馬韜

（中國西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036）

綜合通信導(dǎo)航識別(ICNI) 系統(tǒng)是現(xiàn)代作戰(zhàn)飛機(jī)航電系統(tǒng)中重要的組成部分，主要用于提供飛機(jī)與外界的話音和數(shù)據(jù)通信、飛行導(dǎo)航和起降引導(dǎo)以及敵我識別等任務(wù)功能。L 波段功放作為ICNI 系統(tǒng)發(fā)射前端的關(guān)鍵設(shè)備，承擔(dān)著對多種波形進(jìn)行調(diào)制、放大的作用，其性能的優(yōu)劣直接影響著ICNI 系統(tǒng)中各功能的戰(zhàn)技指標(biāo)[1-4]。

該文基于固態(tài)微波功率管，采用平面功率合成技術(shù)以及多波形調(diào)制技術(shù)，并結(jié)合高效的散熱設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一種機(jī)載平臺的小型化L 波段脈沖功放，工作頻率范圍為900～1 200 MHz，輸出峰值功率大于1200 W，功耗為61 W，質(zhì)量為1.7 kg。

1 總體設(shè)計(jì)

L 波段功放由五個(gè)單元構(gòu)成：射頻功率放大單元、控制單元、發(fā)射耦合單元、接口單元和電源單元，原理框圖如圖1 所示。

圖1 功放原理框圖

控制單元選用CPLD 作為核心控制器件[5]，根據(jù)接口單元所發(fā)指令，完成各種工作模式轉(zhuǎn)換，以及功率、溫度、電壓監(jiān)測等健康管理工作。

接口單元由時(shí)鐘產(chǎn)生電路、LVDS 電平轉(zhuǎn)換電路、FPGA、通用總線控制器、隔離驅(qū)動電路五部分組成，主要實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)通信功能，接收外部的控制指令、上報(bào)狀態(tài)信息、自檢信息以及電子標(biāo)簽。

電源單元由電源EMI 濾波電路、控制電路和DC/DC 轉(zhuǎn)換電路組成，將系統(tǒng)輸入的28 V 電壓轉(zhuǎn)換為模塊內(nèi)部需要的各種高低電壓，每路輸出采用不同的變壓器，獨(dú)立控制，獨(dú)立輸出，避免各路之間相互影響。

發(fā)射耦合單元用于校準(zhǔn)系統(tǒng)延遲或環(huán)路自檢。在主發(fā)射通道上，設(shè)計(jì)微帶定向耦合器，耦合得到的信號經(jīng)功分器分成兩路信號，對第一路信號進(jìn)行檢波，檢出信號作為功放自檢和脈寬保護(hù)[6]信號；第二路經(jīng)過固定衰減器、開關(guān)、溫補(bǔ)衰減器，作為發(fā)射耦合信號輸出，用于系統(tǒng)校準(zhǔn)。

2 射頻功放設(shè)計(jì)

射頻功放單元是模塊的核心單元，由分離的腔體和微波固態(tài)功率管搭建而成。通過各級微波功率管的級聯(lián)匹配，并采用平面功率合成技術(shù)[7]，構(gòu)成一個(gè)多模式射頻功率放大器。功放模塊需要兼容塔康[8]、精密測距[9]、航管[10]、IFF[11]四種功能，共有四種工作模式。在四種工作模式下，前三級放大輸出幅度相同，通過改變末級功率管供電電壓來滿足各模式輸出要求。射頻功放單元原理框圖如圖2 所示。

圖2 射頻功放單元原理框圖

功放的第一級放大采用NC31103S-102，在900～1 200 MHz 范圍內(nèi)增益大于20 dB，1 dB 壓縮點(diǎn)為20 dBm，可將0 dBm±2.5 dB 的射頻輸入信號放大到17 dBm以上，后面加一個(gè)7 dB固定π型衰減器，保證第一級輸出大于10 dBm。第二級放大采用WMPM 0913K，增益為28 dB，飽和放大輸出為36 dBm 左右。因?yàn)榈谝患壏糯笃鬏敵龉β蚀笥?0 dBm，所以第二級放大器WMPM0913K 處于飽和狀態(tài)。由于前兩級放大電路的增益高，為了避免自激，在第二級放大輸出端增加一個(gè)隔離器，與后級大信號進(jìn)行隔離。第三級放大采用MRF10031，增益為9.5 dB，第三級放大將功率放大到45 dBm 左右，再經(jīng)過一個(gè)溫補(bǔ)衰減器為末級功放提供44 dBm 的輸出信號。前三級放大鏈路電平分配如表1 所示。

表1 前三級放大鏈路電平分配

由于目前L 波段固態(tài)微波單管最大輸出在700～800 W 之間，為滿足輸出功率大于1 200 W，該文提出了一種基于平面功率合成技術(shù)的兩路功率合成網(wǎng)絡(luò)[12]，如圖3 所示。

圖3 末級多路功率合成框圖

功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)基于等功率分配的微帶形式Wilkinson 功分器[13-14]，并在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)物圖和仿真三維模型如圖4 所示。在經(jīng)過大量的仿真實(shí)驗(yàn)收，最終設(shè)計(jì)出性能優(yōu)異的兩路功分器，在900～1 200 MHz 工作頻帶內(nèi)，Port1 的回波損耗優(yōu)于14.3 dB，Port1 和Port2、Port3 的耦合度優(yōu)于3.3 dB。此結(jié)構(gòu)應(yīng)用于功率合成時(shí)，能夠保證良好的信號傳輸。

圖4 功分器仿真三維模型及實(shí)物圖

合成網(wǎng)絡(luò)中兩條合成鏈路的幅度和相位一致性是平面功率合成技術(shù)的關(guān)鍵和難點(diǎn)。從以下幾方面來控制兩條鏈路的一致性[15]：

①兩條鏈路的微帶電路保證設(shè)計(jì)一致；

②利用ADS 仿真軟件優(yōu)化輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，盡量減少后期調(diào)試工作；

③功放管采用同批次產(chǎn)品，并且保證印制板加工和電路裝配的一致性。

末級放大器采用兩只功率管64092GN 放大合成，其頻率范圍為900～1 200 MHz，單管增益為18 dB，單管輸入41 dBm 信號，輸出59 dBm（800 W）。忽略相位和幅度不一致的影響，可由式（1）計(jì)算出理論合成功率：

式中，Pout為合成輸出功率，Pin為單路輸入功率，N為合成路數(shù)，L為合成網(wǎng)絡(luò)插損。因此可計(jì)算出理論合成功率為61.7 dBm(1 479 W)。

雖然通過上述措施可以將兩條合成鏈路的幅度、相位不一致影響控制到最小，但還是會客觀存在，因此該網(wǎng)絡(luò)合成輸出功率會小于1 479 W。功放合成輸出后會通過一個(gè)插損為0.5 dB 的濾波器，濾掉諧波，所以最終功放模塊輸出功率設(shè)計(jì)值為61.2 dBm（1 318 W）。

3 多波形調(diào)制設(shè)計(jì)

CPLD 控制電路作為控制單元的核心電路，主要完成高斯調(diào)制、COS/ COS2 調(diào)制脈沖生成、各種模式的電源電壓配置及監(jiān)測控制。它根據(jù)接口單元提供指令，生成脈沖波形，再經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換、開關(guān)電路的放大與分配，供給功放模塊的每一級功率管，以及發(fā)射耦合開關(guān)等。

功放模塊包含有四種工作模式，不同工作模式下，末級功率管漏極電壓不同，末級功率管漏極電壓調(diào)制原理如圖5 所示。

圖5 末級功率管漏壓供電電路

功放模塊TACAN、DME/P 兩種模式的供電電路使用同一硬件支路。不同模式下，CPLD 控制產(chǎn)生不同的脈沖經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后形成不同形狀的鐘形脈沖，再經(jīng)過電壓電流放大后供給末級功率管的漏極。TACAN 模式下，末級功率管漏極電壓為高斯調(diào)制脈沖；DME/P 模式下，末級功率管漏極電壓為COS/COS2 調(diào)制脈沖[16]。

功放模塊IFF、ATC 兩種模式的供電電路使用同一硬件支路。不同模式下，CPLD 控制產(chǎn)生不同的脈沖經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后形成不同幅度的電壓，再經(jīng)過電壓電流放大后輸出給末級功率管的漏極。兩種模式下的輸入激勵(lì)信號都是已調(diào)信號，末級功率管的漏極電壓為不同幅度的直流電壓，最終輸出不同幅度的功率。

4 熱設(shè)計(jì)

功放模塊在工作中產(chǎn)生的熱量會在模塊內(nèi)部通過零部件傳導(dǎo)，并通過殼體蓋板與環(huán)境進(jìn)行熱量交換。為滿足模塊的熱設(shè)計(jì)要求，作如下熱設(shè)計(jì)：

①合理布置發(fā)熱器件位置，避免功率較大的器件布置在一起，使模塊熱量分布盡可能趨于均勻，更有利于模塊散熱。對于體積大、發(fā)熱量也大的電源模塊，將其直接固定在模塊殼體上，這樣可以將熱直接傳導(dǎo)到模塊殼體上，通過殼體將熱快速散出；對于信號處理及接口單元電路中發(fā)熱量較大的器件，由于它們裝配在印制板上，熱傳導(dǎo)速度較慢，在裝配時(shí)增加導(dǎo)熱橡膠墊，將發(fā)熱量較大器件的頂部與模塊的蓋板直接接觸，增大熱傳導(dǎo)速率。

②模塊的盒體和蓋板等結(jié)構(gòu)件采用熱傳導(dǎo)性能好的5A06 鋁合金材料。

器件及結(jié)構(gòu)件在環(huán)境溫度+73.5 ℃條件下穩(wěn)態(tài)工作的仿真溫度如圖6 和圖7 所示，此時(shí)在模塊兩側(cè)面具有溫度為73.5 ℃的強(qiáng)迫風(fēng)冷。從仿真結(jié)果可以看出，各主要發(fā)熱器件的穩(wěn)態(tài)溫度均遠(yuǎn)低于器件的結(jié)溫，且主要發(fā)熱器件均沒有超過100 ℃，滿足設(shè)備的可靠性和設(shè)備預(yù)期工作的熱環(huán)境要求，因此該模塊于-55～+73.5 ℃的環(huán)境溫度范圍內(nèi)各功能模塊均可正?？煽窟\(yùn)行，該模塊熱設(shè)計(jì)滿足使用要求。

圖6 +73.5 ℃時(shí)的溫度云圖（正面）

圖7 +73.5 ℃時(shí)的溫度云圖（反面）

5 測試結(jié)果

功放模塊的主要指標(biāo)符合性如表2 所示，實(shí)測值都能滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 功放模塊的指標(biāo)符合性對照表

6 結(jié)論

該文實(shí)現(xiàn)的小型化L 波段脈沖固態(tài)功放測試結(jié)果滿足系統(tǒng)要求指標(biāo)，它具有輕小型化及低功耗的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)多種波形調(diào)制，而且還具備良好的環(huán)境適應(yīng)性，目前已應(yīng)用于某型號機(jī)載平臺，具有一定應(yīng)用價(jià)值。