一种高功率发射组件的设计与实现

沈项东,樊锡元

(华东电子工程研究所，合肥 230088)

0 引 言

现代微波功率放大器的发展过程中，固态和真空管放大器一直各有千秋。固态放大器具有无须预热，可靠性高，长期使用费效比低等特点。但在功率密度(单位重量或单位体积的输出功率)方面，为达到一定的功率输出，固态放大器往往需要经过多级合成，功率密度较低[1]。而真空管放大器单级增益较高，易于构造高功率密度的微波功率放大器[2]。为提高固态放大器的功率密度，本文从电讯、结构等方面进行了探讨，并设计制作了一种高功率密度发射组件。

1 设计方法1.1 技术指标

工作频率频率：P波段

工作带宽：≥70 MHz

输入功率：10 mW

输出总脉冲功率：单路输出≥4 kW

脉冲宽度：10～300 μs

工作比：≤10%

冷却方式：液冷

1.2 电讯方面

(1)系统架构

就单路输出而言，4 kW的峰值功率有相当的挑战性。同时考虑到发射组件工作于机载平台上，对体积、重量的要求是十分苛刻的，因此从方案设计阶段就要考虑到电讯设计对后续的加工、制造所带来的影响。

主要设计思路有以下几点：(1)选择工作频带内输出功率最大且满足要求的固态微波功率管，可以使得模块的单路输出获得最大；(2)进行环境分析和热仿真，控制功率管的结温，使其满足相应的降额标准。通过专业的热仿真软件，获得发射组件内部的温度场分布，并进行相应的热设计；(3)合理安排组件的架构，将组件的功率密度提高到一个新的水平上。组件双面设计，共用冷板是一个创新。在此之前，组件都是单面输出，冷板独立。但是这这种在地面系统中常用的方式缺不适宜在机载平台中应用。本组件设计时，通过双面输出节省了常规独立冷板所需的体积、重量；(4)大功率串馈合成方式的采用，有效的降低了合成器的体积、重量，并同时降低了所占的壳体面积。

高功率发射组件的架构见图一，其工作过程简述如下：10 mW射频激励信号送入射频组件，首先经过驱动模块的放大，得到125 W的功率，再以此推动一只功放模块，输出约800 W。经过6路分配器，推动后级的6只功放模块。每路输出依然在800 W以上，最后经过6路合成器的合成，再经过耦合器，最终输出不低于4 kW的峰值功率。电源模块提供系统所需要的各种电压品种。发射监控对系统的状态进行监视，对开关机等动作进行控制，对故障点进行收集并回馈给主监控作为判断的依据。

图1 发射组件系统架构图

(2)高集成度功放模块设计

为简化设计，采用了模块化设计方法。由系统架构，该组件仅采用一种功放模块进行功率的放大，电路十分简洁。

与此同时，这也给功放模块的设计提出了更高的要求。由于现有的功率管无法达到较高的输出功率，该功放模块采用了双管合成的方式。功放模块拓扑结构图如下：

图2 功放模块拓扑结构图

经过微波仿真软件的仿真和计算，最大限度地减小了该模块电路板所占的面积，从源头上保证功率密度的最大化。

图3所示为模块布局图，图4所示为功放模块试验电路。

图3 功放模块布局图

图4 功放模块试验电路

试验电路是对模块设计的正确性进行验证的重要环节。尤其是在大规模生产和制造之前，这一点尤其重要。通过电性能和结构、温度的实际验证，可以及早发现问题，消除错误，为批量生产奠定基础。

调试和各项试验，获得试验电路的电性能参数如表1所示。

可以看出，该模块的输出功率均在800 W以上，满足设计要求。

表1 功放模块试验电路测试数据

(3)合成方式选择

多路功率放大器的幅度和相位一致性是微波功率合成的关键。为在较宽的频率范围内使组件合成效率达到最佳，满足系统需求的指标，通过开展多路功率放大器幅度和相位一致性专题试验，进一步设计优化合成网络。

功率分配/合成的种类、方式多种多样。有Wilkinson型、Gysel型、耦合线型、分支线电桥型、串馈型、径向线型等等。从构成方式上又可分为同轴线式、微带线式、波导式、带状线式等，在不同的场合都可以找到应用的实例[3]。

根据系统架构框图，本发射组件需要通过六只功率模块合成来达到所需的输出功率。此时，若仍然使用二进制功率合成法显然是不划算的，因为它的功率合成必须是按照二进制规律增加放大器的数目。此时最为合理的选择是串馈功率合成法。串馈功率合成法可以组合任意数目的放大器(无论奇偶数)，且体积小，电路损耗小，配对使用时有良好的对称性和高效率[4]。另一个关键问题是末级输出的脉冲功率达到了4 kW(峰值)以上，对于功率容量的要求特别的高。同时，由于频段较低，用威尔金森方式将会造成过大的电路面积，不予考虑。空气板线由于同样的原因，也会造成组件体积过大[5]。

为此，特别选用了带状线组成的串馈功率合成/分配器。为提高功率密度，本发射组件两路发射共用盒体和散热冷板，因此，分配/合成器各需两只，呈镜像关系。见图5。

图5 串馈功率合成器

1.3 结构与热设计

(1)减重设计

在电讯方面成功将电路面积减小之后，结构方面通过优化设计，进一步将组件的重量降低。功放模块是组成发射组件的基本单元，为此将模块底板除功率管部分衬无氧铜以保证散热之外，其余部分尽量铣削。在如此功率量级的发射组件，为降低重量只能使用液冷。通过PRO/E软件的设计，将功能相同的两路输出合并起来，共用一个组件框体，一个散热冷板。组件外形示意图如图6。

图6 发射组件外形示意图

(2)热设计

发射系统高功率功放组件依靠强迫液冷方式进行散热，保证功率器件在适宜的温度范围内工作，并且系统环控在低温下实现加热功能。双面功放组件热耗峰值约1612 W(工作占空比D=10%)，微波晶体管热流密度约20 W/cm2。

流道采用串、并联结合的结构形式，并利用热边界层中断等技术来强化散热并降低压损[6]。在局部高热流的晶体管区域采用多根微小型多通道并联布置的形式，大大降低了散热所需的冷却液流量与冷板压力损失，采用双面对焊，在满足散热性能的前提下大大增加了微小型多通道液冷冷板的可加工性，冷板流道和热仿真结果见图7。

图7 发射组件流道分布和热仿真结果

2 设计结果及测试情况

经精心设计和加工生产，获得图8示的发射组件。该组件已通过了各种环境实验(包括机载环境)考验，表明该组件满足设计要求，工作稳定可靠，取得了预期的效果。

图8 发射组件内部实物图

调试和测试系统构建如图9所示。

图9 调试和测试系统

该组件的电性能测试结果如表2。测试条件(脉宽与工作比)为：τ=300 μs，D=10%。

高功率发射组件的尺寸为520 mm×410 mm×88 mm，总质量为17.4 kg，发射双面输出的总射频功率超过8 kW(峰值)，效率高于40%，功率密度真正实现了一次大的提升。

表2 高功率发射组件电性能测试结果

[1] 王卫华等. 固态雷达发射机的关键技术[J]. 电子科学技术，2005，1：27-32.

[2] 尚洪臣 《微波网络》 东南大学出版社

[3] Inder Bahl, Prakash Bhartia. 微波固态电路设计[M]. 2版. 郑新译. 北京:电子工业出版社, 2006:176-274.

[4] Guillermo Gonzalez. Microwave Transistor Amplifiers: Analysis and Design. Upper Saddle River, N.J.:Prentice Hall, 1997.

[5] 魏利郝等. L频段150 W固态连续波放大器设计 [J]. 无线电工程，2013，11：40-42.

[6] S Gao High-Efficiency Class F RF /Microwave Power Amplifiers[J].IEEE Microwave Magazine，2006，7(1): 40-48.