S波段全固態(tài)有源加權(quán)相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射機(jī)

1、| 維普資訊 h ttp:/Juiiiiury 200665現(xiàn)代雷達(dá)Modem| 維普資訊 h ttp:/| 維普資訊 h ttp:/| 維普資訊 h ttp:/s波段全固態(tài)有源加權(quán)相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射機(jī).周斌，鄭新（肅京電子技術(shù)研究所，南京210013）【摘要】介紹了 “種新型的全固態(tài)箱度仙權(quán)榨控陣爲(wèi)達(dá)發(fā)射機(jī)口逐點討論系統(tǒng)設(shè)計、關(guān)鍵件設(shè)計和些工程實踐鏗 驗n希筆對同類發(fā)射機(jī)的設(shè)計恩路有所帝助?！窘言~】發(fā)射機(jī);固來功故;徽波中圈井類號:TN957 .TN958文獻(xiàn)標(biāo)識碼皿Introduction to S-band Solid-state Active WeightedPhased Array R

2、adar TransmitterZHOU Bin,ZHENG Xin(Nanjing Research institute of Eleciroiucs Technology( Nanjing 210013 t Chiinsi)Abstrftct A new solid訓(xùn)日鮭 active weighied 仙曲td array rapdar tramiiter 諒 ontrodued System desjgri, key 收箱日期;2005/48tttHBffi；2005 10-18module design and engineering experiences ite di%cused

3、 in dekaiL It is hoped th皿 ihe design of simHar trarbsmhters would Im?呂對乳eHLKey words trauHmitier;piwer amplifleir; micF&wave| 維普資訊 h ttp:/uefT耙弭IJ臉&瑚懐則轉(zhuǎn)I*護(hù)茂前潮吠-護(hù)也哋-FJ赫她卜1114¥1-功刪忡1T功邂11懺T -pwiSh?1'iI1i1119|I14¥idiT-111I1Iij功嗆世1 -1咖冊M1冷小槍也MC刪牛凹-功肋1加別列j 咖rlo 51 f隨著§波段以F固態(tài)功率

4、器件等的日趨成熟和成 本的大輻度降低以及其他相戈理論和技術(shù)的不斷發(fā) 展，固態(tài)科源相控陣?yán)走_(dá)在全生命周期內(nèi)的性能價格 比方面具有很強的吸引力"為降低天線副瓣電平，捉 高雷達(dá)多種功能下的持殊性糙指標(biāo)，幅度加權(quán)的相控 陣霜達(dá)發(fā)射機(jī)研制出來了。1系統(tǒng)設(shè)計1.1主要技術(shù)指標(biāo)和系統(tǒng)組成全間態(tài)發(fā)射機(jī)主要有集中放大式發(fā)肘機(jī)和分布放 大式發(fā)射機(jī)兩種形式°酣者利用髙功率分配器/合成 雒，將名個大功率功放組件的輸出功率進(jìn)行功率合成, 達(dá)到總的輸出功率要求并由天線集中發(fā)射出去、后 者則由前級放大器驅(qū)動級赦大器和分布在天線陣面 上的多個功放組件進(jìn)行功率放大，每個功放組件的輸 出功率立接通過天線振子單

5、兀發(fā)射出去，多個功放組 件的輸岀功率在牢間進(jìn)行功率合放，達(dá)到總的輸出功 率要求。集中敵大式固卷發(fā)射機(jī)般相對為中小功率 雖級;分布放大式固態(tài)發(fā)射機(jī)的功申可大可小,功率址 級的靈活性大，一般用f有源相控陳雷達(dá)中，優(yōu)點很本雷達(dá)發(fā)射制尿分布枚大式發(fā)射機(jī)工柞在S彼段. 相對帶寬為1凹譏輸出峰值功率達(dá)幾十kW*脈沖寬度及 工作比的可變范圍都比較大*發(fā)射機(jī)大致可分為以下幾 個主要組成部分:前級放大器及保護(hù)電路、馳動級功率放 大器組件、有源陣血上的發(fā)肘功率放大器組件、大功率開 關(guān)電源和冷卻系統(tǒng)等比原理框圖如圖I所示。圖1畫射機(jī)組成框圖發(fā)射機(jī)的信號流程如卜:來自本振源的射頻小信 號經(jīng)前級放大器放大，由債線系統(tǒng)將

6、功率分配到上、 中、下三層，每層接 個行翳動功啟。每個行驅(qū)幼功放66現(xiàn)代簾達(dá)28卷的輸岀功率再進(jìn)行功率分配送到若干路列騾動功放。 毎個列驅(qū)動功放組件最多可推動y個艙的個發(fā) 射功放組件。按照這種方式發(fā)射分系統(tǒng)就將雷達(dá)本 振侑號經(jīng)過前級放大器、行驅(qū)動功放、列驅(qū)動功放和發(fā) 射功放逐步放大成若十路大功率信號,經(jīng)天線單兀輻 射至空間進(jìn)行功率合成，形成發(fā)射波束。L2發(fā)射帳度加權(quán)該雷達(dá)采用了幅度加權(quán)的全國態(tài)冇源相控陣發(fā)射 機(jī)。以往的固態(tài)有源相控陣發(fā)射機(jī)的各發(fā)射功放組件 的輸出功率都是相同的，而本發(fā)射機(jī)的各發(fā)射功放組 件的輸出功率是不相同的，足通過計算機(jī)輔助設(shè)計進(jìn) 行幅度童化加權(quán)的。蜂密狀排列的發(fā)射功放組件輻

7、射 單元的幅度量化分為四級，簡稱四階重化"具體地講 就是位于天線陣面中心區(qū)的功放組件的輸出功率最 大,由中心向外的3個壞形區(qū)的功放組件的輸出功率 依次降低，在俯仰和方位上都形成特定要求的錐削° 雖然這會給發(fā)射機(jī)的實現(xiàn)帶來一定的困難，但這種方 式可以大大降低天線副瓣電平，顯著提高雷達(dá)性能，滿 足特種體制雷達(dá)的髙性能指標(biāo)要求°經(jīng)過實測，天線 副瓣電平達(dá)到dB以下，而一般沒有經(jīng)過輔度加 權(quán)的天線的副瓣電平-般在-6dB -13 dB之間。由于雷達(dá)"R組件數(shù)目較富，設(shè)備鼠較大，發(fā)射 組件采用了模塊化設(shè)計以捉高設(shè)備的可靠性和維修 性。雖然處在不同量化臺階上的功放組

8、件的輸出功率 不同,從雷達(dá)總體設(shè)計考慮，各功放組件的外形、蟲裝 尺寸、對外接LL輸入功率等要一致“為實現(xiàn)幾種通用 模塊輸入功率的一致，經(jīng)過綜合權(quán)衡，沒有采用增加衰 減網(wǎng)絡(luò)、而是采用初級功放降低工作電壓的方法。2功放設(shè)計發(fā)射功放組件足固態(tài)發(fā)射機(jī)的核心，在設(shè)備上用量 很大。功放組件性能的好壞比接影響到幣個雷達(dá)的電 性能"單個功放組件的體積重量只增加一點點也會使 天線亟量增加很多,影響天線的機(jī)械性能和雷達(dá)的機(jī)動 性°所以在設(shè)計功放組件時要精益求精，從埋論設(shè)計到 各項試驗都要八絲不茍地進(jìn)行，在功放組件性能指標(biāo)和 體積、重量、散熱等之間取得合理的折衷。2.1理論計算固態(tài)功放設(shè)計的主要

9、內(nèi)容是阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè) 計。在寬帶阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)il方法中，典比雪夫 (Chebyshev)變形低通變阻濾波蠱具有王柞頻帶寛度 可靈活選擇、不但具有阻抗匹配功能而且貝有濾波柞 用、用微帶線實現(xiàn)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)所需的基片而積較小 等優(yōu)點，特別適合有源相控陣?yán)走_(dá)對發(fā)射組件的要求。 俊統(tǒng)手工設(shè)計方法使用簡化公式計算，即電容僅用一 段低阻抗微帶線代替，電感僅用一段高阻抗微帯線代 替，產(chǎn)生了較大的誤差。此次嘗試使用梢確的微帶線模型實現(xiàn)電路匹配。 一段低阻抗微帶線的精確的模型可以用一個T型網(wǎng) 絡(luò)來表示,一段鬲阻微帶線的梢確的模型可以用一個 蕭型網(wǎng)絡(luò)來表示。兩段寬度不同的微帶線連接時，存 在的跳變效應(yīng)可以用一

10、個T型網(wǎng)絡(luò)來表示。這在傳 統(tǒng)手工設(shè)計匹配電路時是無迭求解的。隨著計算機(jī)應(yīng) 用的發(fā)屣,筆者用Matlab語首編寫了一個程序，用計 算機(jī)數(shù)值算法來求解市精確微帶線模型而帶來的復(fù)雜 非線性方程組°求解上述非線性方程組選用了牛頓 拉夫森(Newton-Raphsoa)迭代算法°以4階匹配網(wǎng)絡(luò) 為例非線性方程組的牛頓-拉夫森迭代公式為 式中；F = Fl1F2tF3rF4卩是一個列矢量迅是由網(wǎng) 絡(luò)綜伶法得到的中間兩數(shù)江=h占仏丄r是一個 電路尺寸列矢厳E為乙的第*次迭代值； /(L)-1代表雅可比(Jacobi)矩陣丿(I)的逆陣, 雅可比矩陣丿(。用F式計算az?機(jī)IL始對上述非線

11、性方程組所選擇的收斂判據(jù)可設(shè)定為2 |尸小一!嚴(yán) |W 1 x 1Q -2.2仿JI優(yōu)化設(shè)計為驗證卜一述計算結(jié)果的正確性，可以使用流行的 微波仿真軟件Serenade來仿真電路的性能，仿真電路 如圖2所示©將上述程序計算出來的眠抗匹配網(wǎng)絡(luò)的物理尺寸 代人仿真軟件，得到的插損和回波損耗如圖？所示。 與傳統(tǒng)手工設(shè)計方法計算出來的數(shù)據(jù)相比,用程序計 算出來的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的電路特性朋顯改善。如果功 率晶體管在工作頻帶內(nèi)的輸人或輸出端阻抗值差界較 大俺可將上述計算結(jié)果柞為初值，用Serenade軟件 的優(yōu)化功能進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，提高阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的效| 維普資訊 h ttp:/| 維普資訊 h t

12、tp:/周斌，等:s波段舍固咨有源抑權(quán)屈控陣?yán)走_(dá)發(fā)射機(jī)67imniMH'2:4 rwn i<|: | 5 nuin.ms阿|腮|lil?DAiA| OFTHJOI6 nim ER9Ijflp.2.5 GHz 4 GfliTO GHz loadUtrTp -W 3 mm : ' ir? lOmm: - 3 nim劃匹呷 郴側(cè):二-二J .屈亦1Wy：l-5rwTT 磐liOmmL Utljirm r .；J - - -flirliT-ii2 IO nni i ft I ； 1 審T 恥（niilurtlJOK nwi .FtOmm u24twn .Ijkcl sub圖2仿真

13、電略的插損和回波損耗的捕損和回波損耗果.使用Serenade軟杵優(yōu)化功能+可以得到如圖4所 示的插損和回波損耗，電路性能得到了進(jìn)一步的改善n 23測試結(jié)果在上述網(wǎng)論計算與仿真的甚礎(chǔ)上,結(jié)合項目實際 重化臺階制做了系列功放組件,進(jìn)行了相栄測試和嚴(yán) 格的例行誠驗，現(xiàn)給出部分典型測試結(jié)果。B刪件血特性T-"功枚*2班放iS5 I型組杵幅頻持件圖占111型組件幅痢特性3工程實現(xiàn)關(guān)鍵問題及解決方法31大功率開關(guān)電源并聯(lián)借鑒以往研制全固態(tài)發(fā)射機(jī)大功率電源的經(jīng)驗井進(jìn) 行了改進(jìn)，把酬揪電源設(shè)計成幾十個進(jìn)口模塊電源并聯(lián) 工作、且其有一旳硃的方案，可大大提髙般射機(jī)可靠性。 T作中若有幾牛電源單元出現(xiàn)故障

14、,發(fā)射ft仍骷正常工作" 3.2結(jié)構(gòu)與冷卻固態(tài)發(fā)射單元的發(fā)熱密度比較大，因此要求采用髙 效率的散熱器心通過理論計算和參考以前的實踐經(jīng)驗 我們選用了鉗歯形翅片散熱器。該敬熱器重量輕、散熱 面積大，熱效率很高口為了減小組件休積、重量我心選 用了高介電常數(shù)的微波復(fù)合介質(zhì)板。同時對所有的微波晶休管的匹配電路進(jìn)行計算機(jī)輔助設(shè)計和優(yōu)化，以進(jìn)一 步減力俯比方便調(diào)試“在微波復(fù)合介質(zhì)板的固定方式 上,采用印制板整體焊接技術(shù)"這樣不但可以防止天線 振動帶來的影響，而且接地效果也大大改善。組件外殼 采用軌工藝加工*誡小了組件的體積重童同時改善r注 牡的強度門另外浚肘組件做成孑拆式，與T"

15、;組件安裝 面之間加裝了屏蔽條，改善了電磁胖蔽救果。由于本發(fā)射機(jī)具有幅度加權(quán)的特蛛性，天線陣面的 散熱也是不均勻的。因此在考慮系統(tǒng)冷卻設(shè)計肘，采用 了以下特殊的方法。一是在天線陣面上單獨設(shè)計了均壓 艙。通過計算機(jī)模擬和實驗，根據(jù)功放組件散熱就的不 同在均壓臉和發(fā)射組件艙之間設(shè)置了大小不同的通佩 孔,合理地分配了齊發(fā)射組件所需的鳳量。一是在天線 陣面有代表性的位置上設(shè)置了幾十個熱電耦，實測發(fā)射 組件的工作溫度。此工柞在整架聯(lián)試滿功率開發(fā)射機(jī)時 進(jìn)行。通過全面測試和改進(jìn)后測試，驗證到確實消除了 犬線陣面的熱虻為發(fā)射機(jī)的町靠工作提供了保障口 3.3保護(hù)電路從以往雷達(dá)研制過桂可知,送給役肘機(jī)的信號源在

16、卄 關(guān)機(jī)瞬間冇時會岀現(xiàn)連續(xù)波。一旦出現(xiàn)這種現(xiàn)象,就有可 能燒毀脈沖發(fā)射機(jī)前一大片功放組杵，后果嚴(yán)重。因為發(fā) 的成本很耐在整亍雷達(dá)中所占比例殺大，為了保險起 見，在的肌總輸人端要設(shè)置獨立的保護(hù)電路“該保護(hù)電 路的設(shè)計思跳非常獨特小僅能夠屏低過寬的脈沖以及過 商工作比的脈沖，而且能夠應(yīng)付多達(dá)幾十種射頻脈伸寬度 和脈沖重細(xì)率的組樂民陋主控臺送來的狀態(tài)蓿號受下 擾、出現(xiàn)亂碼或者斷電,在發(fā)身AH輸人端祁不會出現(xiàn)趙脈寬 或超工作比的射頻信號。在雷込調(diào)試和工作過程反該保 護(hù)電路工作十分出色，真正地保護(hù)了雷達(dá)魁揪。參考文就L Edbvurti D OsnoE. Solid - mtuLtJ radar trarismiitEr M . 1985 "2