李 猛

海華電子企業(yè)（中國(guó)）有限公司，廣東 廣州 510656

0 引言

在固態(tài)雷達(dá)發(fā)射機(jī)應(yīng)用過(guò)程中，要向著更高的頻率方向發(fā)展，打造更加科學(xué)的功率合成處理模式，發(fā)揮相應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的和諧統(tǒng)一。

1 固態(tài)雷達(dá)發(fā)射機(jī)概述

目前，較為常見(jiàn)的固態(tài)雷達(dá)發(fā)射機(jī)主要分為集中合成式全固態(tài)發(fā)射機(jī)和分布式空間合成有源相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射機(jī)兩類(lèi)，不同結(jié)構(gòu)具有差異化特點(diǎn)，且對(duì)應(yīng)的應(yīng)用環(huán)境和優(yōu)勢(shì)作業(yè)也不盡相同，需要依據(jù)實(shí)際情況和需求選取適配的設(shè)備。

1.1 集中合成式全固態(tài)發(fā)射機(jī)

集中合成式全固態(tài)發(fā)射機(jī)的主要元件是功率放大組件，利用微波合成技術(shù)就能實(shí)現(xiàn)并行合成和輸出，并有效滿(mǎn)足系統(tǒng)限制性要求（見(jiàn)圖1）[1]。

圖1 集中合成式全固態(tài)發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)

相較于傳統(tǒng)的真空微波管發(fā)射機(jī)，集中合成式全固態(tài)發(fā)射機(jī)無(wú)須對(duì)陰極進(jìn)行加熱就能完成啟動(dòng)，并且設(shè)備的使用壽命長(zhǎng)，不產(chǎn)生陰極加熱功率消耗等。其功率模塊參數(shù)在電壓參數(shù)以下（被控制在50 V以下），因此無(wú)須配置體積較大的高壓電源或者防護(hù)X射線(xiàn)，這就極大地提升了其應(yīng)用的便捷性。與此同時(shí)，集中合成式全固態(tài)發(fā)射機(jī)的應(yīng)用模塊都是C類(lèi)放大器工作狀態(tài)，配合高電壓脈沖調(diào)制器就能完成處理工序，整體瞬時(shí)帶寬數(shù)值能達(dá)到20%～50%。另外，集中合成式全固態(tài)發(fā)射機(jī)在雷達(dá)接收或信號(hào)處理的過(guò)程中會(huì)應(yīng)用脈沖壓縮匹配濾波器，這就能更好地提升檢測(cè)的實(shí)效性及距離分辨力[2]。

1.2 分布式空間合成有源相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射機(jī)

分布式空間合成有源相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射機(jī)主要包括固態(tài)功率放大器、環(huán)行器、限幅器、低噪聲放大器等基礎(chǔ)元件，配合邏輯控制器和內(nèi)部監(jiān)測(cè)電路元件就能打造完整的應(yīng)用模式（見(jiàn)圖2）。

圖2 空間合成相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)圖

一方面，有源相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射機(jī)的發(fā)射機(jī)、天線(xiàn)結(jié)構(gòu)之間劃分界限并不明顯，因此，末端T/R功率放大組件輸出的對(duì)應(yīng)功率就能對(duì)天線(xiàn)輻射單元予以直接處理和控制，整體結(jié)構(gòu)緊湊的同時(shí)，更好地避免了饋線(xiàn)引入造成的損耗問(wèn)題，為發(fā)射功率的優(yōu)化提供保障[3]。

另一方面，有源相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射機(jī)本身能實(shí)現(xiàn)全模塊化，在應(yīng)用過(guò)程中，T/R組件模塊和放大器電源模塊能更好地輔助相關(guān)工作的開(kāi)展，維持良好的應(yīng)用環(huán)境。與此同時(shí)，發(fā)射機(jī)本身能實(shí)現(xiàn)故障指示及工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)性動(dòng)態(tài)檢測(cè)，確保能將故障區(qū)間隔離在替換單元，從而迅速排除故障，不會(huì)對(duì)整個(gè)設(shè)備應(yīng)用運(yùn)行效率產(chǎn)生影響。

除此之外，有源相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射機(jī)本身具有故障弱化的特性，且設(shè)備運(yùn)行可用度較好，能利用簡(jiǎn)單的操作模式完成開(kāi)關(guān)控制，并且配合快速故障處理單元，真正實(shí)現(xiàn)了多元系統(tǒng)化管理的目標(biāo)。

2 固態(tài)雷達(dá)發(fā)射機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

在固態(tài)雷達(dá)發(fā)射機(jī)應(yīng)用過(guò)程中，要整合具體技術(shù)應(yīng)用要求和方案，從而確保整體應(yīng)用體系的合理性和科學(xué)性。

2.1 微波功率放大組件設(shè)計(jì)和阻抗技術(shù)

在固態(tài)雷達(dá)發(fā)射機(jī)中，功率放大組件是非常關(guān)鍵的技術(shù)單元，要實(shí)現(xiàn)功率晶體管和阻抗數(shù)值的匹配，并在此基礎(chǔ)上達(dá)到匹配網(wǎng)絡(luò)功率合成處理的目的。因?yàn)槲⒉üβ示w管的輸入阻抗數(shù)值和輸出阻抗數(shù)值都較低，并且具有一定的抗性，所以，功率相加設(shè)備等基礎(chǔ)傳輸線(xiàn)的特性阻抗數(shù)值都要選定在50 Ω左右。典型放大器的設(shè)計(jì)要以降低耗能、低成本等作為核心，確保能為晶體管創(chuàng)設(shè)良好的源阻抗和負(fù)載阻抗應(yīng)用平臺(tái)[4]。

在技術(shù)應(yīng)用體系內(nèi)，無(wú)論是集中合成式全固態(tài)發(fā)射機(jī)還是分布式空間合成有源相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射機(jī)，功率放大組件都會(huì)設(shè)置在C類(lèi)狀態(tài)。也就是說(shuō)，并不需要匹配真空放大器需要的調(diào)制設(shè)備，在高頻信號(hào)滿(mǎn)足晶體管放大器輸入端數(shù)值的基礎(chǔ)上就能實(shí)現(xiàn)有效的反向偏置電壓處理，保證晶體管的導(dǎo)通狀態(tài)，相匹配的放大器也能同步工作。在脈沖信號(hào)輸入后，數(shù)值會(huì)逐漸上升，一直到達(dá)脈沖頂部，然后沿著脈沖信號(hào)持續(xù)一段時(shí)間，此時(shí)放大器晶體管的工作狀態(tài)會(huì)從呈現(xiàn)出“截止—線(xiàn)性—飽和—再截止”，輸入輸出阻抗呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)化變化趨勢(shì)，尤其是輸入阻抗數(shù)值的變動(dòng)。借助關(guān)機(jī)時(shí)接近無(wú)窮大的電壓駐波比，能建立輸入阻抗的實(shí)時(shí)性匹配，直至開(kāi)機(jī)，完成匹配。

除此之外，放大器的負(fù)載阻抗會(huì)呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，并且其整體趨勢(shì)動(dòng)態(tài)參數(shù)和放大器輸入信號(hào)電平呈現(xiàn)出一致性，放大器輸出信號(hào)的相位也會(huì)形成不同程度的作用。需要注意的是，設(shè)計(jì)固態(tài)功率放大器要綜合考量放大器之間相位的一致性，并且綜合評(píng)估相關(guān)參數(shù)，以維持整體技術(shù)應(yīng)用的規(guī)范性和科學(xué)性。例如，假設(shè)兩個(gè)放大器輸出信號(hào)的實(shí)際場(chǎng)強(qiáng)參數(shù)相同，都設(shè)定為E，但是相位存在差異，且對(duì)應(yīng)的相位差用△φ表示，則放大器的輸出信號(hào)兩者之和并不完全等于2E，而是2E×cos(△φ÷2)，對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)功率為[2E×cos(△φ÷2)]2，這就說(shuō)明在整個(gè)信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程中依舊存在明顯的功率損失[5]。

2.2 CAD技術(shù)

應(yīng)用計(jì)算機(jī)優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)技術(shù)能更好地完成功率放大器匹配電路設(shè)計(jì)工作，特別是在明確晶體管阻抗參數(shù)后，就能選取匹配的拓?fù)錂C(jī)構(gòu)和初始數(shù)值，選取優(yōu)化方法就能完成文件的運(yùn)行。結(jié)合運(yùn)行結(jié)果終止運(yùn)行過(guò)程，并依據(jù)具體要求對(duì)文件配置的相關(guān)參數(shù)內(nèi)容予以實(shí)時(shí)性控制，從而從最大程度上提高結(jié)果的優(yōu)化效果，匹配最優(yōu)項(xiàng)。具體設(shè)計(jì)流程如下。

（1）創(chuàng)建工程文件。結(jié)合高頻電路仿真優(yōu)化的應(yīng)用要求和標(biāo)準(zhǔn)，完成頻率控制模塊的建立和分析處理，并且有效輸入工作頻率，結(jié)合實(shí)際需求設(shè)置對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)。文章選取的工作頻率為1.2～1.4 GHz，對(duì)應(yīng)的步進(jìn)頻率為50 MHz[6]。

（2）設(shè)立輸入輸出端口。假設(shè)端口a是50 Ω的信號(hào)源阻抗，匹配特性阻抗的參數(shù)要求也要滿(mǎn)足50 Ω，從而保證對(duì)應(yīng)匹配度符合標(biāo)準(zhǔn)；端口b是晶體管輸入端，也被稱(chēng)為負(fù)載端，此時(shí)要結(jié)合負(fù)載模塊進(jìn)行處理，輸入晶體管的阻抗參數(shù)。另外，要參考?xì)v史電路模型內(nèi)容，輸入匹配電路拓?fù)鋱D，完成三級(jí)階梯阻抗變換結(jié)構(gòu)的處理工作。除此之外，要結(jié)合放大器允許的物理尺寸和拓?fù)潆娐氛{(diào)整可能性，匹配滿(mǎn)足應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的介質(zhì)材料，建構(gòu)元件模型，若是放大器允許的尺寸較大，則一般選取低介電常數(shù)的板型材料[7]。

（3）變量定義。為了保證綜合處理效果，要對(duì)需要優(yōu)化的元件參數(shù)予以變量定義分析，提升優(yōu)化效率?？蓪?duì)變量設(shè)定初值，從而更好地維持輸入匹配電流的規(guī)范性，配合優(yōu)化變量分析，實(shí)現(xiàn)三級(jí)階梯阻抗拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，維持整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用效果。與此同時(shí)，要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況選取適當(dāng)?shù)膬?yōu)化目標(biāo)，如選擇端口a向阻抗變換電路的輸入駐波作為優(yōu)化對(duì)象，優(yōu)化目標(biāo)就是增加其頻率。

（4）仿真優(yōu)化。在獲取優(yōu)化命令后，需要對(duì)電路的整體結(jié)構(gòu)予以?xún)?yōu)化處理，并且維持優(yōu)化過(guò)程的科學(xué)性和動(dòng)態(tài)性。在獲取元件數(shù)值或者接近極限數(shù)值時(shí)，需要對(duì)取值范圍進(jìn)行適當(dāng)調(diào)控，從而滿(mǎn)足應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)；也可以借助手動(dòng)控制的方式，集中分析參數(shù)數(shù)值，并且獲取優(yōu)化參數(shù)結(jié)果。在完成多次優(yōu)化迭代工作后，得出最優(yōu)結(jié)果。

2.3 微波功率合成器技術(shù)

在固態(tài)發(fā)射機(jī)應(yīng)用控制過(guò)程中，輸入功率會(huì)直接分配到不同功率放大器內(nèi)，輸出結(jié)果就會(huì)借助合成器完成迭代處理，因此，功率合成器是各個(gè)功率放大器合成處理過(guò)程中較為關(guān)鍵的微波部件，要匹配較低的損耗和較為合理的駐波參數(shù)，并且能承載較高的功率[8]。首先，在并饋N路分配器/合成器的過(guò)程中，基本的單元就是兩路功率單元，分別為功率分配器電路和合成器電路，主要包括耦合線(xiàn)定向耦合器、分支線(xiàn)定向耦合器和環(huán)形電橋定向耦合器等，配合四端口定向耦合處理機(jī)制，就能完成輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的方向性評(píng)估。并且，對(duì)應(yīng)的端口期間均在同一條中心線(xiàn)上，電路的結(jié)構(gòu)也能實(shí)現(xiàn)對(duì)稱(chēng)處理。分析方式就是借助奇數(shù)、偶數(shù)分析處理方式，完成三端口網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用工作。其次，并饋合成結(jié)構(gòu)的整體模式也較為簡(jiǎn)單，但是由于級(jí)聯(lián)的關(guān)系使得功率流經(jīng)的電路較長(zhǎng)，必然會(huì)增加損耗，加之合成/分配端口的實(shí)際應(yīng)用數(shù)量有限，需要配合二進(jìn)制對(duì)稱(chēng)的方式進(jìn)行操作，使得一部分工序反而更加煩瑣?；诖?，在原有結(jié)構(gòu)模式應(yīng)用方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行串饋合成結(jié)構(gòu)的處理，能有效結(jié)合功率合成、分配等，極大地節(jié)省放大器和耦合器的數(shù)量，也能減少能耗[9]。

2.4 熱設(shè)計(jì)處理

要想提升固態(tài)雷達(dá)發(fā)射機(jī)的應(yīng)用效率，就要提升功率晶體管的應(yīng)用效能，這就要求設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中關(guān)注結(jié)溫參數(shù)的變化。晶體管的失效率及晶體管內(nèi)部工作溫度都需要評(píng)估結(jié)溫參數(shù)，尤其是晶體管的最高結(jié)溫，其增加10 ℃，設(shè)備的壽命就會(huì)減少一半?；诖?，要整合具體應(yīng)用環(huán)境和參數(shù)控制規(guī)范，滿(mǎn)足良好的應(yīng)用要求。通常而言，制造廠(chǎng)家提出的器件最高結(jié)溫是200 ℃，若器件工作結(jié)溫超出設(shè)定的額定數(shù)值，雖然短時(shí)間內(nèi)器件不會(huì)損傷，但會(huì)對(duì)其長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用的可靠性產(chǎn)生影響。基于此，要對(duì)絕對(duì)最高結(jié)溫予以約束和控制，維持安全性和可靠性。

目前，在實(shí)際應(yīng)用中，常利用紅外熱成像設(shè)備進(jìn)行結(jié)溫的實(shí)時(shí)性測(cè)量分析，在不封蓋的情況下評(píng)估晶體管也是較為常見(jiàn)的方式。要想有效降低結(jié)溫，就要維持散熱器和外界的熱通路完整性，合理控制散熱途徑上的材料和結(jié)合界面。例如，針對(duì)串聯(lián)電路，若是整個(gè)通路模式中存在高阻性元件，熱流會(huì)出現(xiàn)被阻擋的情況，此時(shí)結(jié)溫就會(huì)升高。

微波功率晶體管要選取高導(dǎo)熱材料。功率晶體管結(jié)構(gòu)較為特殊，其本身存在熱時(shí)間常數(shù)，使得結(jié)溫會(huì)隨著晶體管工作脈沖寬度的增高而逐漸上升，因此，要依據(jù)晶體管手冊(cè)對(duì)最大工作比和最大工作脈沖寬度等進(jìn)行嚴(yán)格設(shè)計(jì)和分析，確保處理效果符合應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。另外，功率晶體管內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了晶體管內(nèi)存在相互干擾的熱錐區(qū)，且溫度場(chǎng)較為復(fù)雜，為了維持應(yīng)用效果的規(guī)范性，需要整合具體要求和標(biāo)準(zhǔn)，確保相應(yīng)操作的合理性。

3 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，在固態(tài)雷達(dá)發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要關(guān)注關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，建立健全更加系統(tǒng)化的技術(shù)處理方案，整合技術(shù)要求，保證應(yīng)用效果符合預(yù)期，從而發(fā)揮設(shè)備的優(yōu)勢(shì)作用，為固態(tài)雷達(dá)發(fā)射機(jī)的應(yīng)用發(fā)展提供保障。