固态雷达发射机的关键技术研究

李 猛

海华电子企业（中国）有限公司，广东 广州 510656

0 引言

在固态雷达发射机应用过程中，要向着更高的频率方向发展，打造更加科学的功率合成处理模式，发挥相应系统设计应用优势，从而实现经济效益和社会效益的和谐统一。

1 固态雷达发射机概述

目前，较为常见的固态雷达发射机主要分为集中合成式全固态发射机和分布式空间合成有源相控阵雷达发射机两类，不同结构具有差异化特点，且对应的应用环境和优势作业也不尽相同，需要依据实际情况和需求选取适配的设备。

1.1 集中合成式全固态发射机

集中合成式全固态发射机的主要元件是功率放大组件，利用微波合成技术就能实现并行合成和输出，并有效满足系统限制性要求（见图1）[1]。

图1 集中合成式全固态发射机结构

相较于传统的真空微波管发射机，集中合成式全固态发射机无须对阴极进行加热就能完成启动，并且设备的使用寿命长，不产生阴极加热功率消耗等。其功率模块参数在电压参数以下（被控制在50 V以下），因此无须配置体积较大的高压电源或者防护X射线，这就极大地提升了其应用的便捷性。与此同时，集中合成式全固态发射机的应用模块都是C类放大器工作状态，配合高电压脉冲调制器就能完成处理工序，整体瞬时带宽数值能达到20%～50%。另外，集中合成式全固态发射机在雷达接收或信号处理的过程中会应用脉冲压缩匹配滤波器，这就能更好地提升检测的实效性及距离分辨力[2]。

1.2 分布式空间合成有源相控阵雷达发射机

分布式空间合成有源相控阵雷达发射机主要包括固态功率放大器、环行器、限幅器、低噪声放大器等基础元件，配合逻辑控制器和内部监测电路元件就能打造完整的应用模式（见图2）。

图2 空间合成相控阵雷达发射机结构图

一方面，有源相控阵雷达发射机的发射机、天线结构之间划分界限并不明显，因此，末端T/R功率放大组件输出的对应功率就能对天线辐射单元予以直接处理和控制，整体结构紧凑的同时，更好地避免了馈线引入造成的损耗问题，为发射功率的优化提供保障[3]。

另一方面，有源相控阵雷达发射机本身能实现全模块化，在应用过程中，T/R组件模块和放大器电源模块能更好地辅助相关工作的开展，维持良好的应用环境。与此同时，发射机本身能实现故障指示及工作状态的实时性动态检测，确保能将故障区间隔离在替换单元，从而迅速排除故障，不会对整个设备应用运行效率产生影响。

除此之外，有源相控阵雷达发射机本身具有故障弱化的特性，且设备运行可用度较好，能利用简单的操作模式完成开关控制，并且配合快速故障处理单元，真正实现了多元系统化管理的目标。

2 固态雷达发射机关键技术

在固态雷达发射机应用过程中，要整合具体技术应用要求和方案，从而确保整体应用体系的合理性和科学性。

2.1 微波功率放大组件设计和阻抗技术

在固态雷达发射机中，功率放大组件是非常关键的技术单元，要实现功率晶体管和阻抗数值的匹配，并在此基础上达到匹配网络功率合成处理的目的。因为微波功率晶体管的输入阻抗数值和输出阻抗数值都较低，并且具有一定的抗性，所以，功率相加设备等基础传输线的特性阻抗数值都要选定在50 Ω左右。典型放大器的设计要以降低耗能、低成本等作为核心，确保能为晶体管创设良好的源阻抗和负载阻抗应用平台[4]。

在技术应用体系内，无论是集中合成式全固态发射机还是分布式空间合成有源相控阵雷达发射机，功率放大组件都会设置在C类状态。也就是说，并不需要匹配真空放大器需要的调制设备，在高频信号满足晶体管放大器输入端数值的基础上就能实现有效的反向偏置电压处理，保证晶体管的导通状态，相匹配的放大器也能同步工作。在脉冲信号输入后，数值会逐渐上升，一直到达脉冲顶部，然后沿着脉冲信号持续一段时间，此时放大器晶体管的工作状态会从呈现出“截止—线性—饱和—再截止”，输入输出阻抗呈现出动态化变化趋势，尤其是输入阻抗数值的变动。借助关机时接近无穷大的电压驻波比，能建立输入阻抗的实时性匹配，直至开机，完成匹配。

除此之外，放大器的负载阻抗会呈现出不同的变化趋势，并且其整体趋势动态参数和放大器输入信号电平呈现出一致性，放大器输出信号的相位也会形成不同程度的作用。需要注意的是，设计固态功率放大器要综合考量放大器之间相位的一致性，并且综合评估相关参数，以维持整体技术应用的规范性和科学性。例如，假设两个放大器输出信号的实际场强参数相同，都设定为E，但是相位存在差异，且对应的相位差用△φ表示，则放大器的输出信号两者之和并不完全等于2E，而是2E×cos(△φ÷2)，对应的输出信号功率为[2E×cos(△φ÷2)]2，这就说明在整个信号传输的过程中依旧存在明显的功率损失[5]。

2.2 CAD技术

应用计算机优化仿真设计技术能更好地完成功率放大器匹配电路设计工作，特别是在明确晶体管阻抗参数后，就能选取匹配的拓扑机构和初始数值，选取优化方法就能完成文件的运行。结合运行结果终止运行过程，并依据具体要求对文件配置的相关参数内容予以实时性控制，从而从最大程度上提高结果的优化效果，匹配最优项。具体设计流程如下。

（1）创建工程文件。结合高频电路仿真优化的应用要求和标准，完成频率控制模块的建立和分析处理，并且有效输入工作频率，结合实际需求设置对应的频率点。文章选取的工作频率为1.2～1.4 GHz，对应的步进频率为50 MHz[6]。

（2）设立输入输出端口。假设端口a是50 Ω的信号源阻抗，匹配特性阻抗的参数要求也要满足50 Ω，从而保证对应匹配度符合标准；端口b是晶体管输入端，也被称为负载端，此时要结合负载模块进行处理，输入晶体管的阻抗参数。另外，要参考历史电路模型内容，输入匹配电路拓扑图，完成三级阶梯阻抗变换结构的处理工作。除此之外，要结合放大器允许的物理尺寸和拓扑电路调整可能性，匹配满足应用标准的介质材料，建构元件模型，若是放大器允许的尺寸较大，则一般选取低介电常数的板型材料[7]。

（3）变量定义。为了保证综合处理效果，要对需要优化的元件参数予以变量定义分析，提升优化效率。可对变量设定初值，从而更好地维持输入匹配电流的规范性，配合优化变量分析，实现三级阶梯阻抗拓扑结构，维持整体设计结构的应用效果。与此同时，要结合实际应用情况选取适当的优化目标，如选择端口a向阻抗变换电路的输入驻波作为优化对象，优化目标就是增加其频率。

（4）仿真优化。在获取优化命令后，需要对电路的整体结构予以优化处理，并且维持优化过程的科学性和动态性。在获取元件数值或者接近极限数值时，需要对取值范围进行适当调控，从而满足应用标准；也可以借助手动控制的方式，集中分析参数数值，并且获取优化参数结果。在完成多次优化迭代工作后，得出最优结果。

2.3 微波功率合成器技术

在固态发射机应用控制过程中，输入功率会直接分配到不同功率放大器内，输出结果就会借助合成器完成迭代处理，因此，功率合成器是各个功率放大器合成处理过程中较为关键的微波部件，要匹配较低的损耗和较为合理的驻波参数，并且能承载较高的功率[8]。首先，在并馈N路分配器/合成器的过程中，基本的单元就是两路功率单元，分别为功率分配器电路和合成器电路，主要包括耦合线定向耦合器、分支线定向耦合器和环形电桥定向耦合器等，配合四端口定向耦合处理机制，就能完成输入信号和输出信号的方向性评估。并且，对应的端口期间均在同一条中心线上，电路的结构也能实现对称处理。分析方式就是借助奇数、偶数分析处理方式，完成三端口网络应用工作。其次，并馈合成结构的整体模式也较为简单，但是由于级联的关系使得功率流经的电路较长，必然会增加损耗，加之合成/分配端口的实际应用数量有限，需要配合二进制对称的方式进行操作，使得一部分工序反而更加烦琐。基于此，在原有结构模式应用方案的基础上进行串馈合成结构的处理，能有效结合功率合成、分配等，极大地节省放大器和耦合器的数量，也能减少能耗[9]。

2.4 热设计处理

要想提升固态雷达发射机的应用效率，就要提升功率晶体管的应用效能，这就要求设计人员在设计和制造过程中关注结温参数的变化。晶体管的失效率及晶体管内部工作温度都需要评估结温参数，尤其是晶体管的最高结温，其增加10 ℃，设备的寿命就会减少一半。基于此，要整合具体应用环境和参数控制规范，满足良好的应用要求。通常而言，制造厂家提出的器件最高结温是200 ℃，若器件工作结温超出设定的额定数值，虽然短时间内器件不会损伤，但会对其长时间应用的可靠性产生影响。基于此，要对绝对最高结温予以约束和控制，维持安全性和可靠性。

目前，在实际应用中，常利用红外热成像设备进行结温的实时性测量分析，在不封盖的情况下评估晶体管也是较为常见的方式。要想有效降低结温，就要维持散热器和外界的热通路完整性，合理控制散热途径上的材料和结合界面。例如，针对串联电路，若是整个通路模式中存在高阻性元件，热流会出现被阻挡的情况，此时结温就会升高。

微波功率晶体管要选取高导热材料。功率晶体管结构较为特殊，其本身存在热时间常数，使得结温会随着晶体管工作脉冲宽度的增高而逐渐上升，因此，要依据晶体管手册对最大工作比和最大工作脉冲宽度等进行严格设计和分析，确保处理效果符合应用标准。另外，功率晶体管内部结构决定了晶体管内存在相互干扰的热锥区，且温度场较为复杂，为了维持应用效果的规范性，需要整合具体要求和标准，确保相应操作的合理性。

3 结束语

总而言之，在固态雷达发射机设计过程中，要关注关键技术要点，建立健全更加系统化的技术处理方案，整合技术要求，保证应用效果符合预期，从而发挥设备的优势作用，为固态雷达发射机的应用发展提供保障。