基于GaN功率器件的高功率车载微波信号源设计

梁 琰，吴 湘

(1.中国船舶工业集团公司电子科技有限公司，北京 100070；2.海军装备部试验监管局，北京 100841)

基于GaN功率器件的高功率车载微波信号源设计

梁 琰1，吴 湘2

(1.中国船舶工业集团公司电子科技有限公司，北京 100070；2.海军装备部试验监管局，北京 100841)

针对真空管体制大功率微波信号源在脉宽、任务可靠性和使用寿命等方面的不足，结合当前氮化镓功率器件的技术优势，开展基于氮化镓功率器件的高功率车载信号源研制。对高功率车载信号源的设计及实现方法进行了详细论述，并给出了测试结果和实际应用效果。

氮化镓；固态功放；信号源

Abstract: The high-power microwave signal sources with vacuum tubes have many deficiencies in pulse width, mission reliability and service life. According to the technological advantages of the GaN power devices currently, the vehicle-borne high-power microwave signal sources are developed based on the GaN power devices. The design and implementation method of the vehicle-borne high-power microwave signal sources are discussed in detail. The test results and the actual application effect are given.

Keywords: GaN; solid-state power amplifier; signal source

0 引 言

高功率微波信号源是雷达、通讯及电子对抗装备重要的配试设备，通过远程辐射可以实现接收机灵敏度、探测威力、方位精度、PDW等性能测试，对各型装备的外场试验、标校等具有重要作用。本项目高功率车载信号源包含L、S、C、X 4个波段，采用固态化发射体制，解决了传统磁控管信号源脉冲窄、非相参、易受干扰等弱点，具有发射脉冲宽、波形设计灵活、任务可靠性高等优点，采用系列化、标准化的设计理念，维护使用更加方便快捷。

1 主要功能及技术指标

根据具体试验任务需求，本文中介绍的高功率固态微波车载信号源主要实现L、S、C、X 4个波段的复杂微波信号产生、放大及辐射功能。4个频段间的切换只需更换高功率固态功放模块、射频信号组件及天线馈源，而辐射信号工作频点、信号形式的切换通过显控软件控制，不需要改变设备硬件状态。为适应野外机动、快速架设工作需要，固态高功率信号源的硬件设备全部安装在一台经过加固改造的卡车上。在能够提供动力交流电的架设地点，通过电网实现动力交流电供应，而在缺少电力供应的野外环境下通过自带的供电机组可以保证系统的供电需求。

高功率固态车载信号源主要性能指标如下：

(1) 信号形式：点频脉冲、线性调频脉冲、非线性调频脉冲和相位编码脉冲;

(2) 工作频率：L波段、S波段、C波段、X波段;

(3) 最小频率间隔：1 MHz;

(4) 天线增益：≥25 dB(L波段)、≥31 dB(S波段)、≥35 dB(C波段)、≥41 dB(X波段);

(5) 输出峰值功率：≥4 kW(L波段)、≥3 kW(S波段)、≥3 kW(C波段)、≥1 kW(X波段);

(6) 最大脉宽：300 μs;

(7) 最大占空比：10%;

(8) 等效辐射功率：≥61 dBW(L波段)、≥65 dBW(S波段)、≥69 dBW(C波段)、≥71 dBW(X波段);

(9) 天线扫描方式：扇扫或环扫(转速：5～15 r/min可调);

(10) 整机功耗：≤5 kW(220 V/50 Hz)。

2 设计实现

2.1 设计原理和主要组成

固态高功率车载信号源主要由天线系统、发射系统、伺服系统、运载架设设备等组成。天线系统包括宽带高增益辐射天线、馈源(4个波段可切换)、馈线，发射系统包括数字信号组件、射频信号组件、高功率固态功放(4个波段可切换)、电源模块、冷却单元，伺服系统包括伺服控制、方位转台、多路汇流环馈电系统，运载架设设备包括野外供电机组、运载车辆、液压调平系统等。信号源工作频点及信号形式的切换由载车方舱内的显控软件通过网络接口进行控制。

车载信号源的主要组成如图1所示。

图1 高功率固态微波车载信号源的主要组成

2.2 主要功能单元设计实现

2.2.1 天线设计

本系统采用工作带宽宽、结构简单、方向性好的旋转抛物面天线结构。天线由反射体、背架、馈源、波导等部件组成。天线通过背架上的法兰与发射机的侧壁联接。反射体材料为厚度为2 mm的铝合金板(LF21)，其反射面为实体。

为保证全频带良好的匹配、足够的功率容量和满足应用需求的方向图性能，针对L、S、C、X 4个频段的使用需求，准备了4个不同的馈源供使用时换装。馈源的设计在保证合适的辐射方向图、理想的辐射相位分布的同时还应保证对抛物面辐射场尽可能小的遮挡。

3种不同的馈源结构外形如图 2所示。

图2 3种不同的馈源结构

2.2.2 发射系统设计

发射系统的主要功能是实现L、S、C、X 4个波段复杂微波信号的产生及放大，其组成原理框图如图 3所示。数字信号组件主要产生点频脉冲、线性调频脉冲、非线性调频脉冲和相位编码脉冲等形式的中频信号。射频信号组件产生时钟和本振信号，并通过二次混频的方法将中频信号变换为所需的射频信号，为前级功放组件提供激励。微波激励信号经前级功放组件放大后再通过四路大功率分配器推动4个末级功放组件，最后通过四路大功率合成器合成后送给馈线。[1-3]

电源组件负责为发射系统各功能模块提供所需的工作电压。冷却分机主要实现电源组件、前级功放组件和末级功放组件等功能单元的散热，通过波导耦合器采集发射系统的输出功率和反射功率并送往数字信号组件。数字信号组件通过对发射功率、反射功率、温度、电压、电流、激励信号电平及其他状态信息的采集判断，实现发射系统的实时状态监测和保护。

图3 发射系统原理框图

本项目共有4种频段的固态发射分机。考虑到设计和维护的方便，每个频段的发射机都采用相同的设计原理和物理架构。最终实现的4个频段的发射机外形尺寸和对外接口完全一致。单个波段发射分机实物照片如图4所示。

图4 单个波段发射分机实物照片

2.2.3 伺服系统设计

伺服系统主要由伺服控制、方位转台、多路汇流环馈电系统等组成，其主要组成原理如图 5所示。

图5 伺服系统原理框图

伺服控制主要包括伺服控制机箱、115 V变压器、开关电源、远程控制箱、数控驱动模块等。本设计采用数字化步进控制大功率驱动技术，实现转速在5～15 r/min范围内步进可调。系统中的电源开关及伺服控制按钮、发射机控制开关等设计成远程线控方式，便于遥控操作。

方位转台系统主要包括驱动电机、动力传动链等。数控交流伺服电动机采用非接触式换向器，摩擦力矩小，坚固耐用。方位转台采用4级斜齿圆柱齿轮传动机构，总传动比It=9。作用在方位转台上的载荷包括风载荷、摩擦载荷和惯性载荷，这里主要考虑风载荷。发射系统的供电、控制信号和工作状态经大功率汇流环传输。

2.2.4 运载架设设备

高功率车载信号源运载架设设备主要包括运载车辆、液压调平系统、野外发电机组3个部分。运输车长5 500 mm、宽2 140 mm，系统最大高度4 200 mm，系统自重4.8 t。运载架设设备主要组成如图6所示。

图6 运载架设设备示意图

天线的轴线垂直于方位轴的轴线，平行于水平校准面。将水平校准平面调成水平就可以使天线的轴线保持水平。方位转台的调平通过液压调平装置实现，通过手动调节各换向阀来控制液压千斤顶的升降运动，从而达到将方位转台调平的目的。为方便调节，液压装置应设置节流阀，系统中的溢流阀可以使油液的压力保持不变。

供电机组的选择要保证能在野外环境长期可靠工作。本设计中选择YAMAHA汽油发电机组，输出功率5 kVA，外形尺寸1 360 mm×600 mm×600 mm，质量50 kg。

3 设计结果

经设计实现，高功率车载信号源的主要性能满足实际应用需求，主要性能指标测试数据见表1。

4 结束语

高功率车载信号源采用第三代氮化镓半导体功率器件实现微波信号的放大，各波段发射分机采用系列化、标准化的设计思路，设备的可靠性和使用维护的方便性得到了充分验证，在雷达及电子对抗装备外场试验保障方面发挥了重要作用。其先进的设计理念为其他类似产品的研制提供了重要的技术参考。[2]

表1 高功率车载信号源主要性能指标

[1] 吴颐雷. 采用模块化设计提高雷达发射机可靠性[J]. 可靠性设计与工艺控制，2002(2).

[2] 丁定浩. 雷达固态发射机可靠性评估和失效判别的定量方法[J]. 电子学报，1997(9).

[3] 乔艳红. 固态发射机功放组件的电磁兼容性设计[J]. 现代电子，2002(2).

[4]MishraUK,LikunS,KaziorTE,etal.GaN-ba-sedRFpowerdevicesandamplifiers[J].ProceedingsoftheIEEE, 2008, 96(2): 287-305.

Design of vehicle-borne high-power microwave signal sources based on GaN power devices

LIANG Yan1, WU Xiang2

(1.Electronics Technology Co., Ltd, China State Shipbuilding Corporation, Beijing 100070; 2. Test Supervision Bureau, Naval Equipment Department, Beijing 100841)

TN911.7

A

1009-0401(2017)03-0024-03

2017-08-10;

2017-08-15

梁琰(1977-)，女，工程师，工学硕士，研究方向：电子测量、故障诊断；吴湘(1972-)，男，硕士，研究方向：装备指挥与保障。