UHF波段5KW脈沖功率放大器設(shè)計(jì)

　　衛(wèi)?明，王姜鉑（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所，浙江?嘉興?314033）

　　摘?要：介紹了一款UHF波段脈沖功率放大器的設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)介紹了該功放的主要技術(shù)指標(biāo)、組成框圖、分配合成電路設(shè)計(jì)及控制檢測(cè)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。使用ADS軟件對(duì)兩路功率合成分配器以及四路功率合成分配器進(jìn)行仿真，之后對(duì)功放單機(jī)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容包括輸出功率、效率、前后沿、頂降。測(cè)試結(jié)果表明：在380MHz~450 MHz的頻率范圍內(nèi)輸出功率大于5 kW，增益大于64 dB。

　　關(guān)鍵詞：脈沖功率放大器；分配合成電路；控制檢測(cè)保護(hù)電路

　　0 引言

　　固態(tài)發(fā)射機(jī)具有高可靠性、長(zhǎng)壽命、易維護(hù)性等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到雷達(dá)總體和眾多用戶的青睞。我國(guó)自20世紀(jì)70年代開(kāi)始全固態(tài)雷達(dá)發(fā)射機(jī)的研制 ^[1] ，目前固態(tài)發(fā)射機(jī)已經(jīng)趨于成熟。

　　本文研制了一種工作于UHF波段的大功率固態(tài)脈沖功率放大器，文中描述功放的組成、分配合成器設(shè)計(jì)及控制檢測(cè)保護(hù)電路設(shè)計(jì)，最后給出測(cè)試數(shù)據(jù)。

　　功放的主要技術(shù)指標(biāo)和組成主要技術(shù)指標(biāo)：

　　工作頻段：380 MHz ~ 450 MHz；

　　輸出功率：≥5 000 W；

　　最大工作比：10%；

　　脈沖前后沿：≤0.1 μs；

　　頂降：不大于0.5 dB；

　　脈沖寬度：0.1μs~1ms；

　　效率：≥30%。

　　1 固態(tài)功放設(shè)計(jì)

　　1.1 功放組成

　　功放的組成框圖如圖1，由一臺(tái)前級(jí)功放和兩臺(tái)3 500 W末級(jí)功放組成。輸入RF信號(hào)經(jīng)脈沖保護(hù)器、30W前級(jí)模塊、300 W推動(dòng)級(jí)模塊及帶通濾波器后分為兩路，分別送到兩個(gè)相同的3 500 W末級(jí)功放，兩路末級(jí)信號(hào)由兩路合成器進(jìn)行合成，經(jīng)定向耦合器、環(huán)形器輸出至天線?？刂齐娐酚糜诒O(jiān)測(cè)脈寬和占空比，以防止脈寬過(guò)大或占空比太高導(dǎo)致功率晶體管損壞。當(dāng)功放出現(xiàn)各種故障時(shí)（如過(guò)熱、功率管損壞、占空比過(guò)大等），脈沖保護(hù)器斷開(kāi)，避免后續(xù)放大器件的損壞，同時(shí)在面板上指示故障狀態(tài)，并將故障信號(hào)上報(bào)。

　　前級(jí)功放由脈沖保護(hù)器、30 W前級(jí)、300 W推動(dòng)級(jí)、帶通濾波器、二路分配器/合成器、定向耦合器、環(huán)形器、衰減器、控制保護(hù)電路、DC/DC電源模塊等組成。DC/DC電源模塊采用的是輸出電壓可調(diào)的模塊，負(fù)責(zé)給30 W前級(jí)、300 W推動(dòng)級(jí)供電，根據(jù)調(diào)試情況，調(diào)整DC/DC電源模塊的輸出電壓來(lái)調(diào)整前級(jí)功放的輸出功率，使輸出功率既能滿足全溫度范圍內(nèi)的兩個(gè)末級(jí)功放的需求，又不會(huì)對(duì)末級(jí)功放的功率管產(chǎn)生過(guò)沖。

　　3500 W末級(jí)功放由8個(gè)700 W功放模塊、二路分配/合成器和四路分配/合成器組成的八路分配/合成器、儲(chǔ)能電路和保護(hù)電路等組成。700 W功放模塊是比較成熟的模塊，在此文中就不再詳述。

　　1.2 分配合成電路設(shè)計(jì)

　　功放里主要使用的分配合成電路有兩種，分別是同相二路分配/合成器和四路同相分配/合成器。四路分配/合成器都由魔T ^[2] 組成的原理如圖2。如果作為分配器使用，端口1為輸入端，端口2、3、4、5為輸出端，如果作為合成器使用，端口2、3、4、5為輸入端，端口1為輸出端。實(shí)測(cè)插損小于0.4 dB，隔離度大于20 dB。

　　二路分配/合成器組成如圖26。如果作為分配器使用，端口1為輸入端，端口2、3為輸出端，如果作為合成器使用，端口2、3為輸入端，端口1為輸出端。實(shí)測(cè)插損小于0.4 dB，隔離度大于15dB。

　　1.3 控制檢測(cè)保護(hù)電路設(shè)計(jì)

　　為了控制發(fā)熱量，避免管子燒壞，必須對(duì)信號(hào)的脈寬和占空比進(jìn)行檢測(cè)。因此在30W前級(jí)功放模塊前連接了一個(gè)可控的低功率射頻開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)的閉合與打開(kāi)受控于以下幾個(gè)信號(hào)。

　?、龠^(guò)脈寬/過(guò)占空比報(bào)警信號(hào)；

　　②駐波報(bào)警信號(hào)；

　?、跿TL調(diào)制信號(hào)。

　　其控制原理如圖4所示。各控制信號(hào)分別有專門(mén)對(duì)應(yīng)的電路產(chǎn)生，通過(guò)一個(gè)與門(mén)輸出TTL控制信號(hào)控制射頻開(kāi)關(guān)。當(dāng)各路與 門(mén)輸入都是高電平，TTL控制信號(hào)高電平，SPDT開(kāi)關(guān)閉合到射頻放大器鏈路上；只要各路控制信號(hào)中有一路出現(xiàn)低電平，TTL控制信號(hào)為低電平，射頻開(kāi)關(guān)閉合到50歐姆吸收電阻上，斷開(kāi)射頻放大器鏈路。

　　功率檢測(cè)和保護(hù)電路分為前向功率檢測(cè)和反向功率檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了駐波報(bào)警功能和輸出功率顯示功能。其原理如圖5所示，功放使用的耦合器為單定向耦合器，只耦合出一部分前向功率。耦合器的輸出功率通過(guò)環(huán)形器，環(huán)形器的隔離端輸出的是負(fù)載反射功率，通過(guò)一個(gè)衰減器再進(jìn)行檢波。正反向功率檢波后分別進(jìn)行功率檢測(cè)，輸出對(duì)應(yīng)的峰值電壓。經(jīng)過(guò)ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后交由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理，處理的結(jié)果一路作為輸出到顯示屏，可以顯示峰值功率，駐波等信息。一路產(chǎn)生TTL駐波報(bào)警信號(hào)送到功放的輸入端SPDT射頻開(kāi)關(guān)，當(dāng)報(bào)警信號(hào)為低電平，表示駐波過(guò)大，則斷開(kāi)輸入端的射頻開(kāi)關(guān)，起到駐波保護(hù)的目的。

　　前向功率檢測(cè)和反向功率檢測(cè)的方法完全一樣，都是利用采樣保持電路的原理。其原理如0所示，采樣保持器在TTL控制信號(hào)的作用下，當(dāng)輸入有脈沖包絡(luò)的時(shí)候，輸出跟蹤輸入的變化。當(dāng)輸入脈沖包絡(luò)消失的時(shí)候，輸出依然能夠保持脈沖包絡(luò)的電壓幅度。由于這里的檢波器是采用功率檢波，即檢波器輸出的脈沖包絡(luò)電壓值正比于輸入的射頻脈沖功率值，所以采樣保持器的輸出電壓幅度即代表正向或反向的脈沖峰值功率。采樣保持器的TTL控制信號(hào)直接由檢波包絡(luò)通過(guò)整形電路來(lái)產(chǎn)生。

　　這里采用集成電路采樣保持器。AD781/AD783，可以滿足采樣穩(wěn)定時(shí)間小于最短的脈沖寬度0.1 μs的要求，同時(shí)它們的電壓降落速率大約是0.01 μV/μs，可以長(zhǎng)時(shí)間對(duì)電壓進(jìn)行保持。

　　2 5 kW功放單機(jī)的測(cè)試結(jié)果

　　把前級(jí)功放和兩個(gè)末級(jí)功放級(jí)聯(lián)，經(jīng)過(guò)精心調(diào)試，最終測(cè)試取得了滿意的結(jié)果。過(guò)占空比、過(guò)脈寬，大駐波保護(hù)功能均正常。在脈寬1 ms，周期10 ms，功放輸入電平3 dBm的情況下，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖，輸出功率大于5 kW，效率大于32%。前后沿、頂降測(cè)試數(shù)據(jù)如表1，均滿足要求。

　　3 結(jié)論

　　UHF波段5 kW脈沖功率放大器的研制包括脈沖保護(hù)器、多級(jí)功率放大模塊合成、儲(chǔ)能及保護(hù)控制電路的設(shè)計(jì)，技術(shù)難度高，通過(guò)科學(xué)的指標(biāo)分解和精密的計(jì)算與仿真，在0.1μs~1 ms的較寬脈寬內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了前后沿不大于0.1 μs，頂降不大于0.5 dB，功率輸出大于5 kW，效率大于32%。各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到預(yù)期的指標(biāo)，該功放已經(jīng)應(yīng)用于某雷達(dá)模擬方艙中。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 袁孝康，王仕璠，朱俊達(dá).微帶功率晶體管放大器.北京：人民郵電出版社，1982.

　　[2] 張紀(jì)綱.射頻鐵氧體寬帶器件.北京：科學(xué)出版社，1986.

　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第01期第52頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。