某40kW短波固態(tài)發(fā)射機的設計

李勁

關鍵詞：短波；大功率；發(fā)射機

中圖分類號：TN834 文獻標識碼：A

0引言

短波通信是人類最早大規(guī)模使用的無線電通信方式之一，在通信技術迅猛發(fā)展的今天，得益于其特有的物理特性優(yōu)勢，仍然發(fā)揮著重要作用。隨著晶體管技術的發(fā)展，電子設備的硬件集成化、固態(tài)化、數(shù)字化以及功能軟件化已基本完成。使用電子管的非固態(tài)化短波發(fā)射機因無法適配新的通信技術要求已逐步被淘汰。但晶體管因單管功率上限遠低于電子管，使得固態(tài)化短波發(fā)射機的最大額定功率與非固態(tài)的電子管發(fā)射機仍存在一定差距。我國國土面積大，同時工業(yè)活動使得地表電磁環(huán)境不斷惡化，對短波通信發(fā)射機的發(fā)射功率要求與日俱增。本文論述了一款目前國內(nèi)最大功率等級的40 kW短波固態(tài)發(fā)射機的原理和設計，供相關人員參考。

1設計輸入與設計分解

某40 kW短波固態(tài)發(fā)射機是一款設計安裝于標準方艙內(nèi)，以此布設在鋪裝地面或車載轉移的大功率短波發(fā)射機。其核心需求是具有較小的設備體積、良好的工作可靠性和維護便利性以及可較好適應方艙條件的散熱和環(huán)境防護性。發(fā)射機的設計要求為固態(tài)化發(fā)射機，組成形態(tài)為標準機柜安裝通用上架式單元的形式，兼顧通信和連續(xù)波穩(wěn)定發(fā)射輸出能力，其主要技術指標如表1所示。本文將從電路設計、結構和熱設計兩個方面進行分解和進一步闡析。

2電路設計

2.1發(fā)射機整體組成

某40 kW固態(tài)短波發(fā)射機包含激勵控制單元、控制分配單元（4個）、2 kW功率放大器（簡稱“功放”，24個）、六路功率合成器（4個）、電源單元（4個）、配電單元、40 kW合成器，一共39個功能單元放置于1個主機柜和4個功放機柜中，如圖1所示。

2.2分單元和鏈路設計

發(fā)射機通過供電、射頻、信號控制3個鏈路將上述各功能單元連接，形成發(fā)射機的電路系統(tǒng)，其原理框圖如圖2所示。

2.2.1供電鏈路

發(fā)射機供電鏈路如圖2中帶箭頭實線所示。外部380V三相交流電源供電連接到發(fā)射機的電源分配單元輸入端，經(jīng)電源分配單元內(nèi)的總開關和電源濾波后分到各機柜的電源單元中，各電源單元轉換為多種直流電壓，然后送至各功能單元。

2.2.2射頻鏈路

發(fā)射機射頻鏈路如圖2中帶箭頭長虛線所示?；鶐?shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字信號處理和直接頻率合成轉換為激勵射頻后送入前級放大器，然后經(jīng)過3級功率分配器均分到24個功放單元共96個后級放大器中。經(jīng)后級放大后的功率射頻再經(jīng)過3級功率合成，最終得到額定40 kW的大功率射頻，然后通過定向耦合器后對外輸出。定向耦合器的采樣信號返回由數(shù)字處理，并控制射頻激勵幅度使輸出功率保持穩(wěn)定，形成射頻鏈路閉環(huán)。

圖3為發(fā)射機射頻鏈路和增益分配。調(diào)制后的激勵射頻輸出功率最大為2dBm，鏈路中兩級放大器的總射頻增益為78 dB，三級功率分配和功率合成的總損耗不大于2.5 dB，發(fā)射機理論最大輸出功率為：2 dBm+78 dB-2.5 dB=77.5 dBm（約56 kW），大功率射頻經(jīng)閉環(huán)鏈路的數(shù)字增益控制后可穩(wěn)定輸出額定40 kW的大功率射頻。

2.2.3信號控制鏈路

發(fā)射機信號控制鏈路如圖2中帶箭頭短虛線所示，信號控制鏈路在發(fā)射機內(nèi)共分3級。第一級為外部基帶和控制信號送至激勵控制單元。其輸入接口有網(wǎng)口、光纖、模擬音頻和控制串口，可以兼容老式電平、串口、模擬音頻輸入控制以及新式網(wǎng)絡化數(shù)字基帶輸入控制方式。第二級為激勵控制單元將控制信號分發(fā)到4個控制分配單元以及直接對40 kW合成器的控制。第三級為控制分配單元對其所在功放機柜各單元的末端控制。信號控制鏈路由上至下傳遞控制信令，由下至上傳遞各受控端的信令響應以及實時狀態(tài)信息，并實現(xiàn)工作參數(shù)設置、自檢、狀態(tài)和異常上報等功能。

3結構和熱設計

3.1設備結構工程設計

某40 kW短波固態(tài)發(fā)射機由5個等高的19 in（1 in～2.54 cm）標準機柜并聯(lián)組成，每個機柜上架單元總高為36U（1U-4.45 cm）。設備在保證良好抗震強度和通風散熱條件下，通過優(yōu)化單元的排布方式兼顧了可維護性、美觀性和通用性。其每個機柜頂部預留吊裝孔，底部帶減震腳架，設備總外形尺寸為：3000 mm×1850 mmx850 mm（寬×高×深）。外形及主要尺寸（總外形尺寸不合吊環(huán)）如圖4所示。

發(fā)射機的機柜采用型材框架+面擋板的框架式方案。機柜的各邊柜使用高強度鋁型材做梁，通過不銹鋼板件和角件連接并安裝減震器、吊裝孔以及上架單元的導軌架以實現(xiàn)單元上架安裝。柜體各面使用輕質鋁板做柜門，柜門的裝卸不影響機柜的承載能力，保證了側面的安裝維護便利性以及后方的可開孔通風性。

采用此方案制造的機柜整體受力均勻，相較于傳統(tǒng)的鋼板鈑金焊接式方案，在實現(xiàn)相同的結構強度條件下，具有質量輕、公差小、成本低、抗銹蝕、整機安裝維護方便等諸多優(yōu)勢。

3.2散熱設計和仿真

發(fā)射機采用的是機柜正前方進冷風、后方排熱風的風冷式散熱設計，此方案具有技術成熟、成本低、適應性好等優(yōu)點。設備每個功能單元均根據(jù)熱耗設計相應的內(nèi)部換熱方案，并通過選用合適的風扇進行強迫風冷換熱以實現(xiàn)熱量的排出。

發(fā)射機的熱損耗主要體現(xiàn)在電源轉換、功放和大功率射頻合成器的損耗上，下面以2 kW功率放大器為例解析其設計和仿真。通過計算，可以得出在極端工況下2 kW功率放大器的核心發(fā)熱器件——功放管的總熱耗為2.5 kW，此時通過將2 kW功率放大器的三維設計模型導入熱仿真工具，并設定相應的導熱材料、風扇工況曲線和熱量參數(shù)等即可通過計算機進行仿真。

圖5為2 kW功放單元熱仿真圖，顯示了仿真后的功放管、散熱器表面熱度圖以及切面空氣溫度。通過殼溫、熱功率和熱阻可以計算功放管的理論最大工作結溫。再通過功放管廠商提供的工作結溫與可靠性時間曲線評估整機功放管可靠性，從而進一步計算發(fā)射機整機的理論可靠性時間是否滿足設計指標要求。圖5中功放管工作時的最大殼溫為91℃，經(jīng)計算整機所有功放管的合計平均故障間隔達到10年以上，符合整機可靠性設計指標分解要求，2 kW功放單元的熱設計方案可行。

4結語

短波大功率固態(tài)發(fā)射機隨著現(xiàn)代通信和電子對抗理論的發(fā)展，需求正在逐步擴大，額定功率等級也在不斷向上拓展。大功率發(fā)射機的設計是一個自頂向下、需要諸多不同領域的知識理論和工程化經(jīng)驗結合的龐大工程。本文對目前國內(nèi)最大功率等級的某40kW短波固態(tài)發(fā)射機的主要設計方案進行簡要解析，希望能為相關從業(yè)者帶來新的思路。