40kW L波段全固态雷达发射机

[摘要]介绍了一种40kW L波段全固态发射机。该发射机综合了以往同类全固态发射机的优点，具有输出功率高，工作稳定等特点;同时采用双机互为冗余热备份，具备在线维护功能，发射机的可连续工作时间大大提高。

[关键词]全固态发射机;功率组件;双监控系统;双机切换

1.概述

固态雷达发射机应用广泛，对发射机而言其具有功率大、电压高、电流和热耗大等特点，又多以脉冲形式工作，因此发射机是雷达系统中可靠性较低的一种系统，是制约雷达可靠性的主要原因之一。提高大功率雷达发射机的可靠性和可维性，特别是设备故障时具备在线维修功能对一套雷达系统长期稳定可靠工作至关重要。

本文介绍了一种新研制成功的L波段40kW全固态发射机。该种发射机采用模块化设计、采用双机监控、双通道互为冗余热备份和同类发射机相比具有输出峰值功率大，工作脉宽较宽，设备维护方便、简单等优点，具有良好的可靠性和在线维修功能。

2.发射机的指标和系统构成

2.1发射机的主要指标

发射机的主要性能指标如下：

（1）工作频率：f0±100MHz（L波段）;

（2）发射机输入功率：16±2dBmW;

（3）发射机输出功率：≥40kW

（4）顶部起伏：≤1dB

（5）工作占空比：8.8%（最大）

（6）冷却方式：强制风冷

2.2发射机的构成

发射机由2个前级组件和16个固态组件实现输入功率14dBmW ～18dBmW，输出脉冲功率达到要求大于40KW。具体为：两个前级组件输出的500W功率经过双工开关，由发射监控控制双工开关选通一个前级组件的输出功率送至一个1：4分配器再送到四个1：4分配器，共分成16路，驱动16个末级组件，16个末级组件输出的3.8KW功率先通过一个8：1空气板线合成器，再通过一个2：1波导魔T合成输出达到大于40KW的脉冲功率输出。具体组成框如图1所示

图1 发射机组成框图

3.关键技术

3.1双监控系统

为提高发射机的可靠性，对可靠性较为薄弱的前级组件和监控系统采用双机系统冗余方案。即采用两套一样的前级组件和监控系统，一套共用的末级放大组件。通过备份前级组件和监控系统的方式来提供系统的可靠性。监控系统对两套前级采用单独控制的方式，即一套控制系统对应控制一套前级和共同控制共同的末级放大组件。

发射监控检测两个前级组件的输出，当选中作为激励组件的前级组件出现故障时及时控制双工开关转至热备份的另一个前级组件。与互为冗余的驱动级组件相对应，采用了完全一样的双路监控电路。双路监控电路可以在上电时通过监控系统的初始化程序固定选择上次关机时工作的通道，然后由监控系统来选择信道变化。监控系统具体组成如下：

16个末级组件的BITE电路

2个互为冗余的前级组件中的BITE电路

18个电源模块的监控电路

12个风机状态监视电路

2套互为冗余的发射监控电路

发射机的双监控系统框图如图2所示：

图2 发射机双监控系统

3.2 3.5kW末级组件

3.5kW末级组件的功能：实现功率从14W输入到3500W输出，完成组件自身工作状态的指示、回馈以及故障保护。固态功率放大组件采用模块化的设计思想，每个末级组件的放大链路包含4只980W的模块和一只驱动模块。

3.5kW末级组件的具体射频链路为：16W的射频功率进入固态功率放大组件后，经过一个带30dB耦合电路的PIN开关，驱动一级输出260W左右的驱动单元，末级驱动单元再驱动四个980W模块，最后合成输出3500W的射频功率。末级组件内部有BITE电路，用来对组件的工作状态进行判断和保护。末级组件的组成框图如图3所示。

图3 末级组件组成框图

为保证末级组件的高可靠，我们对组件内部的储能电容组和功率放大管都进行了适当的降额使用。

3.3 功率分配/合成网络

发射机的组件内及组件之间的功率合成是通过功率分配/合成器来实现向量合成，功率分配/合成器各个端口幅度及相位的不平衡将直接影响到系统的合成效率，所以集中式固态发射机对功率分配/合成器的选择有极高的要求。

末组件内部的分配器主要从缩小组件结构尺寸考虑，我们采用1：4Wilkinson型微带分配器;合成器从功率容量考虑采用空气板线型合成器。

对于机柜间的功率分配器，机柜内空间足够，对体积尺寸没有特别的要求，我们关注的重点是分配器的端口幅相一致性和功率容量，因此选择采用GYSEL型微带分配器。合成器则更偏重考虑功率容量，故采用空气板线型合成器，合成器的输出端则采用5035-K型连接器，保证能够承受高功率。

3.4发射机在线维护设计

对于整个发射机，重要的部件包括：前级组件、监控系统、末级组件、发射电源和冷却系统即风机组件。对以上部件都具备在线维护功能。

对前级组件和监控系统：在发射机上电时发射监控系统对两个前级组件和监控系统选择其一进行工作，通过双工开关进行通道切换，当正在进行工作的前级或者监控系统发生故障时，能够通过系统指令切换到另外一套前级和监控系统，保证发射机能够不停机进行前级或者监控板的备件更换。

对末级组件和发射电源：组件与发射电源都是一一对应，方便组件和电源出现故障时能单独关闭，当单个组件出现故障时，只需将对应的组件电源进行关闭，即可对组件进行更换。每个组件电源的开/关均也可单独由总控制台，或者通过电源机柜下方的空气开关控制，电源出现故障时，关闭对应开关也可对电源进行在线更换。发射组件的RF输入、输出接头和低频连接器接头均采用便于插拔的大功率盲配来实现插接，发射系统的各个组成单元均为可插拔的组件或分机形式，以达到不关机在线维修的目的。辅助电源采用两个线性电源模块并联使用，当一个低压线性电源出现故障时，系统仍然能正常工作，低压电源故障在总控制台显示。

风机组件：每三个独立的风机作成一体，每个风机设置单独的電源开关，安装时设计少量的结构安装附件，当单个风机出现故障能够在不停机的状态下能够对风机快速换装。

4.整机性能测试

完成研制后对发射机的测试结果表明，该发射机在要求的频率带宽内，占空比为10%，要求的最大工作脉宽条件下，输出功率见表1：

表1 发射机的测试结果

发射机的双机切换和在线维修功能都达到了设计预期。

5.结论

通过发射机使用一年说明，该发射机整机工作稳定，能连续工作1000小时以上无停机故障，与同类产品相比具有输出功率大，可靠性高等优点。预计该发射机在将来的应用中，特别是对可靠性要求较高的雷达中有较好的用途。

参考文献

[1]胡见堂.固态高频电路.北京：国防工业出版社，1999

[2]王强.雷达发射监控系统的设计.现代电子，2001（4）

[3]Reinhold Ludwig， Pavel Brechko.射频电路设计——理论与应用[M].王子宇，译.北京：电子工业出版社，2002.

作者简介

谢成发（1980-），男，高级工程师，主要研究方向为固态发射机，T/R组件，微波电路设计。