一种机载平台的小型化L 波段大功率固态功放的实现

马韬

（中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036）

综合通信导航识别(ICNI) 系统是现代作战飞机航电系统中重要的组成部分，主要用于提供飞机与外界的话音和数据通信、飞行导航和起降引导以及敌我识别等任务功能。L 波段功放作为ICNI 系统发射前端的关键设备，承担着对多种波形进行调制、放大的作用，其性能的优劣直接影响着ICNI 系统中各功能的战技指标[1-4]。

该文基于固态微波功率管，采用平面功率合成技术以及多波形调制技术，并结合高效的散热设计，实现了一种机载平台的小型化L 波段脉冲功放，工作频率范围为900～1 200 MHz，输出峰值功率大于1200 W，功耗为61 W，质量为1.7 kg。

1 总体设计

L 波段功放由五个单元构成：射频功率放大单元、控制单元、发射耦合单元、接口单元和电源单元，原理框图如图1 所示。

图1 功放原理框图

控制单元选用CPLD 作为核心控制器件[5]，根据接口单元所发指令，完成各种工作模式转换，以及功率、温度、电压监测等健康管理工作。

接口单元由时钟产生电路、LVDS 电平转换电路、FPGA、通用总线控制器、隔离驱动电路五部分组成，主要实现与系统通信功能，接收外部的控制指令、上报状态信息、自检信息以及电子标签。

电源单元由电源EMI 滤波电路、控制电路和DC/DC 转换电路组成，将系统输入的28 V 电压转换为模块内部需要的各种高低电压，每路输出采用不同的变压器，独立控制，独立输出，避免各路之间相互影响。

发射耦合单元用于校准系统延迟或环路自检。在主发射通道上，设计微带定向耦合器，耦合得到的信号经功分器分成两路信号，对第一路信号进行检波，检出信号作为功放自检和脉宽保护[6]信号；第二路经过固定衰减器、开关、温补衰减器，作为发射耦合信号输出，用于系统校准。

2 射频功放设计

射频功放单元是模块的核心单元，由分离的腔体和微波固态功率管搭建而成。通过各级微波功率管的级联匹配，并采用平面功率合成技术[7]，构成一个多模式射频功率放大器。功放模块需要兼容塔康[8]、精密测距[9]、航管[10]、IFF[11]四种功能，共有四种工作模式。在四种工作模式下，前三级放大输出幅度相同，通过改变末级功率管供电电压来满足各模式输出要求。射频功放单元原理框图如图2 所示。

图2 射频功放单元原理框图

功放的第一级放大采用NC31103S-102，在900～1 200 MHz 范围内增益大于20 dB，1 dB 压缩点为20 dBm，可将0 dBm±2.5 dB 的射频输入信号放大到17 dBm以上，后面加一个7 dB固定π型衰减器，保证第一级输出大于10 dBm。第二级放大采用WMPM 0913K，增益为28 dB，饱和放大输出为36 dBm 左右。因为第一级放大器输出功率大于10 dBm，所以第二级放大器WMPM0913K 处于饱和状态。由于前两级放大电路的增益高，为了避免自激，在第二级放大输出端增加一个隔离器，与后级大信号进行隔离。第三级放大采用MRF10031，增益为9.5 dB，第三级放大将功率放大到45 dBm 左右，再经过一个温补衰减器为末级功放提供44 dBm 的输出信号。前三级放大链路电平分配如表1 所示。

表1 前三级放大链路电平分配

由于目前L 波段固态微波单管最大输出在700～800 W 之间，为满足输出功率大于1 200 W，该文提出了一种基于平面功率合成技术的两路功率合成网络[12]，如图3 所示。

图3 末级多路功率合成框图

功率分配/合成网络基于等功率分配的微带形式Wilkinson 功分器[13-14]，并在结构上进行了优化，实物图和仿真三维模型如图4 所示。在经过大量的仿真实验收，最终设计出性能优异的两路功分器，在900～1 200 MHz 工作频带内，Port1 的回波损耗优于14.3 dB，Port1 和Port2、Port3 的耦合度优于3.3 dB。此结构应用于功率合成时，能够保证良好的信号传输。

图4 功分器仿真三维模型及实物图

合成网络中两条合成链路的幅度和相位一致性是平面功率合成技术的关键和难点。从以下几方面来控制两条链路的一致性[15]：

①两条链路的微带电路保证设计一致；

②利用ADS 仿真软件优化输入、输出匹配网络，尽量减少后期调试工作；

③功放管采用同批次产品，并且保证印制板加工和电路装配的一致性。

末级放大器采用两只功率管64092GN 放大合成，其频率范围为900～1 200 MHz，单管增益为18 dB，单管输入41 dBm 信号，输出59 dBm（800 W）。忽略相位和幅度不一致的影响，可由式（1）计算出理论合成功率：

式中，Pout为合成输出功率，Pin为单路输入功率，N为合成路数，L为合成网络插损。因此可计算出理论合成功率为61.7 dBm(1 479 W)。

虽然通过上述措施可以将两条合成链路的幅度、相位不一致影响控制到最小，但还是会客观存在，因此该网络合成输出功率会小于1 479 W。功放合成输出后会通过一个插损为0.5 dB 的滤波器，滤掉谐波，所以最终功放模块输出功率设计值为61.2 dBm（1 318 W）。

3 多波形调制设计

CPLD 控制电路作为控制单元的核心电路，主要完成高斯调制、COS/ COS2 调制脉冲生成、各种模式的电源电压配置及监测控制。它根据接口单元提供指令，生成脉冲波形，再经过数模转换、开关电路的放大与分配，供给功放模块的每一级功率管，以及发射耦合开关等。

功放模块包含有四种工作模式，不同工作模式下，末级功率管漏极电压不同，末级功率管漏极电压调制原理如图5 所示。

图5 末级功率管漏压供电电路

功放模块TACAN、DME/P 两种模式的供电电路使用同一硬件支路。不同模式下，CPLD 控制产生不同的脉冲经过数模转换后形成不同形状的钟形脉冲，再经过电压电流放大后供给末级功率管的漏极。TACAN 模式下，末级功率管漏极电压为高斯调制脉冲；DME/P 模式下，末级功率管漏极电压为COS/COS2 调制脉冲[16]。

功放模块IFF、ATC 两种模式的供电电路使用同一硬件支路。不同模式下，CPLD 控制产生不同的脉冲经过数模转换后形成不同幅度的电压，再经过电压电流放大后输出给末级功率管的漏极。两种模式下的输入激励信号都是已调信号，末级功率管的漏极电压为不同幅度的直流电压，最终输出不同幅度的功率。

4 热设计

功放模块在工作中产生的热量会在模块内部通过零部件传导，并通过壳体盖板与环境进行热量交换。为满足模块的热设计要求，作如下热设计：

①合理布置发热器件位置，避免功率较大的器件布置在一起，使模块热量分布尽可能趋于均匀，更有利于模块散热。对于体积大、发热量也大的电源模块，将其直接固定在模块壳体上，这样可以将热直接传导到模块壳体上，通过壳体将热快速散出；对于信号处理及接口单元电路中发热量较大的器件，由于它们装配在印制板上，热传导速度较慢，在装配时增加导热橡胶垫，将发热量较大器件的顶部与模块的盖板直接接触，增大热传导速率。

②模块的盒体和盖板等结构件采用热传导性能好的5A06 铝合金材料。

器件及结构件在环境温度+73.5 ℃条件下稳态工作的仿真温度如图6 和图7 所示，此时在模块两侧面具有温度为73.5 ℃的强迫风冷。从仿真结果可以看出，各主要发热器件的稳态温度均远低于器件的结温，且主要发热器件均没有超过100 ℃，满足设备的可靠性和设备预期工作的热环境要求，因此该模块于-55～+73.5 ℃的环境温度范围内各功能模块均可正常可靠运行，该模块热设计满足使用要求。

图6 +73.5 ℃时的温度云图（正面）

图7 +73.5 ℃时的温度云图（反面）

5 测试结果

功放模块的主要指标符合性如表2 所示，实测值都能满足设计要求。

表2 功放模块的指标符合性对照表

6 结论

该文实现的小型化L 波段脉冲固态功放测试结果满足系统要求指标，它具有轻小型化及低功耗的特点，能够实现多种波形调制，而且还具备良好的环境适应性，目前已应用于某型号机载平台，具有一定应用价值。