沈項東　樊錫元

摘 要：為滿足某機載預(yù)警系統(tǒng)發(fā)射機對重量、體積的嚴格要求，研制了高功率密度固態(tài)發(fā)射組件。通過對微波模塊的優(yōu)化設(shè)計、新型發(fā)射組件架構(gòu)的研究、水冷散熱方式的采用，最終獲得一種輸出峰值功率在工作頻帶內(nèi)達8kW（雙面）以上的發(fā)射組件。該組件已經(jīng)隨整機進行過多次試飛，完全滿足系統(tǒng)要求。試驗表明，該組件不僅性能優(yōu)良、工作可靠，且具有相當(dāng)高的功率密度。高集成度模塊設(shè)計、組件雙面輸出、串饋合成方式以及液冷散熱方式是該發(fā)射組件的創(chuàng)新之處。本文對其電訊、結(jié)構(gòu)及熱設(shè)計都做了詳細的闡述。

關(guān)鍵詞：功率密度；發(fā)射組件；熱設(shè)計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.02.199

1 引言

現(xiàn)代微波功率放大器的發(fā)展過程中，固態(tài)和真空管放大器一直各有千秋。固態(tài)放大器具有無須預(yù)熱，可靠性高，長期使用費效比低等特點[1]。但在功率密度（單位重量或單位體積的輸出功率）方面，為達到一定的功率輸出，固態(tài)放大器往往需要經(jīng)過多級合成，功率密度較低。而真空管放大器單級增益較高，易于構(gòu)造高功率密度的微波功率放大器。[2]為提高固態(tài)放大器的功率密度，本文從電訊、結(jié)構(gòu)等方面進行了探討，并設(shè)計制作了一種高功率密度發(fā)射組件。

2 設(shè)計方法

2.1 技術(shù)指標(biāo)

工作頻率頻率： P波段

工作帶寬： ≥70MHz

輸入功率： 10mW

輸出總脈沖功率： 單路輸出≥4kW

脈沖寬度： 10～300μs

工作比： ≤10%

冷卻方式： 液冷

2.2 電訊方面

（1）系統(tǒng)架構(gòu) 。就單路輸出而言，4kW的峰值功率有相當(dāng)?shù)奶魬?zhàn)性。經(jīng)過多種方案的比較，得到圖1所示的系統(tǒng)框圖。10mW射頻激勵信號送入射頻組件，首先經(jīng)過驅(qū)動模塊的放大，得到125W的功率，再以此推動一只功放模塊，輸出約800W。經(jīng)過6路分配器，推動后級的6只功放模塊。每路輸出依然在800W以上，最后經(jīng)過6路合成器的合成，再經(jīng)過耦合器，最終輸出不低于4KW的峰值功率。電源模塊提供系統(tǒng)所需要的各種電壓品種。發(fā)射監(jiān)控對系統(tǒng)的狀態(tài)進行監(jiān)視，對開關(guān)機等動作進行控制，對故障點進行收集并回饋給主監(jiān)控作為判斷的依據(jù)。

（2）高集成度功放模塊設(shè)計。為簡化設(shè)計，采用了模塊化設(shè)計方法。由系統(tǒng)架構(gòu)，該組件僅采用一種功放模塊進行功率的放大，電路十分簡潔。與此同時，這也給功放模塊的設(shè)計提出了更高的要求。由于現(xiàn)有的功率管無法達到較高的輸出功率，該功放模塊采用了雙管合成的方式。拓撲圖如圖2：

經(jīng)過仿真和計算，最大限度地減小了該模塊電路板所占的面積，從源頭上保證功率密度的最大化。

圖3所示為模塊布局圖，圖4所示為功放模塊試驗電路。

對該試驗電路進行電特性的測試，數(shù)據(jù)如下：

可以看出，該模塊的輸出功率均在800W以上，為系統(tǒng)的功率合成奠定了基礎(chǔ)。

（3）合成方式選擇。多路功率放大器的幅度和相位一致性是微波功率合成的關(guān)鍵[3]。為在較寬的頻率范圍內(nèi)使組件合成效率達到最佳，滿足系統(tǒng)需求的指標(biāo)，通過開展多路功率放大器幅度和相位一致性專題試驗，進一步設(shè)計優(yōu)化合成網(wǎng)絡(luò)。

功率分配/合成的種類、方式多種多樣。有Wilkinson型、Gysel型、耦合線型、分支線電橋型、串饋型、徑向線型等等。從構(gòu)成方式上又可分為同軸線式、微帶線式、波導(dǎo)式、帶狀線式等，在不同的場合都可以找到應(yīng)用的實例。

根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)框圖，本發(fā)射組件需要通過六只功率模塊合成來達到所需的輸出功率。此時，若仍然使用二進制功率合成法顯然是不劃算的，因為它的功率合成必須是按照二進制規(guī)律增加放大器的數(shù)目。此時最為合理的選擇是串饋功率合成法。串饋功率合成法可以組合任意數(shù)目的放大器（無論奇偶數(shù)）[4]，且體積小，電路損耗小，配對使用時有良好的對稱性和高效率。另一個關(guān)鍵問題是末級輸出的脈沖功率達到了4kW（峰值）以上，對于功率容量的要求特別的高。同時，由于頻段較低，用威爾金森方式將會造成過大的電路面積，不予考慮?？諝獍寰€由于同樣的原因，也會造成組件體積過大[5]。

為此，特別選用了帶狀線組成的串饋功率合成/分配器。為提高功率密度，本發(fā)射組件兩路發(fā)射共用盒體和散熱冷板，因此，分配/合成器各需兩只，呈鏡像關(guān)系。見圖5。

2.3 結(jié)構(gòu)與熱設(shè)計

（1）減重設(shè)計。在電訊方面成功將電路面積減小之后，結(jié)構(gòu)方面通過優(yōu)化設(shè)計，進一步將組件的重量降低。功放模塊是組成發(fā)射組件的基本單元，為此將模塊底板除功率管部分襯無氧銅以保證散熱之外，其余部分盡量銑削。在如此功率量級的發(fā)射組件，為降低重量只能使用液冷。通過PRO/E軟件的設(shè)計，將功能相同的兩路輸出合并起來，共用一個組件框體，一個散熱冷板。組件外形示意圖如圖6。

（2）熱設(shè)計。發(fā)射系統(tǒng)高功率功放組件依靠強迫液冷方式進行散熱，保證功率器件在適宜的溫度范圍內(nèi)工作，并且系統(tǒng)環(huán)控在低溫下實現(xiàn)加熱功能[6]。雙面功放組件熱耗峰值約1612W（工作占空比D=10%），微波晶體管熱流密度約20W/cm2。

流道采用串、并聯(lián)結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，并利用熱邊界層中斷等技術(shù)來強化散熱并降低壓損。在局部高熱流的晶體管區(qū)域采用多根微小型多通道并聯(lián)布置的形式，大大降低了散熱所需的冷卻液流量與冷板壓力損失，采用雙面對焊，在滿足散熱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，冷板流道和熱仿真結(jié)果見圖7。

3 設(shè)計結(jié)果及測試情況

經(jīng)精心設(shè)計和加工生產(chǎn)，獲得圖8示的發(fā)射組件。該組件已通過了各種環(huán)境實驗（包括機載環(huán)境）考驗，表明該組件滿足設(shè)計要求，工作穩(wěn)定可靠，取得了預(yù)期的效果。

該組件的電性能測試結(jié)果如表2。測試條件（脈寬與工作比）為：τ=300?s，D=10%。

發(fā)射組件的尺寸為520 mm×410 mm×88mm，總質(zhì)量為17.4KG，發(fā)射雙面輸出的總射頻功率超過8kW（峰值），效率高于40%，功率密度真正實現(xiàn)了一次大的提升。

參考文獻：

[1]王衛(wèi)華等.固態(tài)雷達發(fā)射機的關(guān)鍵技術(shù)[J].電子科學(xué)技術(shù)，2005（01）：27-32.

[2]尚洪臣.微波網(wǎng)絡(luò)[J].東南大學(xué)出版社.

[3]KAI CHANG “MICROWAVE SOLID-STATE CIRCUIT.

[4]汪邦金，胡善祥.一體化高功率微波組件內(nèi)部的電磁兼容分析[J].雷達科學(xué)與技術(shù)，2007（03）.

[5]王群杰，金謀平，張立新.一種米波功分器的小型化設(shè)計[J].火控雷達技術(shù)，2007，36（01）.

[6]倪濤.0.8-2GHz超寬帶大功率放大器設(shè)計與研究[J].火控雷達技術(shù)，2013（03）.

作者簡介：沈項東（1971-），男，高級工程師，主要從事固態(tài)發(fā)射機的設(shè)計與研制工作。