L波段大功率固态放大器组件设计

摘 要 对于有源相控阵雷达而言，固态功放组件具有灵活性等诸多优越特点，打破了高功率真空雷达发射机雷达无源列阵天线不能消除馈线损耗的限制。同时，对于波束控制、移相器、开关等而言，均在低功率电平上的T/R组件输入端完成，提升了工作效率。本文根据笔者多年的工作经验，就L波段大功率固态放大器组件设计问题进行了浅要分析。

关键词 L波段；大功率固态放大器；组件设计

中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）031-039-01

我国固态雷达实现了从无到有的突破，并已发展成了一定规模。但是对于现有的固态发射机而言，多在低电压条件下运行，发射机末级功放工作电压也多在50 v以内。而固态发射机能有效实现模块化，这也使得固态发射机具有故障弱化功能。而L波段大功率固态放大器组件应用于雷达预警系统之中，工作带宽为100 MHz，脉冲宽度为8 us，产品输出功率也多超过350 W，工作效率达到了30%，能充分发挥BITE功能，并且可靠性较高，能够满足工程的急切需求。对于该组件而言，在T/R部分的应用需要具有体积小、重量轻的特点。为此，应加强对于高效益、大功率工作LDMOS晶体管的运用。但是该种组件在应用过程中所用技术难度相对较高，并且因其结构较为复杂而涉及到一些新的问题。在此，笔者将针对L波段大功率固态放大器组件的设计问题进行以下探讨。

1 方案概述

对于L波段大功率固态放大器组件的应用而言，要求脉冲输出功率要大于350 W，效率超过30%，谐波抑制在-40 dBc以内、杂波抑制在-40 dBc以内，上升下降沿在0.1 us以内，而且消耗功率应在100 W以内，输入输出端还应加环形器进行保护。同时对于该组件而言，能够实现状态自检、高温保护等工作，对于输出波形参数提出了更高层次的要求。在此，我们将对其设计工作进行详细介绍：

组件由电源控制电路、放大链等组成，选LDMOS器件作放大链，电路选择一级为PTF10111、二级PTF10021、三级PTF10125的三级放大电路形式。对于第三级而言，是三个PTF10125器件合成输出。考虑到合成效率方案应满足指标要求，输出功率多超过400 W。而电源控制电路能对组建的工作状态做出检测，产生过温、过驻波等信号，并将这些信号输出到外部计算机。

2 L波段大功率固态放大器组件设计

2.1 放大电路的设计

为了满足整体组件的指标要求，我们选用了LDMOS组件。在微波回路设计过程中，既应满足指标要求，还应确保充足的余量。上文已经提到，电路采用一级为PTF10111、二级PTF10021、三级PTF10125的三级放大电路形式，具体增益分配如下所示：

一级PTF10111，输出功率4 W，增益14 dB；

二级PTF10021、输出功率4 W，增益14 dB；

三级PTF10125，单个器件输出功率为150 W，增益12 dB，三路合成功率在400 W以上。

同时，对于三级管子的选择而言，满足了输入激励功率的要求，能确保功率管脉冲参数输出质量，并能确保整个组件满足低温工作需求，在高温状态下组件顶降不变差。

2.2 功率分配器与合成器的设计

这两种器件是放大器设计的关键部位，对放大器的设计发挥着非常重要的作用。功率合成器能够合成大量的单元相参，能满足输出功率需求。而对分配器而言，能提供具有相同相位和幅度的激励信号，并且其影响是通过输出端激励合成器实现的，为此在对二者具体的设计过程中应重点考虑以下几种重要参数：1）功率。为提升合成功率，应严格降低电路损耗，在具体的设计过程中应对电阻损耗、介质损耗等因素进行综合考虑分析，从而最大限度地降低损耗。2）耐功率。对于所选择的参数而言，需满足承受平均功率与峰值功率而不损坏，在外界条件较为恶劣时也能正常工作。3）故障弱化。在个别放大器失效的情况下，组件需满足继续工作需求。换句话说，当出现该类故障时，不能影响其余器件的匹配。

2.3 固态放大器对于电源的要求

在大信号状态下工作时，固态放大器对电源电压的变化较为敏感。对于其输出信号而言，相移、幅度等将会随电源电压变化而发生变化，这会导致网络损耗增加。因此，固态放大器对纹波角、电源变化稳定度等有着一定要求，同时脉冲雷达发射机对脉冲顶降要求也非常要求。

2.4 放大器结构与电磁兼容设计

2.4.1 放大器结构设计

对于放大器的结构设计而言，主要包括微波通道腔体设计、供电回路腔体设计以及它们之间的连接关系。在该项工作的设计过程中，应注意以下几点：1）在结构设计过程中，应以确保电性能、电磁性能和结构强度等为前提，尽可能增强散热性能。2）微波通道、供电回路等设计应进行分腔、分层，并分别将微波通道与供电回路设计在相应位置。3）在微波通道设计考虑分腔时，将前两级分成一个独立腔体，末端输出合成器为一腔体，而输出电路为一个三等分腔体。同时，该种设计形式除了能够消除多级之间的影响外，还便于对各级电路的单独调试。

2.4.2 电磁兼容设计

在设计电磁电容时，应对放大器与外界接口、二次电源间的连接、串扰等问题认真考虑分析。要将这些问题切实解决，应做好电气与机械设计、PBC电路版图设计等工作。同时，在电气与机械设计过程中，电源对外接口应选择馈通滤波器。此外，还应对盒体进行分腔设计，为有效降低电磁波外泻，应提高机加工精度，确保盖板严密、平整。在设计PBC电路版图时，应确保电路的合理布局，并将电源直流电路与微波电路分开。对于电磁屏蔽设计而言，应在放大器正背面设置独立盖板，以在避免微博信号泄露的同时，防止外部电源干扰，在必要时还可以采取进一步的屏蔽措施。

2.5 可靠性设计

在可靠性设计过程中，应注意以下几个方面：1）尽量简化电路图结构，减少元器件种类，选用质量较好的元器件，并对电路进行优化设计。对于电连接线而言，应采用温性能好的高温导线。2）保护电路的设计。保护电路的设计能确保放大器的正常工作，并且能防止电压的短时间骤变对器件造成的损坏。对于放大器的设计而言，还应设有微波信号出现不正常时，放大器的自动断功能，以对放大器进行有效保护。3）放大器的热设计。对于放大器而言，应在其内侧设置散热凹槽，使其所产生的热量及时发散出去。

3 结束语

总之，L波段大功率固态放大器组件的设计还有很多要注意和考虑的问题，如上的设计是根据多年的工作经验和理论知识总结出来的，要达到设计方案的设计效果，还有许多要测试的项目。在今后的过程中，应加强对于L波段大功率固态放大器组件设计的优化与完善，以设计出更高质量的固态放大器组件。

参考文献

[1]张凯，马晓华，韩红波，等.L波段平衡式功率放大器的设计与实现[J].电子器件，2011，34（6）：672-676.

[2]王亚松，张海兵，赵海涛，等.一种L波段宽带功率放大器的设计[J].雷达与对抗，2012，32（3）：40-41.