì)中，通過微帶線、傳輸線變壓器、集總參數(shù)的電容等實(shí)現(xiàn)具體的匹配網(wǎng)絡(luò)。由于頻段的關(guān)系，這兩種模塊的設(shè)計(jì)有相似之處，都是采用了巴倫和微帶的混合匹配技術(shù)。功放組件幅度一致性的保證從模塊做起，為此，專門對(duì)模塊所用的巴倫畫出詳細(xì)的外形圖，規(guī)定長(zhǎng)度和形狀；對(duì)調(diào)節(jié)電容的容值和位置也出圖明示。另外在調(diào)試和測(cè)試后，對(duì)相應(yīng)模塊進(jìn)行合理匹配，平衡了各路的輸出功率，保證了功率組件的幅度一致性。

模塊設(shè)計(jì)中，注意到分布參數(shù)對(duì)微波電路的影響會(huì)很大。無論地線和信號(hào)，都要求面接觸，否則會(huì)在該處產(chǎn)生較高的駐波，增加調(diào)試的難度和降低成品率。在兩種模塊設(shè)計(jì)過程中，大量使用反包地線。不僅降低了接地電阻，而且大幅度提高了電磁兼容性。

3 組件設(shè)計(jì)

如前所述，末級(jí)組件通過1只300 W模塊，4只500 W模塊實(shí)現(xiàn)射頻鏈路的功能。與此同時(shí)，該組件還要實(shí)現(xiàn)BITE、散熱、儲(chǔ)能等功能。

3.1 BITE設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)，組件故障分為：欠輸入故障、欠輸出故障、過熱故障三種。其中過熱故障是致命故障，需要將該組件對(duì)應(yīng)的電源模塊輸出關(guān)斷。

欠輸入、輸出故障對(duì)組件的輸入、輸出功率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)無輸入功率，或輸出功率低于額定值1dB以上時(shí)，報(bào)故障。熱故障用于監(jiān)測(cè)組件內(nèi)部關(guān)鍵功率晶體管的殼溫。當(dāng)晶體管的殼溫高于額定值時(shí)報(bào)故障，同時(shí)用該故障信號(hào)去關(guān)斷本組件的電源模塊。當(dāng)沒有任何故障產(chǎn)生時(shí)，組件報(bào)正常。

三類故障中，欠輸入故障、欠輸出故障需要采集微波信號(hào)，再將微波信號(hào)轉(zhuǎn)化為直流信號(hào)，然后再做相應(yīng)處理。一般使用微帶耦合器來采集一部分微波信號(hào)，然后用檢波器將微波信號(hào)轉(zhuǎn)化為直流信號(hào)[4]，檢波電路示意圖見圖7。

圖7 檢波電路示意圖

熱故障利用溫度繼電器(常開)來采集。溫度繼電器安裝在微波晶體管的旁邊，當(dāng)晶體管殼溫達(dá)70 ℃時(shí)，溫度繼電器的殼溫也隨之上升到55 ℃左右，溫度繼電器的開關(guān)狀態(tài)反轉(zhuǎn)。溫度繼電器其中一個(gè)引腳上加有5 V電源，另一引腳上的電壓將隨著開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變而在5 V和0 V之間轉(zhuǎn)化，完成對(duì)晶體管殼溫是否超過額定值的判別。

3.2 散熱設(shè)計(jì)

散熱設(shè)計(jì)是模塊乃至組件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一環(huán)。由于散熱模塊是組成發(fā)射機(jī)的基本單元，大功率晶體管就安裝在其上，模塊散熱性能的好壞將直接影響晶體管的性能發(fā)揮。在決定采用風(fēng)冷散熱的前提下，利用肋片散熱器，其散熱通道大、阻力小，相對(duì)而言需要較大風(fēng)量。

散熱模塊的形式確定后，保證匹配電路微帶板和功率管的安裝精度顯得尤為重要。對(duì)微帶板安裝面的平面度、粗糙度均提出較高的要求。為了降低管子與安裝基面間的接觸熱阻，除了提高安裝面的粗糙度要求外，在功率管與安裝基面間涂性能較好的導(dǎo)熱硅脂。

散熱模塊計(jì)算過程如下：

①輸入條件

按照晶體管峰值功率500 W,效率>45%,工作比10%考慮，耗散功率P計(jì)算如式(1)

(1)

晶體管的外形尺寸(法蘭):22.61mm×9.65mm×1.65mm

②散熱器材料性質(zhì)

散熱模塊材料LD31的導(dǎo)熱系數(shù)λ=204W/m·K

③設(shè)計(jì)原則

散熱計(jì)算的基本依據(jù)是保證晶體管的結(jié)溫不超過最高的允許結(jié)溫，考慮管子的殼溫不超過70 ℃。

將上述數(shù)據(jù)代入熱仿真軟件，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，并經(jīng)過計(jì)算和綜合設(shè)計(jì)，得出散熱器尺寸如圖8。

圖8 散熱器尺寸圖

3.3 儲(chǔ)能設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)工作在脈沖方式，直流電源進(jìn)入組件后，需要通過儲(chǔ)能電容后再饋送至每個(gè)微波功率管的電源端，這樣才可以保證單管放大器輸出的脈內(nèi)功率頂降不致過大[5]。

儲(chǔ)能電容的總?cè)萘?C)與組件的輸出峰值電流(Ip)、脈寬(Tp)、工作電壓(Vcc)以及要求的頂降(δ)有關(guān)。它們之間滿足如式(2)

(2)

首先計(jì)算500 W模塊的儲(chǔ)能電容值。500 W模塊輸出峰值功率設(shè)為600 W(實(shí)際500 W，這里留出20%的裕量)、工作電壓Vcc=40 V、效率η=45%(實(shí)際大于50%),由此計(jì)算MS2200微波功率管的峰值工作電流Ip如式(3)

(3)

設(shè)工作脈寬為20 μs，要求頂降不超過0.015，則由(2)式可知，一個(gè)MS2200要求的儲(chǔ)能電容容量約為1 133 μF。這樣，為滿足要求，選用一只容值為1 500 μF的電容為每個(gè)功率管提供峰值電流。整個(gè)組件將裝入5個(gè)這樣的電容。

為了防止電源過流，燒毀微波晶體管，在電源輸入組件處，加入一個(gè)25 A的空氣開關(guān)。

通過上述設(shè)計(jì)途徑，最終獲得如圖9所示的P波段功放組件。

圖9 P波段功放組件

通過計(jì)算，可知在空氣介質(zhì)中，445 MHz微波波長(zhǎng)是0.674 m，而組件中所用的傳輸線電纜的相對(duì)介電常數(shù)是2.2，微波波長(zhǎng)是0.454 m，對(duì)應(yīng)于360°相移。這樣，當(dāng)組件需要移相20°時(shí)，只需要改變電纜長(zhǎng)度2.5 cm。組件間的相位一致性問題得以很好的解決。

4 測(cè)試結(jié)果

對(duì)獲得的P波段功放組件進(jìn)行電性能測(cè)試。測(cè)試前先對(duì)定向耦合器的耦合度和插入損耗、同軸固定衰減器的實(shí)際插入損耗、測(cè)試電纜的插入損耗以及負(fù)載駐波比等進(jìn)行測(cè)量，所獲得的值代入峰值功率計(jì)中作為偏移量。

信號(hào)源送入的微波信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)模塊放大輸出至功放組件需要的功率。由功放組件出口處的定向耦合器耦合輸出部分微波信號(hào)，經(jīng)固定衰減器送入峰值功率計(jì)進(jìn)行測(cè)量，記錄輸出峰值功率Pout。定向耦合器同時(shí)耦合輸出一部分信號(hào)至檢波器檢波，送入示波器，進(jìn)行時(shí)域參數(shù)的測(cè)量。

通過信號(hào)源將頻率預(yù)置到工作頻段內(nèi)，為功放組件配置合適的電源電壓，連接輸入、輸出耦合器及負(fù)載，逐點(diǎn)測(cè)試輸出功率及各項(xiàng)參數(shù)。測(cè)試系統(tǒng)原理圖見圖10。

圖10 測(cè)試系統(tǒng)原理圖

圖10中，信號(hào)源型號(hào)為HP8648D，在2.5 GHz頻率范圍內(nèi)輸出電平的精度在±1 dB之內(nèi)；示波器型號(hào)為HP54600B，主要性能為數(shù)字存儲(chǔ)，100 M帶寬；峰值功率計(jì)型號(hào)為E4417A，頻率范圍為10 MHz～26.5 GHz。

組件輸出功率的測(cè)試圖片見圖11。

圖11 組件輸出功率測(cè)試圖

組件上升沿、下降沿測(cè)試圖片見圖12。

圖12 組件上升沿、下降沿測(cè)試圖

對(duì)5只組件進(jìn)行測(cè)試和比較，結(jié)果見表2。

表格中，功率的單位為kW，上升、下降沿的單位為μS。分析上述數(shù)據(jù)，1號(hào)組件的輸出幅度最小，為61.76 dBm，4號(hào)組件的輸出幅度最大，為62.15 dBm。因此5只組件的幅度一致性為62.15-61.76=0.39 dB，滿足ΔA≤1 dB的指標(biāo)。相位一致性指標(biāo)經(jīng)過矢網(wǎng)測(cè)試和電纜長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)也完全滿足ΔΦ≤7°的要求。

表2 P波段功放組件的測(cè)試數(shù)據(jù)

風(fēng)廓線雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)類型是窄脈沖線性調(diào)頻信號(hào)，對(duì)信號(hào)的上升沿和下降沿有嚴(yán)格要求。上升和下降沿過大，不僅會(huì)造成發(fā)射能量的損失，同時(shí)對(duì)信號(hào)帶寬也構(gòu)成影響，進(jìn)而影響接收分辨率。工作脈寬越窄，輸出射頻脈沖的上升沿和下降沿占脈沖寬度的比例越高，對(duì)雷達(dá)的性能影響也就越大。從表2可以看出，雖然上升、下降沿的指標(biāo)均滿足要求，但是在窄脈沖(τ=1.6 μs)情況下，發(fā)射脈沖在輸出功率還沒有達(dá)到最大值時(shí)即已經(jīng)結(jié)束，造成峰值功率普遍比寬脈沖(τ=12.8 μs)時(shí)要略小一些。可以預(yù)見，上升沿越小，寬窄兩種脈沖情況下輸出功率的差別也將越小，同時(shí)對(duì)雷達(dá)性能影響也會(huì)越小。

5 結(jié) 語(yǔ)

P波段功放組件采用了模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)、混合

匹配電路設(shè)計(jì)技術(shù)、大功率組件的強(qiáng)迫風(fēng)冷設(shè)計(jì)技術(shù)等。經(jīng)過一個(gè)完整的設(shè)計(jì)周期，目前該型組件已經(jīng)成功運(yùn)用于風(fēng)廓線雷達(dá)中。

運(yùn)用于風(fēng)廓線雷達(dá)的P波段功放組件達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，可以證明功放組件的可靠性值得信賴。

[1] Skolnik M I.雷達(dá)手冊(cè)(第三版)[M].南京電子技術(shù)研究所譯.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[2] Inder Bahl, Prakash Bhartia. 微波固態(tài)電路設(shè)計(jì)[M]. 2版. 鄭新,譯. 北京:電子工業(yè)出版社, 2006:176-274.

[3] Guillermo Gonzalez. Microwave Transistor Amplifiers: Analysis and Design. Upper Saddle River, N.J.:Prentice Hall, 1997.

[4] 劉繼林. UHF大功率功放模塊設(shè)計(jì)的新方法[J].電訊技術(shù), 2012，6：988-991

[5] 趙夕彬.射頻寬帶大功率放大器模塊[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2003，28(2)：65-67.

樊錫元(1972—)， 男，安徽人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槲⒉?毫米波技術(shù)研究。

《中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)》編輯部誠(chéng)聘審稿專家

為了更進(jìn)一步完善稿件評(píng)審機(jī)制，提高稿件的評(píng)審質(zhì)量及評(píng)審效率，縮短本刊出版時(shí)滯周期，確保具有原創(chuàng)性高質(zhì)量學(xué)術(shù)水平的稿件及時(shí)發(fā)表，本刊編輯部現(xiàn)面向國(guó)內(nèi)外誠(chéng)聘本學(xué)科各領(lǐng)域?qū)徃鍖＜摇?/p>

誠(chéng)聘審稿專家的條件如下：

·具有博士學(xué)歷、副教授及以上技術(shù)職稱，具有良好的科研道德，處于本學(xué)科各研究領(lǐng)域的中青年專家、學(xué)者。

·熟悉并了解所從事研究領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外最新的研究狀況及發(fā)展趨勢(shì)。具有良好的專業(yè)英語(yǔ)水平，能熟練使用網(wǎng)絡(luò)對(duì)評(píng)審的稿件進(jìn)行文獻(xiàn)的查新、檢索。

·近年來在國(guó)外重要檢索源刊或國(guó)內(nèi)主要核心期刊上發(fā)表過數(shù)篇以上的學(xué)術(shù)性論文。

·有意從事兼職審稿工作，具有較高的學(xué)術(shù)造詣；對(duì)稿件的評(píng)審能做到認(rèn)真負(fù)責(zé)、客觀公正；能按本刊稿件評(píng)審要求及時(shí)返回審稿意見。

有意者請(qǐng)聯(lián)系我編輯部,聯(lián)系電話：010-68893411，郵箱：dkyxuebao@vip.126.com

Design of a P-Band Power Amplifier Module

SHEN Xiang-dong,FAN Xi-yuan

(No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088, China)

Power amplifier module is one of the key components of the wind profiler. It has crucial influence on the performance, reliability and cost of the full set of machine. In this paper, by peforming system parameters analysis, unit circuits partition and microstrip hybrid matching circuit design, a P-band power amplifier module is designed, which satisfies the requirement of the system. The amplitude/phase consistency, as well as the reliability is improved greatly. The difficulty in module debugging is reduced and the long time running stablility of the full set of machine is also ensured.

Power amplifier module; architecture; consistency; reliability

10.3969/j.issn.1673-5692.2017.01.008

2016-06-09

2016-09-08

沈項(xiàng)東(1971—)，男，安徽人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槲⒉?射頻電路研究。

E-mail：2856626457@qq.com

TN 73

A

1673-5692(2017)01-041--06