0 引言
在C波段雷达中,使用如速调管、行波管等微波电真空器件设计百千瓦量级雷达发射系统一直是传统的方式,真空管器件具有成本较低的特点、电气性能方面一般也能满足雷达的指标要求。但随着使用需求的进一步提高,雷达发射系统如果需要工作在ms级别脉宽以上,其工作比将超过5%、重复频率高达30 kHz以上、工作的相对带宽超过10%,同时,需要极低的相位噪声来提高抗杂波性能,微波电真空器件就显得力不从心,无法满足全部指标。
目前,C波段雷达百千瓦量级输出功率以上高功率发射系统主要采用两级放大模式,其中第一级为固态低功率放大器,第二级为速调管高功率放大器,由于速调管为微波电真空器件,通常需要15～20 min的启动预热,任务前准备时间长,可靠性不高[1]。近些年来,随着GaN宽禁带半导体器件的迅猛发展,其凭借击穿电场强度高、饱和电子迁移率高、热导率大、介电常数小和抗辐射能力强等特点,能够大幅提升微波功率器件的工作电压、工作频率及功率输出等性能,具有高耐压特性和高功率密度等优势。结合Ku波段全固态雷达发射系统“积木式”结构设计与实现的基础上[2],给出C波段全固态200 kW输出功率量级的雷达发射系统总体设计方案,并解决现阶段雷达的复杂波形对高功率发射系统提出的要求。
1 C波段200 kW全固态发射系统方案
1.1 雷达发射系统的方案组成及工作原理
雷达发射系统的功能是将来自频率综合器的C波段低功率射频激励脉冲信号进行功率放大,输出雷达系统所需的脉冲功率微波信号,经天馈系统,向空间辐射,对目标进行探测。因为航天测量雷达需要使用较复杂的波形,所以对发射系统提出了较高的要求,其技术指标如下:
1)频率范围及带宽:5～6 GHz内的500 MHz;
2)发射系统峰值输出功率:不小于200 kW;
3)工作脉冲宽度:0.8～1 000 μs;
4)工作比:≤5%;
5)脉冲重复频率:100 Hz～20 kHz;
6)脉冲前后沿:前沿≤0.1 μs、后沿≤0.15 μs;
7)顶降:≤0.5 dB;
8)功率稳定度:优于0.5 dB;
9)连续工作时间:6 h。
经统计本发射系统输出功率较大,且脉宽宽、占空比大,故采用4部子发射系统功率合成的方式,每部子发射系统输出功率不小于64 kW,发射系统的组成框图如图1所示。来自频综的射频激励信号,经过射频电缆送到前级固放组件;来自主控计算机的发射系统同步信号,经过电缆送到发射系统柜的前级固放组件和每部子发射系统。频综输入的小功率微波信号首先经过一个前级固放组件输出不小于200 W的功率,然后经过1∶4功率分配器分别推动4个64 kW子发射系统,最后经过4∶1功率合成器进行功率合成,输出不小于200 kW的峰值功率,此即为发射系统向天线馈送的功率状态输出信号,然后经波导馈线等送往天线向外辐射。用液冷装置对发射系统进行冷却,将设备内部温度控制在合理范围内,确保系统稳定可靠地工作[3]。发射系统采用直流供电的方式,输入的稳定直流电压分别由前级固放组件和每个子发射系统中的AC/DC电源产生。
图1 C波段200 kW雷达发射系统组成框图
Fig.1 Composition of C-band 200 kW radar transmitter
1.2 前级固放组件原理
前级固放组件由1个一分二功率分配器,2个激励级200 W固放组件,1个前级双工选通模块组成,通过双工选通功能使得前级模块一个工作,一个处于热备份状态,从而提高系统可靠性。前级固放组件的组成框图如图2所示。频综输出约10 dBm的射频信号首先需要经过一分二选通开关,用于作为激励级200 W固放组件的激励信号。
图2 前级固放组件原理
Fig.2 Principle of Front stage fixed component
前级固放组件中一分二选通开关选择的频综输出的10 dBm信号,首先推动1个GaN单片微波放大器输出2 W的功率,再推动1只8 W输出功率的GaN放大器,然后输出的功率经过1个1∶4功率分配器,每路输出1.5 W,然后分别输入到4只8 W放大器;4只8 W放大器分别推动4只60 W放大器,最后经四合一功率合成器合成得到不小于200 W的输出峰值功率。激励级200 W固放组件原理,如图3所示。
图3 激励级200 W固放组件原理
Fig.3 200 W fixed discharge excitation componen
合成器采用微带方式实现,合成口输出为N型口,假设合成效率最低为85%,这样可以合成输出不小于200 W的功率,满足激励级固放组件的设计指标要求。每个激励级200 W固放组件通过设计合理的模块体积和散热结构,能够在水冷的条件下,满足要求。
每个微波场效应管放大器采用漏极调制的脉冲工作方式,漏极调制器采用场效应管做调制开关。控保组合同步器送来的同步脉冲,分别送到各个放大器的调制器,用于驱动调制器工作。
加电控制保护电路用于微波管的加电顺序控制,加电时先加栅级电压,后加漏极电压。
组件内部的BIT模块是其重要的组成部分,它包括3种状态的监测:第一,模块的温度监测;第二,模块内微波场效应管工作电压监测;第三,模块的输出功率监测。
激励级200 W固放组件内部包含一个AC/DC电源,用于将低压电源组合输出的直流电压转换成组件的微波管所需的-5 V、+10 V等稳定电压。
1.3 功率分配器
前级固放组件输出功率经过四路功率分配器后驱动每个60 kW子发射系统,由于前级固放组件输出功率较小,故发射系统的1∶4功率分配器采用微带形式即可满足要求。
1.4 功率合成器
4∶1功率合成器是整个200 kW全固态发射系统的关键技术,其主要指标是每路的插入损耗,相位幅度一致性,各端口的驻波系数,各分端口之间的隔离度、承受功率等。
由于输出峰值功率较高,所以需采用波导高功率合成器的形式,并且波导内部需要充入适当气压的干燥空气,保证高功率在波导内传输时不发生打火,因此也需要在合成器的4个输入口加装水冷形式的密封窗[4]。合成器的电路采用高功率电桥,利用HFSS软件制作单个电桥的仿真模型,如图4所示。单个电桥的仿真结果如图5、图6所示。从结果可以看出,单电桥插损不超过-3dB。电桥各个端口回波损耗和驻波满足一致性指标需求。
图4 单电桥仿真模型
Fig.4 Single bridge simulation model
图5 电桥插损仿真结果
Fig.5 Simulation results of bridge insertion loss
图6 电桥端口回波损耗仿真结果
Fig.6 Simulation results of bridge port return loss
2 64 kW雷达子发射系统的系统设计
2.1 雷达子发射系统组成
64 kW子发射系统是整个系统的重要部分,64 kW子发射系统原理,如图7所示。来自发射系统1∶4功率分配器的微波激励信号,经过射频电缆送到每一个子发射系统的激励级放大功分组件;来自主控计算机的发射系统同步信号,通过电缆传输到激励级放大功分组件和末级5 kW固放组件。
图7 64 kW雷达子发射系统原理
Fig.7 Principle of 64 kW radar sub transmitter
发射系统1∶4功率分配器输出的微波信号首先经过一个激励级放大功分组件,此组件首先将输入的小功率连续波微波信号放大到200 W,然后通过1∶16功率分配器平均分成16路,每路输出不小于10 W;激励级放大功分组件的每一路10 W输出功率分别推动16个末级5 kW固放组件,最后经过16∶1波导高功率合成器进行功率合成,输出不小于64 kW的峰值功率。子发射系统中的激励级放大功分组件和末级5 kW固放组件的工作状态信息可通过组件内部BIT模块进行监测,并通过CAN总线输出到主控计算机。激励级放大功分组件和末级5 kW固放组件采用直流供电的方式,发射系统AC/DC输出稳定的直流电压,分别供给激励级和末级固放组件。液冷系统送出的冷却水对激励级放大功分组件和末级5 kW固放组件进行冷却,将其的温度控制在合理范围内,确保稳定可靠工作。激励级200 W固放组件的组成及原理与前述前级固放组件中的激励级200 W固放组件相同,相比之下只是减少了前面的小功率推动级,而是直接使用8 W功率进行推动,最后输出200 W的功率。在此不再进行赘述。1∶16功率分配器同前述的1∶4功率分配器一样,也采用微带形式即可满足要求。
2.2 末级5 kW固放组件
末级5 kW固放组件采用GaN微波场效应管,单只固态微波放大管额定输出功率是400 W,末级采用双面电路的结构形式,每一面电路均由8路GaN微波管功率合成来实现,总输出口为BJ58波导形式。末级固放组件电路设计,如图8所示。
图8 末级固放组件电路
Fig.8 Final stage fixed amplifier component circuit
前级固放组件输出的200 W功率信号经过1∶16功率分配器后,将信号分为16路,考虑到分配器及电缆的损耗,分配器每路输出约10 W的功率,然后用于推动各个末级5 kW固放组件。在末级组件的输入口,首先1∶16功率分配器的其中一路输入的10 W的信号通过一个功率放大模块后输出不小于120 W的功率,然后通过1∶2功率分配器将信号分成两路,每路输出约50 W功率,分别推动末级5 kW固放组件的上层和下层;每层输入的信号首先经过1∶2功分器分别推动两只200 W放大器,然后输出的功率分别输入到2个1∶4功率分配器,分别输入到8只400 W放大器,然后经过2个4∶1合成器进行功率合成;最后末级固放组件双面电路总共16只400 W放大器经过四合一功率合成得到不小于5 kW的峰值输出功率。
根据总输出功率不小于60 kW的指标要求,采用16个末级5 kW固放组件进行功率合成,合成器最后采用高功率波导合成方式实现,合成口输出为标准BJ58波导。假设合成效率最低为80%,这样可以合成输出最低64 kW的功率,满足设计指标要求。每个末级5 kW固放组件通过设计合理的模块体积和散热结构,能够在水冷的条件下,满足要求。每个微波场效应管放大器采漏极调制的脉冲工作方式,漏极调制器采用场效应管做调制开关。控保组合同步器送来的同步脉冲,分别送到各个放大器的调制器,用于驱动调制器工作。
加电控制保护电路用于微波管的加电顺序控制,加电时先加栅级电压,后加漏极电压。组件内部的BIT自检模块包括:模块的温度监测、模块内微波场效应管工作电压监测、模块的输出功率监测共3种状态的监测。
低压电源组合输出的各种稳定直流电压,送到各个末级5 kW固放组件,用于提供组件的微波管所需的栅极、漏极电压以及BIT模块所需的电压。末级5 kW固放组件采用液冷方式进行冷却散热。组件后端安装有液冷自封接头以及组件供电和控制监测信号用撞击式插座,组件前端为输入激励同轴插座和输出功率波导接口,组件可从子发射系统的前部插拔,安装拆卸方便。
2.3 C波段隔离器
C波段隔离器用于末级5 kW固放组件和16路合成器的连接,主要功能是实现末级固放组件与合成器的隔离,保护末级固放组件在某路发生故障时,其相邻路不受损坏。隔离器设计指标为:峰值功率容量不小于6 kW,平均功率容量不小于1 kW;全频带内正向损耗不大于0.2 dB,反向回波损耗不小于20dB。
2.4 波导高功率合成器
16∶1波导高功率合成器是子发射系统的关键技术,也是高功率全固态发射系统的关键器件。其主要指标是每路的插入损耗,相位/幅度一致性,各端口的驻波系数,各分端口之间的隔离度、承受功率等等。由于合成的每个末级5 kW固放组件的功率较大,并且其输出口为波导形式,所以合成器的形式需采用基于波导的电路组成结构,采用4个四合一波导电桥和1个四合一径向功率合成器的结构,四合一波导电桥仿真模型分别如图9、图10所示。
图9 四合一波导电桥合成器模型
Fig.9 Model of 4∶1 Waveguide Bridge Synthesize
图10 四合一径向功率合成器模型
Fig.10 4∶1 single-diameter to power synthesizer model
本研究中展示设计的十六路合成器,经HFSS软件仿真,在频带内插入损耗最大值为0.7 dB,仿真结果如图11所示,考虑真实的加工影响,可保证合成器的插损不超过1 dB,合成效率不小于80%。
图11 波导合成器仿真结果
Fig.11 Simulation Results of Waveguide Synthesizer
3 发射系统控制保护
发射系统的控制保护作为系统的控制核心,能够通过通信接口接收主控计算机的控制字,完成发射系统系统的开机、关机控制,能够与发射系统的各个模块进行通信,监测各个功率放大器模块的工作状态,实现故障保护;能够将发射同步分配给各个子发射系统的固放组件;能够监测系统的输出功率和驻波;能够将系统的工作状态通过通信进行上报。监测及控制组合主要由控保电路板、同步器板、电源板、输出微波监测组件等组成,其原理框图如图12所示。
图12 监测及控制组合原理
Fig.12 Monitoring and control combination principle
控保电路板带有通信功能,与各个激励级固放组件和末级5 kW固放组件中的信号检测板组成通信网络,控保电路板作为主节点,激励级固放组件和末级5 kW固放组件的BITE模块作为从节点,通过通信接口,控保电路板可以查询系统各个组成部分的工作状态,信号检测板也可以主动上报系统各个组成部分的工作状态。控保电路板将监测到的系统工作状态汇总,再通过通信接口送给主控计算机。
基于天线如果发生异常状况,会造成微波功率的强反射的情况,必须在输出微波链路中增加保护和隔离措施。具体措施是在系统的输出端安装双定向耦合器,耦合出一部分反射驻波送入监测及控制组合,当驻波功率超出门限时由监测及控制组合切断发射同步脉冲和激励信号,进一步切断电源,从而实现保护系统的目的。
4 发射系统电源
发射系统电源采用AC/DC集成电源,用于交流与直流的转换。AC/DC电源采用三相四线交流380 V输入(兼容三相三线),运用移相全桥软开关变换和智能控制等技术,并采用品质优良的元器件进行精心的布局和设计[5]。AC/DC电源直流输出稳定的直流电压,每部子发射系统配备数台,采用数个并联均流的形式提高冗余度。
电源在发射系统的脉间给固放组件内的大容量储能用电解电容进行充电,在脉内进行关闭,只靠储能电容为固放组件内部的微波功率管供电,虽然会引起较大的顶降,但是大大减小了开关电源的纹波,改善了发射系统的相位噪声指标,提高雷达的改善因子[6]。AC/DC电源采用水冷进行散热,具有体积小、质量轻、外型美观、指标优良的特点。
5 结论
C波段雷达200 kW量级的全固态发射系统,在以前的全固态发射系统实践中从未应用过,通其特点可总结如下:
1) 全固态发射系统无需预热时间,相比以前的速调管和行波管发射系统需要15 min左右的预热时间相比,可以即开即用。
2) 全固态发射系统采用了“积木式”的结构形式,可进行单个固放组件的维护,拆装时间短,可维护性强。
3) 全固态发射系统无高压,不存在高压绝缘打火的问题,可靠性高,相比以前需要两套电真空发射系统互为热备份的形式,全固态发射系统单部工作即可。
4) 满足了雷达在各种工作模式(各种重复频率、各种脉宽和各种占空比等)下对输出微波功率的不同需求,即可对发射系统的功率进行编程化处理,增加了雷达的使用灵活性[7]。
5) 随着宽禁带器件的大量普及,固态GaN微波功率管的成本也越来越低,整套发射系统的成本可与两套微波电真空器件互为备份形式的发射系统相比拟,性价比较高。
针对现阶段雷达对高功率发射系统的任务要求,设计C波段雷达200 kW全固态发射系统可满足雷达在复杂波形条件下的标校、捕获、跟踪、测量等需求[8]。本文的工作可对后续全固态高功率发射系统百千瓦量级、小型化、高性价比的设计提供有益的参考。
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