由金光,姚武生,鄭智潛

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,合肥230088)

S波段全液冷固態(tài)發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)

由金光,姚武生,鄭智潛

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,合肥230088)

介紹新研制成功的應(yīng)用在相控陣?yán)走_(dá)的全液冷固態(tài)發(fā)射機(jī)。分析了本發(fā)射機(jī)系統(tǒng)組成與工作原理,重點(diǎn)介紹了采用的監(jiān)控設(shè)計(jì)技術(shù)、電磁兼容技術(shù)、液冷熱設(shè)計(jì)等技術(shù)。測(cè)試表明,該發(fā)射機(jī)能很好地滿足各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的要求。

相控陣?yán)走_(dá)；固態(tài)發(fā)射機(jī)；功放組件；熱設(shè)計(jì)

0 引 言

隨著科技的發(fā)展和現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的需要以及射頻固態(tài)大功率放大技術(shù)的日益成熟,多功能相控陣?yán)走_(dá)的運(yùn)用也越來(lái)越廣泛,同時(shí)對(duì)發(fā)射機(jī)在輸出功率、體積、質(zhì)量、幅相一致性及可靠性等指標(biāo)上也提出了越來(lái)越高的要求。本文介紹一種用于S波段全液冷固態(tài)發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程,并對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)、模塊化設(shè)計(jì)及液冷熱設(shè)計(jì)的方法都進(jìn)行了深入的探討。

本發(fā)射系統(tǒng)在遵循模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化及保證技術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上,所有功能模塊采用串口通訊技術(shù),既減少了陣面機(jī)柜走線,同時(shí)也提高了陣面通訊的可靠性；通過(guò)對(duì)主電源的均流供電,提高了系統(tǒng)的可靠性；采用陣面液冷源結(jié)構(gòu),避免了長(zhǎng)期使用水鉸鏈導(dǎo)致雷達(dá)可靠性存在的問(wèn)題。

該發(fā)射機(jī)的指標(biāo)要求如下：

?品種、數(shù)量：

1 kW行發(fā)射機(jī)32個(gè)

?工作頻率： S波段

?輸出總脈沖功率： 大于32 kW

?脈沖寬度： 4～200 μs

?工作比： ≤10%

?行發(fā)射機(jī)幅度一致性： ≤1 dB(rms)

?改善因子： ≥60 dB

?工作溫度： -40℃～+50℃

1 系統(tǒng)組成及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 系統(tǒng)組成及工作原理

本發(fā)射機(jī)屬于分布式放大發(fā)射機(jī),主要由以下幾部分組成：微波放大鏈、控制保護(hù)系統(tǒng)、大功率開關(guān)電源、液冷系統(tǒng)。其原理框圖如圖1所示。

發(fā)射機(jī)的基本工作原理如下：

從頻率源送來(lái)的RF信號(hào),經(jīng)一激勵(lì)放大組件(在接收分系統(tǒng)內(nèi),設(shè)有射頻信號(hào)監(jiān)測(cè)及保護(hù)功能)放大并一分為二,每路輸出1.5 W左右,之后每路RF信號(hào)送至發(fā)射機(jī)柜上下兩層；RF信號(hào)先經(jīng)一移相功分組件,一分十六,每路至每行發(fā)射機(jī)輸入端口(即功放組件輸入端口)處的幅度為10 dBmW±1 dB,將32個(gè)行發(fā)射機(jī)分別放大后,每行輸出1 kW以上的功率,饋送發(fā)射線源。每路行發(fā)射機(jī)由1個(gè)微波功率組件構(gòu)成。機(jī)柜內(nèi)共4個(gè)發(fā)射主電源,通過(guò)內(nèi)均流技術(shù)產(chǎn)生(并聯(lián)合成)36 V的主電壓供給32個(gè)發(fā)射組件,一個(gè)低壓電源通過(guò)均流產(chǎn)生的低壓電壓供給32個(gè)發(fā)射組件；位于陣面中的液冷源為發(fā)射機(jī)柜提供所需流量的冷卻液體。

圖1 發(fā)射機(jī)原理框圖

電源是為微波放大鏈及監(jiān)控電路提供所需要的直流電源。對(duì)本發(fā)射系統(tǒng)RF放大鏈采用4個(gè)36 V/100A型主電源模塊集中內(nèi)均流供電(且有一個(gè)電源的冗余)。這樣可以在壞一個(gè)電源的前提下電源的電流會(huì)迅速調(diào)整,發(fā)射系統(tǒng)仍能正常工作,不影響發(fā)射系統(tǒng)的功率輸出,提高了系統(tǒng)的可靠性。

組件內(nèi)的BITE電路判斷出輸出功率降低、電源失效及功率管結(jié)溫過(guò)高等故障后,一方面送到面板指示,同時(shí)送到機(jī)柜內(nèi)的遠(yuǎn)端監(jiān)控分機(jī),由監(jiān)控分機(jī)對(duì)機(jī)柜內(nèi)的各種回饋信號(hào)進(jìn)行匯總,遠(yuǎn)距離傳送到系統(tǒng)監(jiān)控中心,同時(shí)接收監(jiān)控中心的指令,分送到各個(gè)模塊中,對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制。

冷卻系統(tǒng)控制功放組件和電源的溫升,為微波放大鏈和電源正常工作提供保證。

1.2 發(fā)射監(jiān)控設(shè)計(jì)

發(fā)射系統(tǒng)的輸入功率來(lái)源于頻率源。為了保護(hù)功率組件,使其工作于安全的信號(hào)時(shí)序范圍,首先對(duì)頻率源的工作時(shí)序進(jìn)行系統(tǒng)自檢,判別射頻工作時(shí)序是否會(huì)產(chǎn)生過(guò)脈寬或過(guò)工作比故障。射頻監(jiān)測(cè)采用成熟技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻時(shí)序信號(hào)的實(shí)時(shí)、快速的檢測(cè)與保護(hù)。當(dāng)發(fā)生過(guò)脈寬或過(guò)工作比故障時(shí),故障記憶,同時(shí)通過(guò)射頻監(jiān)測(cè)門套,快速關(guān)門套,切斷發(fā)射系統(tǒng)的射頻輸入,從而起到保護(hù)的作用。功放組件可以接收來(lái)源于遠(yuǎn)端監(jiān)控的開關(guān)機(jī)命令和門套信號(hào),可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)機(jī)控制和門套調(diào)制。具體功放組件又都是一個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)。組件內(nèi)通過(guò)各自相應(yīng)的控制、檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)組件的監(jiān)視和控保。

考慮到該發(fā)射系統(tǒng)的大部分電路在天線上,信號(hào)需通過(guò)匯流環(huán)才能傳輸下來(lái)。根據(jù)系統(tǒng)所固有的特點(diǎn),本發(fā)射機(jī)通過(guò)接口電路與陣面計(jì)算機(jī)相連,從而實(shí)現(xiàn)與雷達(dá)主監(jiān)控的聯(lián)系,由雷達(dá)主監(jiān)控實(shí)現(xiàn)本發(fā)射系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)及控制。整個(gè)發(fā)射系統(tǒng)有32個(gè)功放組件,4個(gè)主電源,1個(gè)線性低壓電源,1個(gè)液冷源,輸入輸出信號(hào)近千對(duì)。為了減少陣面導(dǎo)線數(shù)量及傳輸干擾,各模塊的控制信號(hào)、故障信號(hào)內(nèi)部采用統(tǒng)一的信號(hào)控制器。預(yù)先將各功能模塊內(nèi)部的各種并行的控制、故障信號(hào)變換到串口。系統(tǒng)監(jiān)控通過(guò)422總線方式通過(guò)串口對(duì)各功能模塊進(jìn)行控制、監(jiān)測(cè)。圖2為發(fā)射監(jiān)控原理圖。

圖2 發(fā)射監(jiān)控原理圖

1.3 電磁兼容的設(shè)計(jì)

由于本發(fā)射分系統(tǒng)全部位于天線陣面上,考慮到對(duì)其他系統(tǒng)的影響,以及外界對(duì)發(fā)射系統(tǒng)的影響,需進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)。

電磁兼容即信號(hào)與干擾共存的能力。首先在電路設(shè)計(jì)時(shí),如微帶電路設(shè)計(jì)、放大器電路設(shè)計(jì)以及走線設(shè)計(jì)時(shí)需考慮此問(wèn)題,其次在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采取措施。具體對(duì)本發(fā)射分系統(tǒng)來(lái)說(shuō),一是功放組件,主要是高頻電場(chǎng)的串?dāng)_,即所謂的腔體效應(yīng),采取的措施如下：各級(jí)放大器電路間隔離；采用微波吸收材料；良好接地等；二是電源模塊,主要是大電流的電磁干擾,采取信號(hào)地、電源地分開接地、合理的走線布局等辦法,達(dá)到抑制干擾的目的；三是線纜間的干擾問(wèn)題,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮合理的走線布局、絞合線及線纜屏蔽等。另外,還需考慮雷擊防護(hù)問(wèn)題。

此外,功放組件的信號(hào)接插與射頻接插不能滿足電磁屏蔽試驗(yàn)要求,因此采取增加屏蔽罩的措施。

圖3為電磁屏蔽設(shè)計(jì)方案。

圖3 電磁屏蔽設(shè)計(jì)方案

對(duì)于此雷達(dá)電磁兼容需過(guò)五項(xiàng)試驗(yàn),難度最大的為“CE102電源線傳導(dǎo)發(fā)射”與“RE102電場(chǎng)輻射發(fā)射”。電源的干擾抑制是最普遍遇到和十分重要的問(wèn)題。電源干擾包括電子設(shè)備內(nèi)部電源產(chǎn)生的干擾,也包括來(lái)自設(shè)備外部公共電源線的干擾。主要處理的方法，一是輸入端加濾波器,作為電源濾波器應(yīng)考慮共模干擾和差模干擾的濾波；二是電源供電線采用四絞屏蔽線,可能會(huì)改善5 dB左右。圖4為發(fā)射系統(tǒng)CE102指標(biāo)測(cè)試。發(fā)射系統(tǒng)RE102指標(biāo)測(cè)試見圖5。

對(duì)于電場(chǎng)輻射發(fā)射需要對(duì)殼體的孔縫、插頭座、觀測(cè)孔、表頭等開縫、開孔處進(jìn)行有效屏蔽處理,隔離度根據(jù)干擾強(qiáng)度來(lái)決定。插頭座的有效濾波和屏蔽也是十分有效的,最好采用圓形屏蔽插頭座,目前的插頭座的尾部需改成金屬化方可有效,同時(shí)所有插頭座的防潮墊圈應(yīng)改成電磁材料,應(yīng)既防潮又導(dǎo)電起屏蔽作用。射頻插座的密封墊圈及所有插頭座(低頻、射頻)接縫處也應(yīng)同樣采用多層屏蔽處理。

圖5 發(fā)射系統(tǒng)RE102指標(biāo)測(cè)試

1.4 發(fā)射機(jī)的熱設(shè)計(jì)

發(fā)射機(jī)的熱設(shè)計(jì)是發(fā)射結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的最核心部分及難點(diǎn)。熱設(shè)計(jì)的成敗直接影響到發(fā)射機(jī)的性能及可靠性指標(biāo)。根據(jù)元器件工作時(shí)熱流密度的差異,應(yīng)采取不同的冷卻方式,而不同的冷卻方式就意味著不同的安裝形式。采用液冷散熱方式必須解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：一是水冷組件的結(jié)構(gòu)及熱設(shè)計(jì),二是水冷系統(tǒng)的構(gòu)建及其流量的分配。

組件采用間接液體冷卻方式,按環(huán)境溫度50℃,進(jìn)口流體溫度58℃,忽略了自然對(duì)流和熱輻射,器件殼溫最高溫度69.5℃。在模擬中由于忽略了接觸熱阻,實(shí)際情況下接觸熱阻是客觀存在的,只能夠盡量地減小,如采取在發(fā)熱元器件和冷板安裝面之間涂導(dǎo)熱硅脂和軟金屬薄片等措施。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì),接觸熱阻溫升按△t=2℃取值,則冷板的最高溫度Tmax=71.5℃,第2層組件水溫增加2℃,則第2層組件冷板最高溫度Tmax=73.5℃,滿足熱設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。最后根據(jù)要求對(duì)殼體背面水道和殼體內(nèi)腔進(jìn)行半精加工,然后焊上水道蓋板,并充1 MPa氣體進(jìn)行焊縫致密性檢查。圖6為一推四管子水道熱分析模型。

圖6 一推四管子水道熱分析模型

機(jī)柜的熱設(shè)計(jì)主要是管路結(jié)構(gòu)布局及流量分配設(shè)計(jì),主要是根據(jù)結(jié)構(gòu)布局合理安排管路走向及接頭的數(shù)量和位置,采取分配器直接裝于組件插箱的后部。按此布局,每個(gè)電源模塊對(duì)應(yīng)8個(gè)組件?？紤]快接的流量已超過(guò)6 L/min,因此在電源流量分配器需要增加一路泄流管路,流量通過(guò)內(nèi)設(shè)孔板進(jìn)行調(diào)節(jié)。合理分配液冷管路。將液冷管路按組件的數(shù)量和位置進(jìn)行均勻布置,按集-分-集的布局進(jìn)行均勻多級(jí)劃分,以保證各分支沿程壓力的均勻,從而得到流量的均勻分配。該流量分配的關(guān)鍵是液冷分配器的設(shè)計(jì)。

本發(fā)射機(jī)采用分配器、匯集器用于系統(tǒng)流量的分配和匯流。常見的分配器、匯集器為歧管結(jié)構(gòu),如圖7所示。在主管路通徑相對(duì)于支管路通徑足夠大時(shí),可以保證各個(gè)支路有較高的流量均勻性。

圖7 岐管結(jié)構(gòu)的分配器/匯集器安裝位置

2 實(shí)現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)

經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì),本發(fā)射機(jī)達(dá)到了各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的要求。發(fā)射機(jī)已通過(guò)了高低溫、溫度沖擊、隨機(jī)振動(dòng)等環(huán)境實(shí)驗(yàn)考驗(yàn),證明該固態(tài)發(fā)射機(jī)穩(wěn)定可靠,取得預(yù)期的效果。圖8為抽測(cè)行發(fā)射機(jī)的輸出功率測(cè)試結(jié)果。

該發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)如下：

(1) 本發(fā)射分系統(tǒng)為分布式行發(fā)射機(jī)體制,整個(gè)發(fā)射系統(tǒng)輸入輸出信號(hào)近千對(duì)。為了減少陣面導(dǎo)線數(shù)量及傳輸干擾,各模塊的信號(hào)內(nèi)部采用統(tǒng)一的信號(hào)控制器(系統(tǒng)監(jiān)控提供)。系統(tǒng)監(jiān)控通過(guò)422總線方式經(jīng)串口對(duì)各功能模塊進(jìn)行控制、監(jiān)測(cè)。

圖8 行發(fā)射機(jī)高低溫測(cè)試結(jié)果

(2) 對(duì)本發(fā)射系統(tǒng)RF放大鏈采用4個(gè)36V/100A型主電源模塊集中均流供電。這樣可以在壞1個(gè)電源的前提下電源的電流會(huì)迅速調(diào)整,發(fā)射系統(tǒng)仍能正常工作,不影響發(fā)射系統(tǒng)的功率輸出,提高了系統(tǒng)的可靠性。

(3) 根據(jù)組件電磁兼容的經(jīng)驗(yàn),除組件內(nèi)部精心設(shè)計(jì)外,鑒于信號(hào)接插與射頻接插不能滿足電磁屏蔽試驗(yàn)要求,因此采取增加屏蔽罩的措施。

(4) 管路結(jié)構(gòu)布局放棄多接頭、多管路及接頭在機(jī)柜內(nèi)部的形式,采取分配器直接裝于組件插箱的后部,取消了系統(tǒng)內(nèi)部的連接接頭和管路。這減少了管路滲漏的可能,增加了液冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可維性,降低了液體滲漏的概率,同時(shí)保證了設(shè)計(jì)電液的分離。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文就S波段全液冷發(fā)射機(jī)的組成、工作原理及采用的關(guān)鍵技術(shù)作了比較詳細(xì)的闡述。通過(guò)整機(jī)的實(shí)際使用,證明該發(fā)射機(jī)的性能穩(wěn)定、可靠性高。目前該發(fā)射系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于某雷達(dá)上。

[1] Edward D Ostroff, Michael Borkowski, Harry Thomas, James Curtis. Solid-State Radar Transmitters[M]. Artech House, INC. 1985.

[2] 賈中璐, 等. 20kW L波段全固態(tài)雷達(dá)發(fā)射機(jī)[J]. 現(xiàn)代雷達(dá),2004,26(5)：53-55.

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[4] Ph Eudeline, P Perez, J P Lemette. New Generation Low Cost S Band High Power Solid State-Transmitter For Air Traffic Control And Navel Applications Radar[J]. IEE Radar 97,1997(449).

Design of an S-band all-liquid-cooling solid-state transmitter

YOU Jin-guang, YAO Wu-sheng, ZHENG Zhi-qian

(No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088)

A newly developed all-liquid-cooling solid-state transmitter is introduced for the phased array radar. The composition and the working principle of the transmitter system are analyzed with emphasis on the monitoring design technology, the electromagnetic compatibility technology, and the liquid-cooling thermal design technology. The test results indicate that the transmitter can satisfy the requirements of each technical specification.

phased array radar; solid-state transmitter; power amplifier module; thermal design

2016-12-12；

2017-01-09

由金光(1978-),男,高級(jí)工程師,碩士,研究方向：固態(tài)發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)與研制；姚武生(1968-),男,研究員,工程碩士,研究方向：發(fā)射系統(tǒng)(電真空發(fā)射機(jī)和固態(tài)發(fā)射機(jī))。

TN834

A

1009-0401(2017)01-0037-05