嚴(yán)繼進(jìn)，芮金城

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所 微系統(tǒng)部，安徽 合肥230088；2.合肥工業(yè)大學(xué) 光電技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009)

S波段高可靠固態(tài)發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)

嚴(yán)繼進(jìn)1，芮金城2

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所 微系統(tǒng)部，安徽 合肥230088；2.合肥工業(yè)大學(xué) 光電技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009)

摘要介紹了一種S波段集中式全固態(tài)雷達(dá)發(fā)射機(jī)，發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)采用前級(jí)組件及發(fā)射監(jiān)控?zé)醾浞菁夹g(shù)，能在發(fā)熱達(dá)到一定溫度時(shí)，或其他故障發(fā)生時(shí)進(jìn)行前級(jí)組件自動(dòng)切換。發(fā)射機(jī)同時(shí)應(yīng)用了開(kāi)關(guān)電源和強(qiáng)迫風(fēng)冷結(jié)構(gòu)，性能優(yōu)良，大幅提高了發(fā)射機(jī)使用可靠性。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，發(fā)射機(jī)輸出功率>15 kW，瞬時(shí)帶寬40 MHz，發(fā)射脈寬100 μS，工作比8%，已連續(xù)工作5 000 h無(wú)故障。

關(guān)鍵詞航管雷達(dá)；固態(tài)發(fā)射機(jī)；雙監(jiān)控系統(tǒng)

隨著微波功率晶體管設(shè)計(jì)制造技術(shù)的發(fā)展成熟，以晶體管器件構(gòu)成的固態(tài)發(fā)射機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。相比真空管發(fā)射機(jī)，固態(tài)發(fā)射機(jī)具有低峰值高平均功率、高的可靠性和極好的故障弱化功能[1-2]。

本文研制的S波段固態(tài)發(fā)射機(jī)由8只2.2 kW末級(jí)功率組件合成后輸出15 kW的功率。采用開(kāi)關(guān)電源，提高了發(fā)射機(jī)效率；采用強(qiáng)迫風(fēng)冷，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠；采用雙監(jiān)控系統(tǒng)大幅提高了發(fā)射機(jī)的使用可靠性。并且在雷達(dá)工作時(shí)可在線更換故障組件，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)不間斷工作。本發(fā)射機(jī)已應(yīng)用于新一代航管一次雷達(dá)[3-5]。

1發(fā)射機(jī)組成及工作原理

本發(fā)射機(jī)組成框圖如圖1 所示，其由雙工系統(tǒng)、兩路互為冗余的前級(jí)組件/發(fā)射監(jiān)控、功率分配器、末級(jí)功放組件、板線/波導(dǎo)功率合成器、電源系統(tǒng)、和冷卻系統(tǒng)組成。

兩套獨(dú)立的發(fā)射激勵(lì)器送來(lái)兩路15～20 mW的射頻信號(hào)分別送至前級(jí)組件A和B，雷達(dá)監(jiān)控通過(guò)發(fā)射監(jiān)控控制雙工開(kāi)關(guān)選通一個(gè)前級(jí)組件的輸出送至1:8分配器，分成8路，每路功率約16 W驅(qū)動(dòng)8個(gè)末級(jí)組件，另一路前級(jí)組件的輸出送至假負(fù)載。末級(jí)組件輸出的2.2 kW功率先通過(guò)兩個(gè)4:1板線合成器，再通過(guò)一個(gè)2:1的波導(dǎo)合成器，合成輸出15 kW的射頻信號(hào)[6-9]。

圖1　發(fā)射機(jī)原理框圖

2關(guān)鍵技術(shù)

2.1雙工及發(fā)射雙監(jiān)控設(shè)計(jì)

高可靠雷達(dá)雙機(jī)系統(tǒng)是指雷達(dá)有兩套系統(tǒng)，如果一套系統(tǒng)出現(xiàn)故障，會(huì)自動(dòng)切換到另一套系統(tǒng)工作。但對(duì)于輸出功率較大的發(fā)射機(jī)，數(shù)量較多的末級(jí)組件如果也采用雙套備份的話，成本過(guò)高。同時(shí)末級(jí)組件由多個(gè)功率管并聯(lián)合成所需的功率，單個(gè)功率管的失效對(duì)發(fā)射機(jī)總的輸出功率影響較小，具有一定故障弱化功能[10]。

因此本發(fā)射機(jī)對(duì)薄弱的前級(jí)組件及監(jiān)控系統(tǒng)采用雙機(jī)冗余設(shè)計(jì)，這樣設(shè)計(jì)具備很高的可靠性，同時(shí)比傳統(tǒng)的雷達(dá)雙機(jī)系統(tǒng)成本明顯降低。

前級(jí)組件雙機(jī)設(shè)計(jì)具有通道切換功能，當(dāng)工作通道出現(xiàn)故障被迫停機(jī)時(shí)，會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)入備份通道繼續(xù)工作。工作通道出現(xiàn)故障可能有多種原因，工作的前級(jí)組件出現(xiàn)故障會(huì)導(dǎo)致通道故障；工作通道發(fā)生類似射頻激勵(lì)過(guò)脈寬、天饋線過(guò)反射等現(xiàn)象，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)故障，將所有威脅系統(tǒng)安全的故障經(jīng)匯總后，便形成了申請(qǐng)通道切換的一個(gè)條件。當(dāng)系統(tǒng)有切換要求時(shí)，雙工開(kāi)關(guān)進(jìn)行動(dòng)作，將原來(lái)輸出至末級(jí)組件的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)送給吸收負(fù)載，將原來(lái)輸送至吸收負(fù)載的射頻信號(hào)送給末級(jí)組件，實(shí)現(xiàn)前級(jí)組件的切換[11-13]。

發(fā)射監(jiān)控具有兩套獨(dú)立的監(jiān)控系統(tǒng)，它們可以控制各自的前級(jí)組件，當(dāng)雷達(dá)監(jiān)控控制雙工開(kāi)關(guān)進(jìn)行選擇前級(jí)組件A或B的輸出送至末級(jí)組件時(shí)，發(fā)射監(jiān)控A或B同時(shí)也被確認(rèn)為工作通道。工作通道的發(fā)射監(jiān)控可以控制末級(jí)組件，同時(shí)不享有控制權(quán)的發(fā)射監(jiān)控及其前級(jí)組件進(jìn)入熱備份狀態(tài)，這兩套監(jiān)控系統(tǒng)不允許同時(shí)享有系統(tǒng)的控制權(quán)。

雙監(jiān)控系統(tǒng)在控制各自系統(tǒng)工作的同時(shí)，還要監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài),要掌握對(duì)方系統(tǒng)的工作情況，確認(rèn)各自系統(tǒng)是處于控制權(quán)地位或是備份權(quán)地位?？刂瓢l(fā)射機(jī)監(jiān)控的雷達(dá)主監(jiān)控需要掌握發(fā)射系統(tǒng)的工作狀態(tài)，要確認(rèn)當(dāng)前工作通道是A 通道還是B 通道,以確認(rèn)接收子系統(tǒng)與之相對(duì)應(yīng),確保向正常的通道發(fā)出使能、開(kāi)機(jī)等控制信號(hào)。同時(shí)根據(jù)雙工開(kāi)關(guān)位置回饋信號(hào)可以確認(rèn)通道使能命令發(fā)出以后,發(fā)射系統(tǒng)通道切換是否正常響應(yīng)完成,然后再?zèng)Q定下一步的操作。

2.2末級(jí)組件設(shè)計(jì)

2.2 kW末級(jí)組件是本發(fā)射機(jī)的核心部件。末級(jí)組件原理框圖如圖2所示，其由PIN開(kāi)關(guān)、驅(qū)動(dòng)模塊、1:6功率分配器、6個(gè)450 W功放模塊、6:1功率合成器、輸出定向耦合器以及儲(chǔ)能電容器、BITE電路等組成。

圖2　末級(jí)組件原理框圖

圖3　末級(jí)組件實(shí)物

輸入末級(jí)組件的16 W激勵(lì)信號(hào)通過(guò)PIN開(kāi)關(guān)和射頻電纜，成為約13 W的射頻信號(hào)，送給驅(qū)動(dòng)模塊中第一級(jí)65 W功率管，其輸出信號(hào)分成兩路再驅(qū)動(dòng)兩個(gè)110 W功率晶體管，再經(jīng)過(guò)隔離器、均衡器和1:6分配器，分成6路約23 W的功率信號(hào)，激勵(lì)6只完全相同的450 W模塊，6:1板線合成器將6路450 W功率合成到2.2 kW輸出。

PIN開(kāi)關(guān)的作用是在設(shè)備維護(hù)和更換備件時(shí)可通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)斷單個(gè)末級(jí)組件。BITE電路可將組件狀態(tài)回饋給監(jiān)控系統(tǒng)。儲(chǔ)能電容的作用是脈內(nèi)給末級(jí)微波功率管提供脈沖電流，脈間由電源給儲(chǔ)能電容充電。

450 W模塊是末級(jí)組件的基本單元，為確保發(fā)射機(jī)的高可靠性指標(biāo)，450 W模塊中的末級(jí)微波功率管的選擇尤為重要，文中選用1個(gè)110 W功率管推2個(gè)280 W功率單元再由3 dB電橋合成達(dá)到450 W的輸出功率。

450 W模塊的原理框圖如圖4所示，為提高抗失配能力，在模塊輸出增加了大功率隔離器[14]。

圖4　450 W模塊原理框圖

2.3可靠性設(shè)計(jì)

航管雷達(dá)的可靠性要求高，為了達(dá)到整機(jī)MTBCF指標(biāo)，發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)除了前級(jí)、發(fā)射監(jiān)控采用雙套備份，還采取了下列措施：

(1)精心設(shè)計(jì)微波功率管的匹配電路和分配/合成器，對(duì)級(jí)并聯(lián)的放大鏈級(jí)間做好隔離，放大鏈前后級(jí)之間通過(guò)調(diào)整供電電壓和激勵(lì)功率避免后級(jí)過(guò)激勵(lì)；

(2)通過(guò)理論計(jì)算和模擬試驗(yàn)，根據(jù)所需的風(fēng)壓和風(fēng)量選用合適的風(fēng)機(jī)。并采取下列措施：1)考慮最大限度的利用和增大進(jìn)出口的通風(fēng)面積；2)氣流通路及量程做到短、直，力戒急劇的彎曲過(guò)渡，或者截面突然變化；3)優(yōu)化濾塵網(wǎng)，合理解決好通風(fēng)和濾網(wǎng)的關(guān)系。這樣可保證微波功率管的結(jié)溫滿足一級(jí)降額，從而大幅提高發(fā)射系統(tǒng)的可靠性；

(3)除+36 V發(fā)射電源以外的其他輔助電源由兩個(gè)并聯(lián)使用的電源模塊提供，當(dāng)一個(gè)電源損壞時(shí)，另一個(gè)電源單獨(dú)工作也能滿足發(fā)射機(jī)監(jiān)控電路所需的電流，同時(shí)可更換有故障的電源而不影響整機(jī)工作。另外輔助電源輸出的每個(gè)電源品種在送至各個(gè)分機(jī)前均通過(guò)單獨(dú)的保險(xiǎn)絲，在某個(gè)分機(jī)負(fù)載短路時(shí)，對(duì)應(yīng)的保險(xiǎn)絲熔斷，從而不影響其他分機(jī)工作，做到分機(jī)負(fù)載短路故障互相隔離；

(4)降低系統(tǒng)的MTTR：本發(fā)射機(jī)的各個(gè)組成單元均為可插拔的組件或分機(jī)形式，結(jié)構(gòu)上采取了便于插拔的措施。這樣，用備份件替換損壞的組件時(shí)很方便，完全可以達(dá)到MTTR≤0 min的指標(biāo)。 每一個(gè)前級(jí)、末級(jí)組件都只由一一對(duì)應(yīng)的電源單獨(dú)供電，當(dāng)組件損壞時(shí)，關(guān)斷組件和對(duì)應(yīng)的電源，便可更換故障組件，達(dá)到了不關(guān)機(jī)在線維修[15]。

3技術(shù)指標(biāo)與測(cè)試結(jié)果

根據(jù)上述設(shè)計(jì)研制成功了S波段全固態(tài)發(fā)射機(jī)，本文對(duì)發(fā)射機(jī)性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如下：工作頻段2.78～2.820 GHz；輸出功率≥15 kW；最大脈寬為100 μs；最大工作比為 8%；發(fā)射機(jī)效率為≥17%。

圖5為該發(fā)射機(jī)的實(shí)物照片，圖6為該發(fā)射機(jī)的輸出功率，圖7為效率指標(biāo)的實(shí)測(cè)值。

圖5　發(fā)射機(jī)實(shí)物照片

圖6　發(fā)射機(jī)輸出功率實(shí)測(cè)值

圖7　發(fā)射機(jī)輸出效率實(shí)測(cè)值

4結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)雷達(dá)整機(jī)實(shí)際使用情況，該發(fā)射機(jī)可靠性高，滿足航管雷達(dá)系統(tǒng)24 h不間斷連續(xù)工作的要求，并進(jìn)行了批量生產(chǎn)。同時(shí)設(shè)計(jì)思路能夠移植到L波段航管雷達(dá)發(fā)射機(jī)等其他固態(tài)發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)中。

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4結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種多相結(jié)構(gòu)波形合成的方法，利用這種方法能合成常規(guī)、調(diào)頻等多種模式的波形信號(hào)，其波形的合成效果符合理論分析。在此基礎(chǔ)上，可以根據(jù)需要編寫(xiě)控制程序用來(lái)調(diào)整相位的輸出，從而得到想要的波形。因此本方案較為靈活，可以為工程測(cè)試及實(shí)驗(yàn)提供一個(gè)良好的激勵(lì)系統(tǒng)。若要得到帶寬更寬的波形信號(hào)，可以通過(guò)提高FPGA的工作頻率和增加每通道的路數(shù)的方法。但由于本系統(tǒng)為數(shù)字合成系統(tǒng)，系統(tǒng)中的采樣頻率、相位量化、查找近似等均會(huì)引進(jìn)噪聲，使其與真實(shí)的模擬信號(hào)存在一定差異，但這也是不可避免的。因此，繼續(xù)減小各種因素帶來(lái)的干擾，依然是需要深入探索的一個(gè)重要的課題。

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A Design of High Reliable S-Band Solid State Transmitter

YAN Jijin1，RUI Jincheng2

(1. Micro System Departmen，No.38th Research Institute of CETC, Hefei 230088 ，China；2.Tnstitute Optoeledtronic Technology Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

AbstractIn this paper, a S-band all solid-state transmitter with 15 kW output peak power is introduced. On-line standby technology for front-stage module and transmitting control/monitoring parts is used to improve the operation reliability of the transmitter greatly. When the temperature is too high or other failures occur, the The front-end components automatically switch. The transmitter has already been applied to a type of S band ATC radar and approved to be with excellent performance and high reliability. Through practical test, the output power of the transmitter is over 15 kW, instantaneous bandwidth is 40 MHz，transmitted pulse width is 100 μs，duty cycle is 8% and work continuously for 5 000 hours without malfunction.

KeywordsATC radar; solid-state transmitter; double monitoring and controlling system

收稿日期:2015-11-07

作者簡(jiǎn)介:嚴(yán)繼進(jìn)(1970-)，男，高級(jí)工程師。研究方向：T/R組件等。芮金城(1993-)，男，碩士研究生。研究方向：微波收發(fā)組件研發(fā)。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.06.041

中圖分類號(hào)TN957.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)06-143-04