浅谈全固态加权相控阵雷达发射机的设计思路

中国电子科技集团公司第三十八研究所 陶 磊



浅谈全固态加权相控阵雷达发射机的设计思路

中国电子科技集团公司第三十八研究所 陶 磊

【摘要】随着固态功率器件的日趋成熟和成本的大幅度降低，固态发射机工作方式越来越灵活，工作寿命也越来越长，本文简要介绍全固态幅度加权相控阵雷达发射机的系统设计，同时进行理论测算和仿真优化，通过全面测试和改进后测试，验证到确实消除了天线阵面的热岛，为发射机的可靠工作提供了保障。

【关键词】发射机；固态功放；设计

0 引言

随着科技的日益发展，固态功率器件成本价格越来越低，性能也不断的提高，固态有源相控阵雷达的一些相关的理论日趋成熟，在雷达的全寿命周期上提出了性价比的高要求，为了达到雷达高水平的吸引力，以降低天线副瓣电平的手段，提高雷达功能特殊性，多样性等指标为目的，因此设计和开发了全固态加权相控阵雷达发射机。

1 全固态发射机系统设计

1.1 系统设计组成

全固态发射机的形式主要有集中放大式发射机和分布放大式发射机两种。

集中放大式发射机　　分布放大式发射机功率合成高功率合成器将多个功放组件功率合成，然后通过天线集中发射天线上多个功放组件直接通过天线阵子单元发射出去量级　　一般为中小功率　　功率可大可小，灵活性大实现形式　　在组件上合成总的输出功率要求　　在空间进行功率合成总的输出功率要求

本文主要描述的是分布放大式雷达发射机设计，工作要求为s波段，1O%的相对带宽工作，输出峰值二十千瓦以上，脉冲宽度的可变范围比较大。发射机的硬件组成主要分为以下几点：驱动级功率放大器组件、前级放大器及保护电路、大功率开关电源和冷却系统、有源阵面上的发射功率放大器组件等。发射机的信号实现如下：信号从本振源经过，进入前级放大器进行功率放大，然后馈线系统将功率分配到上，中，下三层，每层由一个行驱动器进行输出功率功放，然后按需求发送到若干路列驱动功放。事实上雷达发射机子系统通过前级放大器、本振信号、行驱动功放、列驱动功放、发射功率放大器，将小信号逐步放大为大功率信号，然后通过天线单元辐射逐渐增大成多个高功率信号路径，组合形成发射光束。

1.2 发射幅度加权

本雷达发射机设计采用了幅度加权的全固态有源相控阵形式。普通的固态有源相控阵中每个发射放大器组件发射输出功率是相同的，而本发射机设计中各功率放大器的输出功率是不一样的，它是由计算机辅助设计进行了量化的幅度加权。发送功率放大器辐射排列成蜂巢，幅度大小分成四份，被称为四阶量化。具体地说，输出功率位于从中心放大器模块向外三个环形区域的间距依次减小，在俯仰和方位上都形成特定要求的锥削。

虽然这个发射机实施起来有一定的困难，但这种方法可以大大降低天线的副瓣电平，显著改善雷达性能，可以满足高性能指标的雷达系统的特殊要求。设计理论显示天线的副瓣电平达到-22dB以下或者更小，而一般没有经过幅度加权的天线的副瓣电平一般在-6dB ～ -13dB之间。当前雷达中的T / R模块的数量越来越多，采用了模块化设计发射部件，提高了设备的可靠性和可维护性。虽然在不同的量化的输出功率放大不同，但是从雷达的整体设计的考虑，每个功率放大器元件，安装尺寸，外部接口，输入功率等的形状要求一致性。使用这种降低工作电压的方法，没有任何不利影响，实现了几种通用模块输出功率的一致。

2 发射功放组件设计

发射功放器模块是固态发射机的核心，将直接影响雷达的电性能。如果对各个放大元件增加体积重量，天线也将增加很多重量，影响雷达天线的机械性能。因此，在进行组件设计时，必须认真在性能、模块尺寸，重量和散热之间作出一个选择。

2.1 理论计算

固态功率放大器设计的主要内容是阻抗匹配网络的设计。在宽带阻抗匹配网络的设计具有可变带宽的灵活性，以选择工作的低通滤波器的变形阻力，不仅具有阻抗匹配功能，而且还具有滤波的作用，阻抗匹配网络微带线所需较小的基板等，特别是对有源相控阵雷达发送器组件的需求。为了防止产生较大的误差，用微带线匹配电路实现精确模型。以4阶匹配网络为例，对上述非线性方程组所选择的收敛判据可设定为：

2.2 仿真实验

为了验证上述计算结果的正确性，可使用微波仿真软件来模拟仿真电路的电路的性能。 使用阻抗匹配网络仿真软件对输入或输出数据进行调节，计算出插入损耗和回程损耗，结合项目实际制作功放组件，进行产品的设计实现。

3 设计实现方法

3.1 电源并联

从固态高功率发射机和电源发展的过去经验中学习得到了改善，发射机的功率被设计成几十个并联电源模块，可以大大提高发射机的可靠性。工作过程中如果几个电源单元出现故障，发射器仍能正常工作。

3.2 发射单元冷却

固态发射单元的加热密度比较大，因此需要使用一种有效的散热器。通过理论计算，并参考以往的经验，我们选择了一个曲折的鳍片散热器。散热器具有的特点为重量轻，散热面积大，热效率高。为了减少元件的尺寸，重量，我们使用高介电常数的复合微波电介质板。同时所有的微波晶体管的计算机辅助设计和优化的匹配电路，以进一步减小尺寸，易于调试。在固定微波介电复合板，PCB采用整体焊接技术。这将不仅防止振动引起的天线和接地效果的影响。

由于发射机具有幅度加权特殊性辐射，天线表面是凹凸不平的。因此，考虑到冷却系统的设计时，使用以下特殊方法。首先，将天线阵列的表面是单独设计的镇流器。通过计算机模拟和实验，这取决于热功率放大器的量，不同大小的通风口，以启动空气量所需的各种部件的合理分布的所有压载舱和传输部件组之间。其次，天线前代表位置设立了数十个热电偶，测得的发射模块的工作温度。

3.3 保护电路

从过去的雷达发展过程可以看出，显示的信号源发送器在开关瞬间有连续波。一旦这种现象，有可能烧毁大脉冲发射机功率放大

器模块，造成严重的后果。由于发射器的成本较高，在整个雷达的比重较大，为了安全起见，总是在发射器输入端设置一个单独的保护电路。保护电路的设计思路是非常独特的，不仅屏蔽过宽脉冲和高脉冲占空比，并能够应对几十个RF脉冲宽度的组合和脉冲重复频率。即使受到干扰信号，也不会在发射端出现超脉宽或超工作比的射频信号。保护电路的设计很好的保护了雷达发射机的调试工作。

4 结束语

本文简要介绍全固态幅度加权相控阵雷达发射机的系统设计，通过全面测试，验证到确实消除了天线阵面的热岛，为发射机的可靠工作提供了保障。

参考文献

［1］Edward D Osrof.Solid—state radar transmitter［M］.2013.5.

［2］ Inder Bahl，Microwave solid state circuitdesign［M］.2012.12.

［3］贾忠璐.固态雷达发射机的设计和应用［D］.南京理工大学硕士论文，2013.

［4］陈惠开.宽带匹配网络的理论与设计［M］.北京﹕人民邮电出版社，2012.1.

［5］高葆薪.微波电路计算机辅助设计［M］.北京﹕清华大学出版社，2012.5.

陶磊（1984－），助理工程师，从事固态发射机设计、调试系统的技术开发。

作者简介：