馬云柱 趙迎超 陳福媛

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

在雷達系統(tǒng)中，發(fā)射機是系統(tǒng)的核心設備之一，大功率和高效率一直是發(fā)射機領域研究的熱點和難點。以GaN為代表的第三代半導體材料MMIC功率器件由于具有更高的擊穿電場，更高的熱導率和更大的功率密度，為研制大功率、高效率的固態(tài)發(fā)射機提供了有力的支持，使得在高頻段實現(xiàn)固態(tài)發(fā)射機替代電真空發(fā)射機成為可能。

文章論述了一種Ku頻段2kW氮化鎵固態(tài)發(fā)射機的設計。闡述了500W發(fā)射組件和平面波導魔T合成器的設計，分析了波導合成器的功率容量和相位一致性對發(fā)射機合成效率的影響，最終實現(xiàn)發(fā)射機輸出功率大于2kW，效率大于22%。該發(fā)射機已經成功應用于某項目替代電真空發(fā)射機，實現(xiàn)了產品的升級換代。

1 總體設計方案

如圖1所示，2kW發(fā)射機主要由一分四同軸功分器，4個500W發(fā)射組件、四路波導合成器、DC/DC電源變換模塊組成。輸入射頻信號經過一分四同軸功分器后分別推動4個500W發(fā)射組件，在保證了4個發(fā)射組件的相位一致性后，通過四路波導合成器輸出，DC/DC電源模塊為4個500W發(fā)射組件提供需要的各種電壓。

圖1 Ku頻段2kW發(fā)射機原理框圖

2 關鍵技術

2.1 500W發(fā)射組件

500W發(fā)射組件的原理框圖如圖2所示，以150W功放模塊為基本單元，采用E-T和H-T組合的四路波導合成輸出，在輸出端設置輸出和反射檢測電路，總控制模塊實現(xiàn)故障檢測和通信，風冷系統(tǒng)實現(xiàn)發(fā)射組件的散熱，提高產品工作的穩(wěn)定性和可靠性。

圖2 500W發(fā)射組件原理框圖

500W發(fā)射組件的實物如圖3所示。外形尺寸為310mm×215mm×205mm。

圖3 500W發(fā)射組件實物照片

在脈沖寬度100μs，占空比20%條件下，在室溫環(huán)境下對4個發(fā)射組件的輸出功率進行了測試。測試數據表明，在工作頻帶內，4個發(fā)射組件的峰值輸出功率均大于530W，最大功率起伏小于0.5dB。

2.2 波導功率合成網絡

2.2.1 平面波導魔T四路合成器設計與仿真

波導合成器由于功率容量高、損耗小，是大功率合成首選的方案。波導魔 T的兩個輸入端口之間具有高的隔離度，有效減少了其輸入端口之間的干擾。但是傳統(tǒng)的魔 T體積大，調配元件復雜，裝配難度大，本文采用平面型魔T一定程度上解決了傳統(tǒng)魔T的尺寸較大的問題，減小了裝配難度，而且可以實現(xiàn)低插損、高隔離度。模型和仿真結果如圖4和圖5所示。

圖4 平面波導魔T四路合成器仿真模型

圖5 平面波導魔T四路合成器仿真結果

仿真結果表明在設定的頻率范圍內，平面波導魔T四路合成器電壓駐波比小于1.15，插入損耗小于0.15dB。滿足功率合成的工程需求。

2.2.2 功率容量計算

矩形波導功率容量的計算公式為

(1)

其中：、、的單位為cm；為波導的輸入駐波系數。

若波導系統(tǒng)中為空氣或真空，(波阻抗)為3767Ω，(空氣的擊穿強度)為30kV/cm，帶入后得

(2)

將=158cm，=079cm,帶入公式(2)，=55kW(=1)，功率容量滿足工程設計需求。

如圖6所示，仿真結果驗證了理論分析，在總口魔處在4個功分口同時饋入500W等相功率后，功分器內部電場最強值為：113×10V/m，低于空氣擊穿場強29×10V/m。

圖6 從4個分口饋入500W等幅等相功率時電壓分布情況

2.3 相位一致性對合成效率的影響

在成功實現(xiàn)500W發(fā)射組件和四路平面波導魔合成網絡后，四路發(fā)射組件之間的相位一致性就成為影響發(fā)射機最終合成效率的關鍵，由于四路功率合成的情況也可以由兩路的情況推導而出，所以下面以兩路功率合成來分析幅相不平衡度對合成效率的影響。合成效率計算公式為式(3)。

(3)

其中，=為幅度不平衡度；Δ=|-|為相位不平衡度。

不考慮幅度對合成效率的影響(=1)，表2 列出了相位不平衡度和合成效率的關系。

表1 4個發(fā)射組件常溫下輸出峰值功率測試數據

表2 相位不平衡度和合成效率的關系

由表2可以看出，相位不平衡是影響合成效率的關鍵因素之一，4個500W發(fā)射組件的相位一致性如表3所示。

表3 選用的4個發(fā)射組件相位測試(以4#為基準)

可見4個發(fā)射組件的相位一致性較差，為了提高合成效率，通過在合成器功分端口加波導墊片調節(jié)4個發(fā)射組件的相位。調整后的相位測試如表4所示。

由表4可以看出，調整后4個發(fā)射支路同頻點相位起伏小于13°，大大改善了4個發(fā)射組件之間的相位一致性。

表4 調整后的4個發(fā)射組件相位一致性測試

3 2kW發(fā)射機的設計和實測結果

經過充分的理論分析和仿真計算，依據圖1原理框圖設計的2kW氮化鎵固態(tài)發(fā)射機的實物測試照片如圖7所示。

圖7 發(fā)射機實物測試照片

在脈沖寬度100μs，占空比20%條件下，對發(fā)射機在室溫環(huán)境下的主要性能進行了測試，輸出功率測試結果和發(fā)射機效率計算數據如表5所示。

可見，在常溫條件下，發(fā)射機帶內輸出峰值功率大于2kW，效率大于22%，輸出功率起伏小于0.45dB，根據表1和表5的測試結果，經計算發(fā)射機的合成效率大于93%，主要技術指標達到國內領先水平。

表5 發(fā)射機輸出功率測試數據

4 結束語

本文介紹了一種Ku波段2kW氮化鎵固態(tài)發(fā)射機的設計，采用多種形式的功率合成方式，在Ku頻段實現(xiàn)了峰值輸出功率大于2kW，效率大于22%。并成功應用于某項目替代電真空發(fā)射機，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性，實現(xiàn)了產品的升級換代。