一种宽频带大功率固态发射机的可靠性设计*

贾金伟

(91404部队　秦皇岛　066001)

JIA Jinwei

(No.91404 Troops of PLA, Qinhuangdao　066001)



一种宽频带大功率固态发射机的可靠性设计*

贾金伟

(91404部队秦皇岛066001)

介绍了影响固态发射机可靠性的关键因素及提高发射机可靠性的应对措施，为发射机可靠性设计提供了依据，在综合考虑可靠性因素的基础上提出了一种宽频带、大功率、固态发射机可靠性设计的方案，对固态发射机的推广应用具有重要意义。

固态发射机; 可靠性; 放大链

JIA Jinwei

(No.91404 Troops of PLA, Qinhuangdao066001)

Class NumberTN948

1　引言

各型电子装备中广泛使用的行波管发射机具有使用寿命短、维护成本高及易打火等缺点，故障率高且难于快速修复，作为电子装备信号产生中的关键一环，发射机的性能及可靠性一直影响和制约着装备效能的发挥。

随着国内半导体材料和制造工艺的不断发展，发射机固态化逐渐成为提高发射机可靠性的重要途径。固态发射机与行波管发射机相比在降低全寿命周期成本，提高可靠性、可维性和安全性等方面具有明显优势和广阔的应用前景。固态发射机由于采用多个固态功放管并联方式合成大功率输出，即使个别固态功放管发生故障，对整机输出功率影响不大，发射机仍可正常工作，提高了可靠性；固态功放管工作电压较低，由几十伏的安全电压取代上万伏高压电源，避免了高压打火；固态功放管本身使用寿命更长；固态发射机实现了模块化设计，便于设置备份和更换，提高了可维性。

2　影响固态发射机可靠性的主要因素

固态发射机较行波管发射机尽管在可靠性上有很大提高，但是在大功率、宽频段、高热耗及电源等指标实现及可靠性设计方面依然面临挑战。影响发射机可靠的主要因素包括放大链设计、控保电路设计、结构工艺及散热设计等。

放大链的合理设计包括功率管的选择、各功能单元间的隔离与匹配，冗差设计、降额设计对发射机可靠性也有重要影响。作为固态发射机的重要组成部分，大功率电源、功率分配器、功率合成器等器件必须符合大功率条件下的可靠性要求；各并联功能单元如末级功放组件、大功率开关电源的冗余设计及推动级功放的热备份设计大提高发射机的可靠性。

发射机故障率较高，必须具有工作状态监测、故障保护、故障指示及故障报警功能，实时监测各功能单元的状态，发射机应具有电源故障、水流欠流、过温、输出端驻波失配等故障保护功能，避免发射机发生故障时受损。

工作温度是影响固态发射机器件性能和失效的重要因素。晶体管结温每升高10℃，失效率提高约一倍，因此，良好的散热设计对发射机来说至关重要，晶体管的工作温度必须低于允许的温度值，避免长时间工作在临界状态。[1]

3　提高发射机可靠性的主要措施

满足固态发射机功能和指标需求的功率器件往往不止一种，可靠性是功率器件选择的重要参考。对晶体管的选择来说，不应过分追求高的电性能指标而牺牲可靠性。功率管的增益往往和稳定性相矛盾，而体积大小则和电磁兼容性、散热等相矛盾，过分追求小体积、高增益，必然会影响可靠性，同时，功率管的选择应当考虑功率管对温度漂移、装配冗差等条件的敏感性，敏感的功率管可靠性不高[1]。

3.1放大链设计

固态发射机放大链一般由多级放大器串联或并联组成，如果前级功放模块的输出功率在频带内有功率起伏，在推动后级攻放模块时势必造成部分频点欠激励或过激励。解决该问题可采用均衡器进行幅频校正，均衡器的衰减特型正好与前级输出的幅频特性互补，从而保证各级放大单元具有良好的功率匹配性。在各级放大单元之间增加隔离度，减小相互之间的影响，可以大大提高发射机的可靠性。在末级功放模块内可外接隔离器，功率合成器也具有一定隔离作用，当功放模块的负载驻波恶化或个别放大单元失效时，可保证其他放大子单元不会受太大影响。

在满足功率指标的前提下，降低晶体管的工作电压也是提高功率管可靠性的有效方法。晶体管工作结温和占空比有很大关系。结温每下降10℃，可靠性提高50%，因此设计时保证晶体管实际工作时的占空比低于额定值，可以降低功率管的结温并提高可靠性。

3.2发射机电源设计

固态发射机低压电源中用到大量的功率器件及储能元件，电压虽然不高但是电流很大，功率容量及散热要求高。大功率电源一般采用并联方式工作，采用冗余设计可提高发射机的可靠性，个别电源故障不会影响整个发射机的工作。

3.3控保设计

控保系统应对电源状态、推动级攻放状态、末级攻放状态、整机输出功率、发射机内部温度及负载驻波等进行状态检测、指示和保护，将故障定位到最小可更换单元，实现快速检测及时修复，避免发射机的进一步损坏。

4　2GHz～6GHz频段200W固态发

射机可靠性设计实例

4.1发射机指标

工作频段：2GHz～6GHz；

功率：200W；

饱和输入功率：≤3dBm；

输入信号形式：脉冲、连续波；

冷却方式：液冷；

故障保护：电源故障，组件过温，功率故障，输出端驻波失配等故障保护；

供电：单相220V±10%，50Hz±5%。

4.2放大链设计

2GHz～6GHz频段200W固态发射机整个放大链由2级功放组成。第一级功放由一个5W模块组成，模块增益35dB； 第二级功放采用16个功率模块合成，每4个功率管先通过3dB电桥组成平衡式放大模块，每个功放模块输出功率在65W左右，经合成器合成后保证最终输出功率大于200W，其组成框图见图1。

图1　2.5GHz～6GHz频段固态发射机原理框图

本射频放大链为宽带功放，为减少频带内输入输出驻波对前级功放的影响，级间必须加隔离，常规的隔离器件有隔离器和衰减器，隔离器为首选器件。末级的4路合成模块采用平衡式的放大器结构来保证功放模块的端口驻波。一分四功率分配器采用多级威尔金森功分器结构形式，四合一功率合成器则由空气板线合成器实现，以满足连续波大功率的要求。

射频放大链在工作频带内功率有起伏，频率低端功率高而高端功率低，多级级联后功率起伏会更大，在超宽带功放中，整个频带内的功率增益变化更大，为保证带内的增益起伏，电路中采用均衡网络来进行幅频校正，其衰减特性与前一级放大电路的输出功率的幅频特性互补，从而使前一级放大电路的输出功率经过均衡网络以后在工作频带内保持平坦，保证下一级放大电路的正常工作。均衡网络采用电阻加载开路线的结构形式来实现，通过调整开路线的长度来调节频率特性。

固态发射具有功率适度恶化的优点，末级采用多管合成，部分末级功率管失效，发射机的输出功率适度减少。在n路合成功放系统中，当有m路失效时，输出功率下降为(1-m/n)2P0,其中P0为所有功放正常时的输出功率。

功率管选用了新型功率器件——GaN功率器件，该器件具有功率大、增益高、效率高、可连续波工作的特点，功率管采用降额设计，输出功率较额定输出功率均有一定的回退；针对影响GAN功率管高功率密度带来的散热问题，末级功放模块采用两个中功率的功率管合成来替代一个大功率功率管，管芯温度最高为160℃，远低于器件最高结温225℃的要求，分担了功率管的散热压力。

4.3电源设计

本固态放大链为全固态发射机，功放工作时需要提供低压大电流的直流功率。发射电源的功能就是将电站提供的交流电通过高效率的AC/DC变换器，向固态放大器提供直流功率。电源部分由28V/80A、5V/1A、-5V/1A三个品种的电源组成，其中5V/1A主要给控保和检测电路使用，-5V/1A给GaN功率管提供栅压，28V/80A电源给GaN功率管提供漏极栅压。电源原理框图如图2所示。

图2　电源组成原理框图

±5V电源采用一只BICOR公司出品的二代DC/DC模块作为稳压元件，单只模块最大输出功率为100W。模块采用零电流谐振技术作为模块技术核心，操作频率可达1MHz，效率超过80%，体积小，功率密度高，功能完善，内部集成了过压、过流、过热保护功能，提供外部电压微调，提供并联接口及遥测端。

28V电源输出功率较大，因此采用PFC功率因数校正VICOR模块电源多路并联方式产生所需电源。功率因数校正单元由分立器件构成，最大输出电流为5A。后级电源采用6只BICOR公司出品的二代DC/DC模块并联输出，单只模块最大输出功率为600W，

高压电源线选用具有金属屏蔽层的线缆，避免外界干扰。对工作电流大于等于25A的电源线提供防护措施，如安装保护装置或挡板、保证间隔、以防短路及标上警告标志等。25A以上的所有电源汇流条，都有防护装置和足够大的隔离空间。所有的设备都具备过载保护装置；设置良好的接地装置，以保证所产生的静电能迅速导入地下。

4.4控保设计

控保电路主要由控制电路和三个故障检测电路组成。固态发射机在RS422方式的控制信号控制下工作，并将故障信号汇总送控制计算机显示。其基本组成框图见图3。

图3　控保电路组成框图

故障检测电路分别检测固态发射机的输入射频信号、输出射频信号和输出反射功率。当天馈线驻波大于3:1时，输出反射功率检测电路给出故障信号，送控制电路，切断发射电源；当激励信号正常时，若输出功率低于设定值，则输出射频检测电路给出故障信号，送控制电路；控制电路接到发射开机信号后，给发射电源的28V电源给出加电指令；发射机具备具备过热保护功能，当功率管管壳温度超过正常的工作温度时，热继电器工作，功率管将自动停止工作。

5　结语

提高固态发射机的可靠性可以有效降低发射机的寿命周期成本，为固态发射机的推广应用打下坚实的基础。本文在综合考虑固态发射机可靠性因素的基础上，提出了一种宽频段大功率全固态发射机的可靠性设计方案，方案采用超宽带功放模块、大功率合成和大动态功率调节技术，运用降额设计、冗余设计和模块化设计等思想，实现发射机在宽带工作条件下的线性高功率输出，充分发挥了全固态发射机的优势，具有广阔的应用前景。

[1] 张海兵,徐熹.提高固态发射机可靠性的设计方法[J].雷达与对抗,2009(1):45-49.

[2] 贾中璐,马兴胜,牟文智.一种多用途的全固态发射机[J].现代雷达,2003,25(12):51-54.

[3] 李跃锋,陈福媛,庞建涛.一种S波段固态发射机的设计[J].火控雷达技术,2006,35(9):69-70.

[4] 周斌,王卫华,郑新.多功能固态发射机的一体化设计[J].现代雷达,2010,32(2):87-90.

[5] 汪邦金,杜丽军.S波段25kW固态发射机的优化设计[J].雷达与对抗,2006(3): 46-49.

[6] 马云柱,杨斐,雷国忠.C波段600W固态发射机的研制[J].火控雷达技术,2009,38(2):86-89.

[7] 马以亮,牟文智,陆青.S波段高功率固态发射机[J].现代雷达,1999,21(6):100-104.

[8] 雷国忠.固态发射机关键技术的研究[J].火控雷达技术,2000(4):1-6.

[9] 李阳斌,刘永宁.S波段20kW固态发射机的设计和实验研究[J].微波学报,2012(S2):186-189.

[10] 罗忠省,臧新梅,张丽琴.C波段高功率超大脉宽固态发射机系统的研制[C]//全国雷达学术年会,2008:814-817.

A Reliability Design of Wide-Band High-Power Solid-State Transmitter*

This paper introduces the key factors effecting the reliability of solid-state transmitter and measures to improve the reliability of the transmitter, provides the basis for the reliability design of transmitter. On the basis of considering the reliability factors a scheme of wide-band, high-power and solid-state transmitter reliability design is presented, which is of great significance to the popularization and application of solid-state transmitter.

solid-state transmitter, reliability, amplifier chain

2016年2月7日,

2016年3月12日

贾金伟,男,硕士,工程师,研究方向：雷达对抗。

TN948

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.038