謝金祥，黃小偉，朱 斌，李 莉

（南京電子技術研究所，江蘇 南京 210039）

引 言

發(fā)射機是雷達的“心臟”，其性能的好壞直接影響到雷達整機系統(tǒng)的性能和質量[1]。結構設計的優(yōu)劣不僅會影響發(fā)射機的可靠性，還會直接影響用戶的使用體驗。目前，對大功率固態(tài)發(fā)射機結構設計的研究局限在不同平臺發(fā)射機的結構強度設計和熱設計兩方面[2-3]，對由連接器選型不合理或饋電結構連接不可靠造成的打火、電磁泄露等影響設備可靠性的問題研究較少。另外，固態(tài)發(fā)射機系統(tǒng)復雜，調試、運行和維護過程中人員介入程度深，常規(guī)風冷裝置需要頻繁除塵，工作量大，加之風冷設備的噪聲問題，用戶體驗不佳。本文針對上述問題，結合工程應用實際，提出解決方案，提高了設備的可靠性，提升了用戶體驗。

1 總體方案

如圖1所示，典型的大功率固態(tài)發(fā)射機將輸入的小功率射頻信號經(jīng)多級放大鏈路放大，然后通過分配合成網(wǎng)絡合成大功率射頻信號輸出。電源系統(tǒng)為發(fā)射機提供能量輸入，控制與保護電路控制發(fā)射機的工作并實行健康監(jiān)測，提供過壓、過流和過溫保護。

圖1 典型大功率固態(tài)發(fā)射機系統(tǒng)框圖

發(fā)射機的布局遵循模塊化、便于維修和美觀大方的原則。功放與分配器、合成器之間的連線有等長要求，因此盡可能將分配器、合成器布置在功放模塊的中心位置。電源模塊的布置以方便與功放模塊之間的走線為原則。某大功率固態(tài)發(fā)射機布局如圖2所示，根據(jù)雷達服役期間三級維修體制要求[4]，將數(shù)量較多、只能單向維修且需要頻繁更換的末級功放組件和電源模塊設計成應用盲插技術的快速插拔模塊。

圖2 某大功率固態(tài)發(fā)射機布局圖

功率管的選擇是模塊化設計的基礎，優(yōu)先選用最高結溫大、結殼熱阻低、效率高、熱穩(wěn)定性好和性價比高的功率管。表1中某廠商的兩種輸出功率大小不同的功率管在相同使用條件下的效率基本一致，大功率管型的熱流密度是小功率管型的2.4倍左右，這將給系統(tǒng)散熱設計帶來極大壓力。因此，圖2的末級功放中采用3個小功率管合成大功率輸出，以降低熱設計難度。

表1 某廠商兩種管型功率管指標對比

2 大功率互聯(lián)

發(fā)射機內(nèi)部分配合成網(wǎng)絡與放大鏈路之間存在多級大功率互聯(lián)環(huán)節(jié)，其中射頻同軸連接器在傳輸大功率時，既承受高電壓，也有大電流通過。如果選用不當，會造成擊穿、打火、過熱、電磁干擾等故障。因此，從峰值功率、平均功率和屏蔽效能三方面進行大功率射頻連接器選型。

2.1 峰值功率與平均功率

同軸連接器所能傳輸?shù)臉O限峰值功率Pmax可以用公式（1）進行估算。

式中，A為常數(shù)?？梢姡B接器的極限峰值功率與內(nèi)導體尺寸、介質尺寸、介質的材料特性以及頻率應用范圍相關。當單元電路的特性阻抗一定時，內(nèi)導體直徑越大，介質的抗電強度越大，連接器的極限峰值功率就越大。在內(nèi)導體與介質一定的情況下，連接器承受的最大功率隨信號頻率的升高而降低。在脈沖大功率發(fā)射機應用中，脈沖很短，信號瞬時功率大，互聯(lián)主要考慮峰值功率。

連接器傳輸?shù)钠骄β蔖av是峰值功率Pmax與占空比d的乘積：

連續(xù)波發(fā)射機的互聯(lián)著重考慮平均功率。一般來說，在設計選型時應優(yōu)先選擇散熱條件好、耐高溫、接觸電阻小、接觸件彈性好、接觸可靠性高以及電壓駐波比低的連接器[5]。如果連接器傳輸?shù)钠骄β蔬^大，且散熱條件欠佳，就易出現(xiàn)內(nèi)部過熱，導致介質和接觸件變形，從而影響電性能，甚至會發(fā)生內(nèi)、外導體間的短路，嚴重時會燒毀連接器。

2.2 屏蔽效能

一般用屏蔽效能S來度量連接器的屏蔽性能，用分貝（dB）計量：

式中：E0（或H0）表示無屏蔽體時空間某點的電場強度（或磁場強度）；E1（或H1）表示有屏蔽體時空間該點的電場強度（或磁場強度）。

常用的螺紋擰緊式SMA（Sub-Miniature A）連接器與盲配型BMA（Blind-Mate A）連接器的使用頻率范圍及耐功率水平相當，內(nèi)導體接觸件的外徑均為0.9 mm。兩型連接器在2～3 GHz頻率范圍內(nèi)采用模式攪拌法[6]實驗測得的屏蔽效能見表2。

表2 兩型連接器屏蔽效能對比

由表2 可見，盲配型BMA 連接器的屏蔽效能明顯低于螺紋擰緊式SMA 連接器。總體而言，在2～3 GHz頻率范圍內(nèi)，隨著頻率的升高，連接器的屏蔽效能有所降低。同時，屏蔽效能一定，功率越大，泄露功率的絕對值也越大。如果射頻同軸連接器的泄露過大，傳輸信號會產(chǎn)生失真、相互干擾等問題，進而影響系統(tǒng)電性能。

圖2所示的發(fā)射機采用低頻段連續(xù)波工作模式，快速插拔模塊末級功放低功率輸入選用BMA盲配型連接器，大功率輸出選用G9盲配型連接器，因盲配型連接器的屏蔽效能相對較低，額外的電磁防護措施仍有必要。

3 電磁防護

影響大功率固態(tài)發(fā)射機電磁兼容特性的主要因素包括功放模塊的腔體效應、孔隙泄露、傳輸線路的不連續(xù)性以及通道間耦合等。結構設計時，從空域和能域兩個維度進行電磁防護。

空域防護就是采用空間分離或空間隔離措施實現(xiàn)電磁屏蔽，避免發(fā)射機與其他電子設備相互干擾。常用的電磁屏蔽材料有導電材料、金屬簧片、金屬絲網(wǎng)、通風波導窗等，如圖3所示。金屬接觸面之間的縫隙采用導電材料（導電襯墊、導電膠條、導電膠、導電涂料等）填充；在機箱、機柜的門中采用金屬簧片能保證開合結構中的電連續(xù)；通風口處安裝屏蔽波導窗可以提升開式結構的屏蔽效能；采用屏蔽護套包裹電纜，提高電纜抗干擾能力。

圖3 常用的電磁屏蔽材料

能域防護就是采用吸波材料對投射到表面的電磁波通過電損耗、磁損耗或介電損耗來消耗電磁波能量而不反射，從而阻止有害能量進入設備內(nèi)部。吸波材料可以制成尖劈狀、平板、液態(tài)膠、涂層等多種不同的形態(tài)。平板形的吸波材料直接粘貼在金屬板上；液態(tài)吸波膠水應用于形狀不規(guī)則空間和小孔填充；吸波涂層應用在大面積的結構表面；復雜異型結構可定制注塑的吸波材料。

4 大電流饋電

大功率發(fā)射機饋電所傳導的電流往往高達幾百安培，一般需多個電源并聯(lián)使用。饋電結構的設計又受空間、環(huán)境等因素的限制，一旦結構不合理，連接不可靠，就易發(fā)生饋電打火，甚至燒毀饋電。

大電流饋電的匯流條常使用導電率優(yōu)良的金屬如黃銅、紫銅等材料制成，以期達到均流效果，并減少直流饋電的壓降。當匯流條的安裝空間受限時，采用導體和絕緣體相間安裝的層疊式結構，如圖4所示。匯流條結構形態(tài)與截面參數(shù)的設計著重考慮其傳輸路徑上的阻抗（電阻、電容、電感）、溫升、電磁兼容特性以及可靠性等因素[7]。

圖4 層疊式匯流條結構示意圖

從設備和人身安全性考慮，匯流條外表面采用具有高電阻和阻燃特性的環(huán)氧、聚氯乙烯或有機硅化合物等絕緣材料包裹。

常規(guī)匯流條為硬質結構，采用銅板折彎或銑削加工成型。當匯流條為復雜構型時，需要拆分成幾個簡單構型零件，再用螺栓連接成型，以降低加工成本。如果連接部位的螺栓未完全緊固或因振動而松動，往往會發(fā)生匯流條打火，引發(fā)故障。

當匯流條的兩個連接部位位置誤差較大，或者需要在固定件與移動件之間進行互聯(lián)時，需要采用柔性連接。常用的柔性連接包括電纜組件、軟母線、金屬編織帶、柔性印制板等，其成型方法與特性如表3所示。

表3 不同柔性連接方式對比

5 抗惡劣環(huán)境設計

5.1 熱設計

風冷大功率固態(tài)發(fā)射機熱設計的主要任務是選擇合理的風機，優(yōu)化風道及冷板結構，將發(fā)射機工作中的損耗熱量帶走，達到降低功率管結溫的目的。

以圖2所示的發(fā)射機為例，發(fā)熱量主要集中在12 個末級功放內(nèi)，每個末級功放選用一只PAPST 6314/2TDHP型軸流風機直接提供冷卻風，機柜頂部后方安裝一臺R6D 450-AN01-01型離心風機，用于把機柜內(nèi)的熱風排出艙外。單個末級功放內(nèi)安裝有3個功率管，功率管焊接在銅板上，銅板通過螺釘與帶翅片的風冷冷板連接。功率管熱傳導路徑如圖5所示。

圖5 功率管傳熱途徑

功率管熱耗為200 W，結殼熱阻為0.2°C/W，按晶體管III級降額要求，功率管結溫應不超過160°C，則殼溫≤結溫?熱耗×結熱阻=160?200×0.2=120°C。

仿真分析的邊界條件如下：供風溫度為50°C，工作環(huán)境溫度為50°C，1個標準大氣壓，冷板選用6063鋁為基板，基板厚5 mm，冷板上焊接高22 mm，厚0.3 mm，間距2.9 mm的鋸齒型翅片。單只功率管熱耗為200 W，功率管尺寸為34.1 mm×9.9 mm，熱流密度為59.2 W/cm2，功率管和銅板的焊接熱阻設為0.05 (cm2·°C)/W，銅板與冷板的接觸熱阻（采用導熱硅脂）設為2(cm2·°C)/W。

圖6中的仿真結果表明，功放組件風冷冷板進出口的壓損約為107 Pa，考慮實際組件內(nèi)其他結構件的遮擋作用以及風道內(nèi)的壓力損失，實際壓降按200 Pa計。風機工作點風量為400 m3/h時，壓頭為220 Pa，滿足使用要求。在供風溫度為50°C時，功率管殼溫最高為109°C，小于120°C，滿足器件的最高工作溫度要求。

圖6 某發(fā)射機熱設計的仿真分析

5.2 除塵設計

在大功率發(fā)射機中，調制管、濾波器、磁芯、線圈、線纜等發(fā)熱器件的外形不平整，一般不易將熱量傳導至常規(guī)散熱器上進行冷卻。含此類器件的單元常采用開放式結構，利用通風機直接抽取外界空氣冷卻其表面。這種發(fā)射機對外圍環(huán)境的空氣潔凈度和濕度要求極高。如果環(huán)境空氣質量較差，大量粉塵、毛絮、蚊蟲等會被通風機直接送入發(fā)射機內(nèi)部，污染發(fā)射機內(nèi)部的印制板、集成電路等。大量的粉塵附著在印制板和電訊器件上，不僅會影響設備的散熱性能，而且會因粉塵中攜帶的潮氣、金屬粉末等附著在器件的引腳上，造成積塵部位絕緣度下降，進而導致電路短路或者器件被擊穿，大大降低了發(fā)射機的可靠性。因此，必須采取相應的除塵措施，以改善工作環(huán)境，從而提高發(fā)射機的可靠性。

如圖7所示，風冷固態(tài)發(fā)射機可以采用串接除塵器和封閉式環(huán)控兩種方法進行除塵。

圖7 發(fā)射機除塵示意圖

5.2.1 串接除塵器除塵

常規(guī)開放式風冷發(fā)射機直接與外部環(huán)境進行穿透式熱循環(huán)。因此，在外界新風進入機房前，采用除塵器自動高效過濾、除塵，阻止外界的灰塵、毛絮、蚊蟲等進入發(fā)射機房內(nèi)部，從而達到凈化機房的目的，避免發(fā)射機內(nèi)部出現(xiàn)積塵。圖7（a）所示的開放式風冷不需要考慮制冷，成本相對較低，實施簡便。只要選擇合適的除塵器，便能夠以較小的代價滿足機房內(nèi)環(huán)境潔凈度要求，解決大功率發(fā)射機的除塵問題。常用的除塵器有過濾式除塵器、靜電除塵器、機械式除塵器、濕式除塵器等[8]。文獻[9]采用袋式除塵和水洗風除塵的多級除塵模式解決了惡劣環(huán)境條件下風冷式全固態(tài)廣播發(fā)射機的除塵問題。

5.2.2 封閉環(huán)控除塵

封閉環(huán)控風冷采用空調設備為發(fā)射機機房提供環(huán)控冷風，維持機房內(nèi)環(huán)境溫度在合理范圍內(nèi)。發(fā)射機與機房內(nèi)的冷空氣進行熱交換，發(fā)射機的熱量通過空調室外機最終耗散到外界大氣中，如圖7（b）所示。在這種方案中，發(fā)射機不直接與外界惡劣環(huán)境進行熱交換，因此室內(nèi)環(huán)境相對潔凈，發(fā)射機內(nèi)積塵較少。

封閉環(huán)控風冷可以實現(xiàn)整機防塵，除塵效果好。但是，封閉環(huán)控的冷卻方式需要同步考慮制冷量，硬件成本高，耗電量大，運行成本高，而且存在室內(nèi)設備體積大和工作噪聲大的缺點。

5.3 降噪設計

大功率固態(tài)發(fā)射機熱流密度大、熱耗高，內(nèi)部需要的風機數(shù)量多、噪聲大，根據(jù)SJ 20134—1992《軍用電子設備噪聲控制要求》，室內(nèi)側工作噪聲應不大于75 dB(A)。圖1所示的發(fā)射機在未采取特別措施的情況下，在發(fā)射機前側1 m處，采用噪聲儀測得的噪聲為84 dB(A)，調試和維修人員的舒適性差，甚至可能危害人員的身心健康。

從風機噪聲產(chǎn)生機理來說，噪聲主要包括空氣動力噪聲和機械噪聲?？諝鈩恿υ肼暭扔酗L機葉片周期性打擊周圍空氣而產(chǎn)生的旋轉噪聲，也包括葉片出口處的邊界層分離脫流而造成的渦流噪聲；而機械噪聲主要由風機制造和安裝過程中的缺陷（如風道和安裝支座的振動、風機轉子不平衡等）引起。在結構設計中采取的對應措施包括：選用可調速的風機，在滿足冷卻需求的條件下，根據(jù)不同工況動態(tài)調整風速，可降低非滿功率工況下的設備噪聲；在進出風口增加整流罩，減弱由空氣不均勻引起的空氣動力噪聲；在發(fā)射機柜、風機與基座之間安裝阻尼減震器以減弱風機振源傳遞給機柜的結構振動。

在聲傳播過程中綜合運用吸聲和消聲進行降噪，主要措施是在發(fā)射機進出風口安裝消聲器，在發(fā)射機機柜內(nèi)壁粘貼吸音棉。消聲器采用小孔消聲器，其原理是當氣流以相同流速向出口排放時，出口直徑越小，產(chǎn)生的噪聲頻率越高。某吸音棉不同厚度的聲吸收性能如圖8所示，噪聲頻率越高，聲吸收性能越優(yōu)。消聲器和吸音棉的綜合應用使降噪效果達到最佳。

圖8 某吸音棉性能

采取上述措施后，在發(fā)射機前側1 m處，采用噪聲儀測得的噪聲降為71 dB(A)。同時從聲接收者角度進行保護，發(fā)射機具備遠程監(jiān)控功能，設置監(jiān)控區(qū)和設備區(qū)，監(jiān)控區(qū)與設備區(qū)之間采用墻、板等進行聲隔離，使設備調試和使用人員盡可能遠離噪聲源，從而提升用戶體驗。

6 結束語

隨著技術的進步，大功率固態(tài)發(fā)射機集成化、小型化、輕量化等要求在逐步提高，影響風冷大功率固態(tài)發(fā)射機穩(wěn)定運行的因素必然日趨復雜。本文提出的方法和措施解決了結構設計中的部分問題，但仍存在一些關鍵技術值得研究。例如，大功率合成器與功放組件一體化設計可以改善電性能并減小系統(tǒng)體積。深入研究大功率盲插、波導盲插、垂直互聯(lián)等技術有助于解決大功率發(fā)射機一體化設計問題，對大功率固態(tài)發(fā)射機集成化、小型化和輕量化設計大有裨益。此外，大功率發(fā)射機采用的冷卻風機風量和壓頭一般較大，風機周期性轉動會對發(fā)射機產(chǎn)生振動干擾。當零件的固有頻率與激振頻率相同時，會產(chǎn)生共振，可能破壞調諧電感等振動敏感器件的工作狀態(tài)，從而影響發(fā)射機的性能，這在工程應用中也需加以充分考慮。