L波段大功率放大組件的設計
2014-09-01 15:29王華元
新媒體研究 2014年11期
王華元
摘要介紹一種L波段920 W固態脈沖功率放大組件的工作原理，描述了功放組件的設計要點和測試結果。該功放組件性能優良，工作穩定可靠。
關鍵詞L波段；功放組件；功率管
中圖分類號：TN925 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）11-0009-02
1概述
固態發射機的應用領域越來越廣泛，特別是雷達數字信號處理技術的快速發展，更是給固態發射機提供了大量的應用場合。脈沖固態功放組件作為固態發射機的核心部件。固態功放組件與電子管相比有一些突出的優點：體積小、重量輕、工作壽命長；工作電壓低，可靠性高；系統效率高[1]。
本文介紹一種L波段920 W大功率固態功率放大組件。其主要特點為可靠性高，輸出功率帶內起伏小，抗振特性好等特點。
2設計目標
L波段920 W固態功率放大組件的主要技術指標如下：
工作頻率：f0±10 MHz；
輸入峰值功率：13 W±0.5 dB；
輸出峰值功率：≥920 W；
脈沖寬度：≤10 μs；
工作比：≤10%。
3系統設計
3.1 組件工作原理
實現功率從13 W輸入到920 W輸出的功率放大，并完成組件自身工作狀態的指示、回饋以及故障保護。
該末級組件由一個輸出70 W左右的功率管通過降壓、衰減至50W后推動一個290 W輸出功率管，以此輸出再推動四個290 W功率管，進行四合一功率合成，輸出脈沖峰值功率約920W。除了完成上述射頻鏈路外，該固態組件內部還有BITE電路。用來對組件的工作狀態進行判斷和保護，組件的原理框圖見圖1。
圖1組件原理框圖
3.2 電壓調整及BITE
電壓調整電路的作用是根據中間級功率管所需輸入功率大小，通過調節70W放大器單管的工作電壓進而控制其輸出予以完成。電壓調整由LM117K三端穩壓塊完成。
組件BITE的作用是完成該組件的狀態檢測、保護、指示和回饋。因輸出脈沖最窄只有0.4 μS，對電路中的視頻運放和比較器的速度應有相關要求。
過溫檢測由安裝在組件內的一個溫度繼電器完成，在檢測點溫度高于65℃時，給出低電平作過熱故障。耦合、檢波后的視頻脈沖信號在BITE電路內經放大、比較電路完成對所給信號的判斷，以確定組件是否工作正常，并能將這些狀態通過光耦送給發射監控，同時在BITE板上通過發光二極管給出相應的狀態指示。
考慮組件密封，用于狀態指示的發光二極管并沒有常規的做法安裝在組件面板，但為了方便調機，用小型發光二極管放在BITE板上。
BITE電路判斷組件有過溫、過壓、欠壓中的任何一個故障時都將通過上述的LM117K三端穩壓塊關斷70 W放大器的工作電壓，達到保護組件的目的。
3.3 電容量的選擇
固態功放組件在脈沖工作時，儲能電容必不可少，且為滿足脈沖頂降要求，電容量應較大。
選擇允許脈沖內工作電壓下降1.5%，可以通過下式求得儲能電容量為：
計算儲能電容量時，電源電壓取+40 V，τ=6.4 μS。
表1列出了功放模塊對電源和儲能電容的要求。計算按最大值進行。
表1各級功率管電容量需求
功率管 第一級 第二級
輸出峰值功率 70 W 290 W×5
工作電壓 40 V 40 V
峰值電流(單管) 4 A 20 A×5
峰值電流(總電流) 4 A 100 A
脈寬 6.4 μS 6.4 μS
儲能電容量 43 μF 1067 μF
因為給工作方式為脈沖的微波功率管供電的電解電容處于不斷的沖/放電過程，故要選擇可靠性高，等效內阻小的電容。此設計選用的5個290 W功率管選用三個63 V-680 μF鋁電解電容，而70 W功率管則選用63 V-150 μF鋁電解電容一個。
3.4 優化設計
計中盡量采用較成熟的技術和模塊化的設計思想，為了提高發射系統的可靠性，減小因外界環境引入的干擾，對組件進行了優化設計，這些優化設計主要體現在：
1）優化組件的功率增益分配，避免過高的增益導致組件內部產生的電磁兼容等問題。
2）四個290 W單管放大器單元的驅動級輸出采用衰減器控制輸入，保證了驅動功率在合理范圍，提高可靠性。
3）針對電磁兼容問題在組件內合成時使用帶狀線功率合成器，同時也降低了合成損耗。
3.5 研制結果
經過測試，L波段920 W固態脈沖功率放大組件上升沿小于150 ns，效率大于40%，其實物外形圖如圖2所示，其輸出測試結果如表2所示。
圖2L波段920 W固態脈沖功率放大組件實物外形圖
表2L波段920 W固態脈沖功率放大組件測試結果
頻率 f0-10 MHz f0 f0+10 MHz
輸出功率（W） 1120 1100 1080
脈沖頂降（dB） 0.2 0.21 0.21
4結論
L波段920 W固態脈沖功率放大組件測試結果滿足系統指標。它具有效率高、可靠性好和易于操作等優點。目前，該功率放大器已成功應用于某雷達發射系統，并達到了良好的應用效果。
參考文獻
[1]L波段窄脈寬500 W固態功放組件的設計[J].電子對抗技術，2004（11）.
endprint
摘要介紹一種L波段920 W固態脈沖功率放大組件的工作原理，描述了功放組件的設計要點和測試結果。該功放組件性能優良，工作穩定可靠。
關鍵詞L波段；功放組件；功率管
中圖分類號：TN925 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）11-0009-02
1概述
固態發射機的應用領域越來越廣泛，特別是雷達數字信號處理技術的快速發展，更是給固態發射機提供了大量的應用場合。脈沖固態功放組件作為固態發射機的核心部件。固態功放組件與電子管相比有一些突出的優點：體積小、重量輕、工作壽命長；工作電壓低，可靠性高；系統效率高[1]。
本文介紹一種L波段920 W大功率固態功率放大組件。其主要特點為可靠性高，輸出功率帶內起伏小，抗振特性好等特點。
2設計目標
L波段920 W固態功率放大組件的主要技術指標如下：
工作頻率：f0±10 MHz；
輸入峰值功率：13 W±0.5 dB；
輸出峰值功率：≥920 W；
脈沖寬度：≤10 μs；
工作比：≤10%。
3系統設計
3.1 組件工作原理
實現功率從13 W輸入到920 W輸出的功率放大，并完成組件自身工作狀態的指示、回饋以及故障保護。
該末級組件由一個輸出70 W左右的功率管通過降壓、衰減至50W后推動一個290 W輸出功率管，以此輸出再推動四個290 W功率管，進行四合一功率合成，輸出脈沖峰值功率約920W。除了完成上述射頻鏈路外，該固態組件內部還有BITE電路。用來對組件的工作狀態進行判斷和保護，組件的原理框圖見圖1。
圖1組件原理框圖
3.2 電壓調整及BITE
電壓調整電路的作用是根據中間級功率管所需輸入功率大小，通過調節70W放大器單管的工作電壓進而控制其輸出予以完成。電壓調整由LM117K三端穩壓塊完成。
組件BITE的作用是完成該組件的狀態檢測、保護、指示和回饋。因輸出脈沖最窄只有0.4 μS，對電路中的視頻運放和比較器的速度應有相關要求。
過溫檢測由安裝在組件內的一個溫度繼電器完成，在檢測點溫度高于65℃時，給出低電平作過熱故障。耦合、檢波后的視頻脈沖信號在BITE電路內經放大、比較電路完成對所給信號的判斷，以確定組件是否工作正常，并能將這些狀態通過光耦送給發射監控，同時在BITE板上通過發光二極管給出相應的狀態指示。
考慮組件密封，用于狀態指示的發光二極管并沒有常規的做法安裝在組件面板，但為了方便調機，用小型發光二極管放在BITE板上。
BITE電路判斷組件有過溫、過壓、欠壓中的任何一個故障時都將通過上述的LM117K三端穩壓塊關斷70 W放大器的工作電壓，達到保護組件的目的。
3.3 電容量的選擇
固態功放組件在脈沖工作時，儲能電容必不可少，且為滿足脈沖頂降要求，電容量應較大。
選擇允許脈沖內工作電壓下降1.5%，可以通過下式求得儲能電容量為：
計算儲能電容量時，電源電壓取+40 V，τ=6.4 μS。
表1列出了功放模塊對電源和儲能電容的要求。計算按最大值進行。
表1各級功率管電容量需求
功率管 第一級 第二級
輸出峰值功率 70 W 290 W×5
工作電壓 40 V 40 V
峰值電流(單管) 4 A 20 A×5
峰值電流(總電流) 4 A 100 A
脈寬 6.4 μS 6.4 μS
儲能電容量 43 μF 1067 μF
因為給工作方式為脈沖的微波功率管供電的電解電容處于不斷的沖/放電過程，故要選擇可靠性高，等效內阻小的電容。此設計選用的5個290 W功率管選用三個63 V-680 μF鋁電解電容，而70 W功率管則選用63 V-150 μF鋁電解電容一個。
3.4 優化設計
計中盡量采用較成熟的技術和模塊化的設計思想，為了提高發射系統的可靠性，減小因外界環境引入的干擾，對組件進行了優化設計，這些優化設計主要體現在：
1）優化組件的功率增益分配，避免過高的增益導致組件內部產生的電磁兼容等問題。
2）四個290 W單管放大器單元的驅動級輸出采用衰減器控制輸入，保證了驅動功率在合理范圍，提高可靠性。
3）針對電磁兼容問題在組件內合成時使用帶狀線功率合成器，同時也降低了合成損耗。
3.5 研制結果
經過測試，L波段920 W固態脈沖功率放大組件上升沿小于150 ns，效率大于40%，其實物外形圖如圖2所示，其輸出測試結果如表2所示。
圖2L波段920 W固態脈沖功率放大組件實物外形圖
表2L波段920 W固態脈沖功率放大組件測試結果
頻率 f0-10 MHz f0 f0+10 MHz
輸出功率（W） 1120 1100 1080
脈沖頂降（dB） 0.2 0.21 0.21
4結論
L波段920 W固態脈沖功率放大組件測試結果滿足系統指標。它具有效率高、可靠性好和易于操作等優點。目前，該功率放大器已成功應用于某雷達發射系統，并達到了良好的應用效果。
參考文獻
[1]L波段窄脈寬500 W固態功放組件的設計[J].電子對抗技術，2004（11）.
endprint
摘要介紹一種L波段920 W固態脈沖功率放大組件的工作原理，描述了功放組件的設計要點和測試結果。該功放組件性能優良，工作穩定可靠。
關鍵詞L波段；功放組件；功率管
中圖分類號：TN925 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）11-0009-02
1概述
固態發射機的應用領域越來越廣泛，特別是雷達數字信號處理技術的快速發展，更是給固態發射機提供了大量的應用場合。脈沖固態功放組件作為固態發射機的核心部件。固態功放組件與電子管相比有一些突出的優點：體積小、重量輕、工作壽命長；工作電壓低，可靠性高；系統效率高[1]。
本文介紹一種L波段920 W大功率固態功率放大組件。其主要特點為可靠性高，輸出功率帶內起伏小，抗振特性好等特點。
2設計目標
L波段920 W固態功率放大組件的主要技術指標如下：
工作頻率：f0±10 MHz；
輸入峰值功率：13 W±0.5 dB；
輸出峰值功率：≥920 W；
脈沖寬度：≤10 μs；
工作比：≤10%。
3系統設計
3.1 組件工作原理
實現功率從13 W輸入到920 W輸出的功率放大，并完成組件自身工作狀態的指示、回饋以及故障保護。
該末級組件由一個輸出70 W左右的功率管通過降壓、衰減至50W后推動一個290 W輸出功率管，以此輸出再推動四個290 W功率管，進行四合一功率合成，輸出脈沖峰值功率約920W。除了完成上述射頻鏈路外，該固態組件內部還有BITE電路。用來對組件的工作狀態進行判斷和保護，組件的原理框圖見圖1。
圖1組件原理框圖
3.2 電壓調整及BITE
電壓調整電路的作用是根據中間級功率管所需輸入功率大小，通過調節70W放大器單管的工作電壓進而控制其輸出予以完成。電壓調整由LM117K三端穩壓塊完成。
組件BITE的作用是完成該組件的狀態檢測、保護、指示和回饋。因輸出脈沖最窄只有0.4 μS，對電路中的視頻運放和比較器的速度應有相關要求。
過溫檢測由安裝在組件內的一個溫度繼電器完成，在檢測點溫度高于65℃時，給出低電平作過熱故障。耦合、檢波后的視頻脈沖信號在BITE電路內經放大、比較電路完成對所給信號的判斷，以確定組件是否工作正常，并能將這些狀態通過光耦送給發射監控，同時在BITE板上通過發光二極管給出相應的狀態指示。
考慮組件密封，用于狀態指示的發光二極管并沒有常規的做法安裝在組件面板，但為了方便調機，用小型發光二極管放在BITE板上。
BITE電路判斷組件有過溫、過壓、欠壓中的任何一個故障時都將通過上述的LM117K三端穩壓塊關斷70 W放大器的工作電壓，達到保護組件的目的。
3.3 電容量的選擇
固態功放組件在脈沖工作時，儲能電容必不可少，且為滿足脈沖頂降要求，電容量應較大。
選擇允許脈沖內工作電壓下降1.5%，可以通過下式求得儲能電容量為：
計算儲能電容量時，電源電壓取+40 V，τ=6.4 μS。
表1列出了功放模塊對電源和儲能電容的要求。計算按最大值進行。
表1各級功率管電容量需求
功率管 第一級 第二級
輸出峰值功率 70 W 290 W×5
工作電壓 40 V 40 V
峰值電流(單管) 4 A 20 A×5
峰值電流(總電流) 4 A 100 A
脈寬 6.4 μS 6.4 μS
儲能電容量 43 μF 1067 μF
因為給工作方式為脈沖的微波功率管供電的電解電容處于不斷的沖/放電過程，故要選擇可靠性高，等效內阻小的電容。此設計選用的5個290 W功率管選用三個63 V-680 μF鋁電解電容，而70 W功率管則選用63 V-150 μF鋁電解電容一個。
3.4 優化設計
計中盡量采用較成熟的技術和模塊化的設計思想，為了提高發射系統的可靠性，減小因外界環境引入的干擾，對組件進行了優化設計，這些優化設計主要體現在：
1）優化組件的功率增益分配，避免過高的增益導致組件內部產生的電磁兼容等問題。
2）四個290 W單管放大器單元的驅動級輸出采用衰減器控制輸入，保證了驅動功率在合理范圍，提高可靠性。
3）針對電磁兼容問題在組件內合成時使用帶狀線功率合成器，同時也降低了合成損耗。
3.5 研制結果
經過測試，L波段920 W固態脈沖功率放大組件上升沿小于150 ns，效率大于40%，其實物外形圖如圖2所示，其輸出測試結果如表2所示。
圖2L波段920 W固態脈沖功率放大組件實物外形圖
表2L波段920 W固態脈沖功率放大組件測試結果
頻率 f0-10 MHz f0 f0+10 MHz
輸出功率（W） 1120 1100 1080
脈沖頂降（dB） 0.2 0.21 0.21
4結論
L波段920 W固態脈沖功率放大組件測試結果滿足系統指標。它具有效率高、可靠性好和易于操作等優點。目前，該功率放大器已成功應用于某雷達發射系統，并達到了良好的應用效果。
參考文獻
[1]L波段窄脈寬500 W固態功放組件的設計[J].電子對抗技術，2004（11）.
endprint
