固态雷达发射机的关键技术研究

刘爽杨恒飞张明

摘要：近年来，微波晶体管技术得到了充分发展，固体雷达发射机得到广泛关注，使用模块化设计模式，能合理输出功率，且发射系统应用稳定性好。

关键词：固态雷达；发射机；关键技术

固态雷达发射机由控保、冷却、合成器、电源灯等部件组成，经上级能进行放大设备、尾端功率放大设备、分配设备功率。固态发射设备中，放大设备功率是基本装备，在大体态固态发射机中，功率构建数量从几十到上百部，组件性能质量会影响其工作效果。因体积与重量等限制，单体功率放大器输出功率会受部分限制，所以需用合成功率技术满足实际高功率输出需求。

一、固态雷达发射机的分类

当前，常见的固态雷达发射机分为两类，即集中合成全固态发射机、分布式空间合成有源相控阵雷达发射机，不同结构特点不同，相应应用环境与优势也不同，需按实际与需求选择合适设备。

1、集中合成式全固态发射机。其主要元件是功率放大器，使用微波合成技术实现并行合成及输出，满足系统限制要求。能在无需阴极加热下启动，且设备寿命长，无阴极加热功率消耗等。功率模块参数低于电压参数，所以无需配置体积大的高压电源或防护X射线，从而提升使用便捷性。并且其应用模块是C类放大器工作状态，配合高电压脉冲调制器完成处理过程，瞬时带宽总数值达20～50%。而且其在雷达接收或信号处理时使用脉冲压缩匹配滤波器，从而提高检测效率和距离分辨力。

2、分布式空间合成有源相控阵雷达发射机。它包括固态功率放大器、环行器、限幅器和低噪声放大器等组件，配合逻辑控制器及内部监测电路组件打造完整应用模式。

一方面，有源相控阵雷达发射机的发射机和天线结构间界限不明显，所以末端T/R功率放大组件输出的对应功率能处理及控制天线辐射单元，结构紧凑，避免馈线引入导致的损耗，从而优化发射功率。另一方面，有源相控阵雷达发射机能全模块化，运用时T/R组件模块及放大器电源模块能更好辅助相关工作，维持良好环境。而且发射机能指示故障和实时动态检测工作状态，保证故障区间隔离在替换单元，迅速排除故障，不会影响设备应用运行效率。另外，其本身具有故障弱化特性，设备具有良好运行可用性，可经简单操作模式完成开关控制，配合快速故障处理单元，实现多元系统化管理目标。

二、固态雷达发射机关键技术

1、微波功率放大组件规划和抗阻匹配。研究放大功率设备规划时，包含抗匹配及晶体管，再将抗阻匹配结合网络功率。微波功率晶体管输入与出阻抗力低，有一定抗性，一般其功率相加器输送线带有50Ω抗阻性。所以设计研究放大器时，使用低能耗和低价转换电抗性网络，能充分发挥网络变换作用，提供更适合负载阻抗及源阻抗。大多发射机功率放大装置以C类状态工作，无需调节设备帮助，待高频信号到达功率晶体管放大设备输入口时，且超出发射与基极，反而转向偏置电压后，易导致晶体管阀或臂呈现低电阻流过正向电流，放大器才能正式作业。输入脉冲信号上升到脉冲信号顶部，到达脉冲后半段，脉冲信号继续工作，放大装置中晶体管会产生强烈变化状态，所以装置输出输入阻抗性会变化，且输入阻抗性变化明显。放大设备级联时，前后端无相应隔离方案，易引起输入抗阻转变，体现在前级中放大装置输出负载产生的阻抗变化。

2、微波计算机的仿真优化设计(CAD)。目前设计的功率放大装置匹配电路用CAD功率最高软件，即ANSOFT Harmonica，在了解阻抗数据中晶体管状态后，拟定顺应拓扑结构的初始值，选择最佳方法运转文件。按运行结果终止运行过程，并按要求实时控制文件配置参数内容，提高结果优化效果，匹配最优项。设计流程为：

①创建电路频率控制模型，良好设置输入工作频率点和频率。设置输出和入电路端口，并在负载电路模块输入相应晶体管抗阻数据。结合具体情况或参考电路模型，得到PH1214-110M型微波功率管在输入时匹配电路形成拓朴图，在电路中匹配和输入晶体管形成三级变换阻抗模式。选择合适电路材质，取决于放大器是否适合物理尺寸和拓扑电路调节性，以确保构建电路元件初级模型。放大设备允许更大尺寸，适当选择低价电路介质材料，相反需选择高价电路介质材料。

②优化仿真技术，密切观察优化结果。在实际优化命令下优化电路，优化时若遇某电路元件值，接近或达到最大值，需合理调整电路元件数据界限；可手动控制调整，观察电路参数变化，有效提高电路参数结果；经优化改进得到最佳优化结果。

3、微波功率合成器技术。固态发射机应用控制时，输入功率将直接分配给不同功率放大器，输出结果将由合成器迭代完成，所以功率合成器是功率放大器合成处理时重要微波部件，需匹配较低损耗及合理驻波参数，承载较高功率。①并馈N路分配器/合成器时，基本单元是两路功率单元，即功率分配器、合成器电路，包含耦合线、分支线、环形电桥定向耦合器等，结合四端口定向耦合处理机制，完成对输入输出信号的方向性评估。且相应端口在同一中心线上，电路结构能对称处理。分析方式是使用奇、偶数分析处理方法完成三端口网络应用。②并馈合成结构模式简单，但因级联使功率流经电路长，增加损耗，加上合成/分配端口实际应用有限，需配合二进制对称操作，使一些工序烦琐。所以在原结构应用基础上进行串馈合成结构处理，有效将功率合成与分配相结合，节省放大器及耦合器数量，减少能耗。

4、热设计处理。为提高固态雷达发射机效率，需提高功率晶体管效能，所以在设计及制造时需注重结温参数变化。晶体管失效率和其内部温度需评估结温参数，特别是最高结温，若增加10℃，寿命减半。所以需整合应用条件及参数控制标准，满足良好应用要求。制造厂家提出器件最高结温一般是200℃，若超出设定数值，虽短期内器件不会损伤，但会影响其长期使用可靠性，因此，需约束及控制绝对最高结温，保持安全可靠性。

　　当前，红外热成像设备常用于实时测量分析结温，不封盖下评估晶体管也是常见方法。为降低结温，经保持散热器与外部热通路完整性，有效控制散热途径上材料及结合界面。如对于串联电路，若通路模式存在高阻性元件，热流将被阻挡，结温升高。

　　微波功率晶体管需选高导热材料，功率晶体管结构特殊，因有热时间常数，随着晶体管脉冲宽度增加，结温逐渐上升，所以需按晶体管手册设计分析最大工作比与脉冲宽度等，确保处理效果符合标准。此外，其内部结构决定了晶体管是否存在干扰热锥区，温度场复杂，为保持应用程序规范性，需整合具体要求与标准，保证操作合理。

参考文献：

[1]王卫华.固态雷达发射机的关键技术[J].电子科学技术评论，2015(01).