高功率发射组件的研制

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1、高功率发射组件的研制摘要：为满足某机载预警系统发射机对重量、体积的严格要求，研制了高功率密度固态发射组件。通过对微波模块的优化设计、新型发射组件架构的研究、水冷散热方式的采用，最终获得一种输出峰值功率在工作频带内达8kW（双面）以上的发射组件。该组件已经随整机进行过多次试飞，完全满足系统要求。试验表明，该组件不仅性能优良、工作可靠，且具有相当高的功率密度。高集成度模块设计、组件双血输岀、串馈合成方式以及液冷散热方式是该发射组件的创新之处。本文对其电讯、结构及热设计都做了详细的阐述。关键词：功率密度；发射组件；热设计DOI：10.1664

2、0/j.cnki.37-1222/t.2017.02.1991引言现代微波功率放大器的发展过程中，固态和真空管放大器一直各有千秋。固态放大器具有无须预热，可靠性高，长期使用费效比低等特点［1］。但在功率密度（单位重量或单位体积的输出功率）方面，为达到一定的功率输出，固态放大器往往需要经过多级合成，功率密度较低。而真空管放大器单级增益较高，易于构造高功率密度的微波功率放大器。［2］为提高固态放大器的功率密度，本文从电讯、结构等方面进行了探讨，并设计制作了一种高功率密度发射组件。2设计方法2.1技术指标工作频率频率：P波段工作带宽：70MH

3、z输入功率：10mW输出总脉冲功率：单路输出±4kW脉冲宽度：10-300us工作比：W10%冷却方式：液冷2.2电讯方面(1)系统架构。就单路输出而言，4kW的峰值功率有相当的挑战性。经过多种方案的比较，得到图1所示的系统框图。10卅射频激励信号送入射频组件，首先经过驱动模块的放大，得到125W的功率，再以此推动一只功放模块，输出约800Wo经过6路分配器，推动后级的6只功放模块。每路输出依然在800W以上，最后经过6路合成器的合成，再经过耦合器,最终输出不低于4KW的峰值功率。电源模块提供系统所需要的各种电压品种。发射监控对系统的状

4、态进行监视，对开关机等动作进行控制，对故障点进行收集并回馈给主监控作为判断的依据。(2)高集成度功放模块设计。为简化设计，采用了模块化设计方法。由系统架构，该组件仅采用一种功放模块进行功率的放大，电路十分简洁。与此同时，这也给功放模块的设计提出了更高的耍求。由于现有的功率管无法达到较高的输出功率，该功放模块采用了双管合成的方式。拓扑图如经过仿真和计算，最大限度地减小了该模块电路板所占的面积，从源头上保证功率密度的最大化。图3所示为模块布局图，图4所示为功放模块试验电路。对该试验电路进行电特性的测试，数据如下：可以看出，该模块的输出功率均

5、在800W以上，为系统的功率合成奠定了基础。（3）合成方式选择。多路功率放人器的幅度和相位一致性是微波功率合成的关键［3］。为在较宽的频率范围内使组件合成效率达到最佳，满足系统需求的指标，通过开展多路功率放大器幅度和相位一致性专题试验，进一步设计优化合成网络。功率分配/合成的种类、方式多种多样。有W订kinson型、Gysel型、耦合线型、分支线电桥型、串馈型、径向线型等等。从构成方式上又可分为同轴线式、微带线式、波导式、带状线式等，在不同的场合都可以找到应用的实例。根据系统架构框图，本发射组件需耍通过六只功率模块合成来达到所需的输出功

6、率。此时，若仍然使用二进制功率合成法显然是不划算的，因为它的功率合成必须是按照二进制规律增加放人器的数目。此时最为合理的选择是串馈功率合成法。串馈功率合成法可以组合任意数目的放大器（无论奇偶数）［4］,口休积小，电路损耗小，配对使用时有良好的对称性和高效率。另一个关键问题是末级输出的脉冲功率达到了4kW（峰值）以上，对于功率容量的要求特别的高。同时，由于频段较低，用威尔金森方式将会造成过大的电路面积，不予考虑。空气板线由于同样的原因，也会造成组件体积过大［5］。为此，特别选用了带状线组成的串馈功率合成/分配器。为提高功率密度，本发射组件

7、两路发射共用盒体和散热冷板，因此，分配/合成器各需两只，呈镜像关系。见图5。2.3结构与热设计（1）减重设计。在电讯方面成功将电路面积减小之后，结构方面通过优化设计，进一步将组件的重量降低。功放模块是组成发射组件的基本单元，为此将模块底板除功率管部分衬无氧铜以保证散热之外，其余部分尽量铳削。在如此功率量级的发射组件，为降低重量只能使用液冷。通过PRO/E软件的设计，将功能相同的两路输出合并起来，共用一个组件框体,一个散热冷板。组件外形示意图如图6。（2）热设计。发射系统高功率功放组件依靠强迫液冷方式进行散热,保证功率器件在适宜的温度范围

8、内工作，并且系统环控在低温下实现加热功能［6］。双面功放组件热耗峰值约1612W（工作占空比D二10%）,微波晶体管热流密度约20W/cm2o流道采用串、并联结合的结构形式，并利用热边界层中断等技术来强化散