【毕业学位论文】p波段高功率固态微波功率产生器系统研究与设计

分类号 校代码 10495 级硕士学位论文王定云学号： 1115123016指导教师： 程建政 教授学科门类： 工学专 业： 物理电子学研究方向： 射频与微波系统完成日期： 二零一四年六月E. 在现在高科技战争中，雷达是现代防空系统的重要组成部分，发挥着越来越重要的作用。但随着电子技术的迅猛发展，雷达及反雷达技术的日新月异，特别是隐形飞机的出现，雷达的性能在现代战争中受到严重的挑战。过去常规真空管微波功率产生器型雷达，由于其单一的工作模式，较低的可靠性，使得其安全性比较差，已经完全不能适应现代防空系统建设的需要。近年来，随着微波半导体大功率器件的飞速发展，全固态微波功率产生器技术也得到了快速发展，固态微波功率产生器因其系统寿命长、峰值功率小、工作电压低、响应速度快等特点越来越受用户欢迎。因此，设计全固态微波功率产生器，显得尤为迫切和重要，特别是设计全国产化固态微波功率产生器，其战略意义十分重大。本文结合课题需要，对点对其中四项关键技术进行了研究：点阐述了基于中，对发射控制器和双工控制器的自动控制和保护进行了详细论述。出了微波功率产生器大功率放大组件设计的基本方法，介绍并推导了微波功率管的外围阻抗匹配电路，以及微波功率管的大功率合成方式，同时利用时给出了国产功率管和进口功率管两种设计方案，均能满足微波功率产生器的技术要求，. 本课题详细地论述了功率分配和功率合成器的工作原理，设计思想及其设计方法，并结合实际需要，详细介绍了16路平面功率分配/合成器的设计过程，并进行了仿真设计。根据实际应用给出了有效的设计方法和实现措施，在实际应用中去得了很好的效果，为现代雷达的瞬时测频技术提供了有效的参考。通过本课题的研究，完成了将该系统广泛应用于复杂电磁兼容测试系统，为国产化电磁兼容测试设备提供了坚实的保障。本课题力求从系统要求着手，通过理论和原理分析，对实际工作遇到的问题和解决问题的方法进行论述，具有广泛的实用价值和推广价值。关键词：固态微波功率产生器； 功率分配/合成器； 大功率功率放大组件； 瞬时测频技术研究类型：应用基础研究is of in of of of s is in t of is it of of an by of So it to a it to is of Tts is is of of of is of is it is by of of of of of 6 is its of 5KW to in a to It in to in So .研究背景与发展现状.本课题主要研究内容.本课题的论文主要安排.微波功率产生器系统组成.发射控制器.双工控制器.概述.功率放大管的工作原理及指标.功率组件设计方案.率组件技术要求.率组件实施方案的选择.种功率组件方案模块技术状态分析.功率组件测试结果.6 路平面功率合成器/分配器.概述.功率分配器/合成器的应用.16路功率分配器/合成器的设计.成器的技术指标.成器的工作原理.时测频技术的原理及设计.概述.瞬时测频技术的原理.瞬时测频技术的设计.论和展望. 研究背景与发展现状随着社会的进步，科学技术的发展，在现代高科技战争中，演着越来越重要的角色。但随着现代高科技电子技术的发展，雷达及反雷达技术的日新月异，特别是隐形飞机的出现，雷达的性能在现代战争中受到严重的挑战。过去常规射频电子真空管型微波功率产生器雷达，由于其自身的弱点，已不能适应现代化防空系统建设的需要。同时伴随着微波半导体大功率器件的飞速发展。固态微波功率产生器技术也得到了迅猛发展，固态微波功率产生器因其系统寿命长、峰值功率小、工作电压低、响应速度快等特点越来越受用户的欢迎。因此，设计全固态微波功率产生器，对整个微波功率产生器研究的新进展和方向，显得尤为迫切和重要，特别是设计国产化固态微波功率产生器，其战略意义显得极其重大。近年来，微波半导体大功率器件获得了飞速发展，中国电子科技集团电子第十四研究所、西安电子科技大学、成都电子科技大学、中国电子科技集团电子第三十八研究所、南京720厂等单位对半导体大功率器件也进行了深入研究，他们的微波半导体大功率器件也得到了快速发展，在工艺和性能上也取得了很大的突破，微波单片集成电路技术的出现，使得微波半导体大功率器件得到了广泛的应用，同时微波网络技术的优化设计可以将多个微波功率器件组成合成固态发射模块，由于单个固态发射模块的输出功率有限，因此固态微波功率产生器通常由几十个甚至几千个固态发射模块组成，并且已经在机载雷达、舰载雷达、相控阵雷达和其他雷达系统中逐步代替常规的微波电子管型微波功率产生器。固态雷达发射机刚开始使用，是用固态微波功率产生器代替常规的电子管微波功率产生器。然而，进程远远没有预想的那么快，分析其中缘由，我们可以看到在满足相同的峰值功率和占空比条件下，如果直接采用固态器件替代脉冲工作的射频真空管，显得过于昂贵且很难实施。与射频真空管相比，微波半导体器件的热常数比较短，这使得在脉冲期间不过热的前提下，在较高占空比的条件下，以较低的峰值功率提供所需的雷达平均功率时，微波晶体管的费效比将大得多。因此，很难直接用固态微波功率产生器取代低占空比的老式射频真空电子管微波功率产生器。因此对于新型雷达系统，我们必须认识到这个问题，尽可能地选择高的占空比，这不但减少了峰值功率要求，而且也可在合适的价位上使用固态器件。但是当我们选择高的占空比的固态器件的同时，我们不能忽视这种改变对系统的重大影响，我们发现，在较高占空比的微波功率产生系统下，无模糊距离覆盖距离，以及分辨武汉纺织大学硕士学位论文率都有很大的影响，因此我们决定使用脉冲压缩技术，以同时获得所需的无模糊距离覆盖和高距离分辨力。另外，我们研究发现，使用脉冲压缩技术的宽发射脉冲后，会使微波功率产生器在近距离产生盲区。因此，我们必须寻找一种有效地措施来解决这个问题，后来我们在微波功率产生器发射信号和信号接收机信号处理之间的一个宽脉冲之前插入一个窄脉冲，来解决这个问题，同时为了有效防止强点杂波掩盖弱动目标信号，微波功率产生系统的信号处理器必须获得低脉压时间副瓣和高杂波对消比。综合分析可知，设计一个固态微波功率产生器作为新系统中的一部分，比用固态微波功率产生器改造一个老射频真空管形式的雷达微波功率产生器系统要容易得多。高功率的微波晶体管在波段发展很快，固态微波功率产生器广泛应用于这些低频段。目前固态微波功率产生器正在向更高频段发展，如态微波功率产生器通常采用双极性硅晶体管。而在目前在810体管的单管输出功率可达几十瓦，而在12波功率产生器系统 频率（峰值功率（工 作 比（%） 平均功率（模块数（个） 模块峰值功率（W） 使用时间10 100 210 84 3000 198650 100 850 2666 320 198650 112 2500 198300 25 150 1792 340 197850 30 255 2500 340 19864 18 40 100 19829 18 92 100 198032 40 3300 19858 4 2000 19860 4 2 700 于各种雷达系统中的固态微波功率产生器特性和使用时间1绪论3在国内，对固态微波功率产生器的研究起步较晚，与国外发达国家水平相比差距比较大。中国电子科技集团电子第十四研究所、西安电子科技大学、成都电子科技大学、中国电子科技集团电子第三十八研究所、南京720厂等单位在这方面开展了较为深入的研究，取得了一系列成果。固态微波功率产生器的研究从二十世纪八十年代末开始，到九十年代已有多种产品装备雷达。然而，绝大多数的固态微波功率产生器主要采用进口微波功率晶体管（如：思卡尔等公司的功率管）进行合成。近几年，随着我国基础工业的发展，制造工艺水平的提高，我国微波半导体大功率器件得到了飞速发展。中国电子科技集团第十三研究所和中国电子科技集团第五十五研究所都成功研制出了们在中国电子科技集团第十三研究所生产研制的国产大功率微波晶体管基础上进行功率合成，创造性地完成了态微波功率产生器与射频真空管微波功率产生器相比，固态微波功率产生器有许多优点：（1）采用固态微波功率产生器的系统不需要射频真空管所需要灯丝预热时间，可以做到瞬时开机、关机，可以极大地缩短系统的工作准备时间。（2）采用固态微波功率产生器不需要射频真空管所需要的高压，只需低电压工作（通常只有2850V），采用低压电源就省去了高压电源所需的庞大的体积和重量，同时采用低压电源使得系统的安全性得到保障，使用微波放大器使系统获得较高的可靠性。（3）采用固态微波功率产生器的系统可以获得更长的使用寿命，通常微波晶体管的使用寿命会比真空管长得多。（4）采用固态微波功率产生器的系统使得系统的每一部分都可以单独成为一个子模块，系统设计变得更加简单和方便，极大地提高了微波功率产生器的可靠性，也使系统的维修性变得更加便捷。（5）采用固态微波功率产生器可获得相对射频真空电子管宽得多的带宽。由于射频真空管大部分属于自激振荡，带宽有限，一般只能实现10%的带宽，然而由于微波功率管属于放大器件，可以很容易实现这个指标，不仅能在宽频带内工作，而且在频带内实时跳频，有效地提高了抗干扰和生存能力。（6）固态微波功率管能够在脉冲长度比较宽的情况下工作，在保证同样的平均功率下，微波固态功率管可以有效降低微波功率产生器的峰值功率，使得馈线、天线等大功率无源器件所需承受的功率小很多，极大地提高了天馈系统的可靠性和稳定性。（7）采用固态微波功率产生器可以灵活设计和运用系统。一种设计好的发射模块可以满足多种用途的需要，通过波形发生器和定时器按一定的程序，可以实现不同的调制方式，不同的脉冲宽度和重复频率等。武汉纺织大学硕士学位论文（8）采用固态微波功率产生器的系统维护方便，运行成本较低。课题主要研究内容本课题来源于某新型雷达是我军“十五”重点科研项目，它采用先进的全固态、全相参、高机动、三坐标体制，主要为我军集团军野战防空技术达到国外90年代末期同类产品的先进水平，为了新型雷达研制，课题的论文主要安排本文结合新近研制的某新型雷达系统总体对固态微波功率产生器的综合要求，对要内容有基于面功率分配/合成器和时测频技术的研究及设计。目的是完成适合雷达系统使用并具有实用价值的研制产品。论文的主要安排如下：第一部分，系统的介绍点阐述基于中，对发射控制器和双工控制器自动控制和保护进行了详细论述。第二部分，介绍大功率功率放大组件组件的组成原理，以及设计方法；给出了满足某微波功率产生器技术要求的国产功率管和进口功率管两种设计方案，介绍并推导功率管和阻抗匹配电路以及合成方式。同时根据总体要求，设计了一个脉冲功率模块，进行计算机优化仿真设计，给出了实际电路及实测结果。第三部分，从成器应用出发，结合总体对16路功率分配/合成器开发的实际要求，通过理论分析和工作原理论述，提出采用四级分支分配结构，各单元采用过设计及仿真，完成小功率微带线功率分配器、大功率带状线功率合成器设计。第四部分，介绍了当前瞬时测频技术的主要方法，研究了不同的数字瞬时测频的方法及原理，同时给出了一种有效地瞬时测频技术方案，能够满足系统的测频指标，在现在的测频方法上有着极其重要的参考价值。2 微波功率产生器系统总体方案设计52 波功率产生器系统组成某新型波功率产生器由前双工开关、前级放大器A（前级放大器B）、后双工开关、功率分配器/合成器、大功率功率放大组件组件、稳压电源、配电、前级控保系统和冷却系统等部分组成。图2了提高整个微波功率产生器的可靠性，系统采用热备份前级放大器工作方式。激励信号由耦合检波开关输入，经前双工开关、前级放大器A（或前级放大器B）、后双工开关、耦合器输出。一旦系统在双工控制的指挥下，自动判断故障，双工开关切换至间断继续工作。耦合器输出的信号经功率分配器16功分，作为功率放大组件组件的激励信号，功率放大组件组件分别把信号放大到1100后，由功率合成器进行16合1，输出功率达15以上看到，功率放大组件组件是型固态微波功率产生器的功率放大组件组件数多达数十部乃至几百部，因此功率放大组件是固态微波功率产生器的心脏，其性能的优劣直接关系到微波功率产生器的成败。由于1：16功率分配器 稳压电源 16：1功率合成器功放组功放组前双工开关 冷却系统前级放大器发射控制 后双工开关前级放大器耦合检波开关射频输入双工控制显控步控制耦合器检波 输出电源武汉纺织大学硕士学位论文体积、重量等因素的限制，往往单个功率放大组件组件的输出功率有限，因此必须采取有效的功率合成技术来满足高功率输出的要求。在制保护监测系统实现前级的双工控制、功率放大组件组件以及电源的实时监测、微波功率产生器的开关机、与主控台的实时通讯(接受主控台的命令、上报微波功率产生器的信息)等一系列的功能；电源系统实现配电功能，为微波功率产生器各功能件提供所需的交直流电源；冷却系统为微波功率产生器提供良好的工作环境，如果微波功率产生器的冷却系统不能正常工作，则功率放大组件组件内微波功率晶体管等昂贵器件产生的热量不能被及时带走，会引起电路参数的不稳定，甚至烧毁器件，同时，电源部分也会因过热烧毁器件引起故障。射控制器的组成发射控制器由发射控制板和显示控制板组成。整个单元以两片基本框图如下：图2射控制器组成框图速、方便的编程和高性价比为控制设计人员所欢迎。其特点是：工作速度快，20口集成，有、及外部中断和16位定点运算。发射控制器通过软件编程，可以实现以下功能：（1）微波功率产生器本/遥控开关机控制； )分) 发射控制板检 测缺 相检 测 风机(48V)电源(48V)遥控开电源源组件功率组件前级组件按键显示控制板射控制板 I/) )并口2 微波功率产生器系统总体方案设计7（2）冷却风机检测及控制；缺相检测和保护；（3）激励过脉宽与过占空比指示；（4）发射系统输出反射过大指示；（5）缺相检测和保护；（6）功率组件故障状态指示；（7）电源组件、前级组件故障状态指示；（8）输出功率显示；（9）10）激励正常指示、电源同步和发射同步控制信号正常指示。射控制器的工作原理系统上电后，发射控制器单元首先上电，控制器进行初始化和自检，如各部分正常，进入待机状态，否则提示错误。完成以上工作后，控制器开始接收信息，初始上电状态默认为遥控、动。此时如果有开机命令，先开前级电源，前级控保系统其他模块上电。同时，检测是否有缺相故障，若有则不能继续执行开机命令，否则向下开风机、开电源，检测风机状态，若没有故障则开激励，否则报错等待。开机过程执行完成后，将允许前级主动上报状态。括电源组件、前级组件、功率组件的工作状态及故障等。这些信息通过固定且唯一的发射控制板上 发射控制器的主要功能在前面我们叙述了发射控制器的工作原理，下面我们就具体介绍一下发射控制器的发射控制板以及显示控制板的功能。括其外围输入输出及隔离电路。为了避免发射系统射控制板采用两个现显控单元各功能。16个功率组件、2个前级组件和10个电源组件内部带有工作状态和故障信息可直接通过一个成微波功率产生器工作状态监测、控制和保护工作。具体实现功率组件、电源组件、前级组件的开/关控制；检测电源及组件状态的改变（包括由正常异常，由异常正常），自动开关激励；同时另一个过发射控制板上的射控制板上的两个接。武汉纺织大学硕士学位论文图2）I/过开机命令开风机，风机反馈回来的开关量供扫描到风机故障，则立刻关断激励。缺相故障由缺相保护器提供一个开关量，在开机前和开机过程中都要检测，一旦有缺相故障，则立刻关断电源、风机和激励。为了隔离外部进入的干扰，在输入时采用了光耦隔离。风机和电源组件通过接触器分三步上电，而接触器的48需驱动电流250于间采用达林顿管驱动再控制中间继电器，它可以提供最大500间继电器由2）要是串行外设接口与监控台联系的为：从机），与内部联系的为：主机），主片可以主动向从片发数据，但从片不主动向主片发数据。当主片向从片发数据时采用从片向主片发数据的同时主动产生一个外部中断样可以尽量减少3）同步检测来自信号处理的过期为2经虑到一路测周期必须大于2没有I/控开电源风机电源1电源2讯波功率产生器系统总体方案设计9报警。示控制板是一个2示部分为板上有按键控制，显示功率组件、电源组件、前级组件故障状态；功率数字化显示等。显示控制板也以操作者来说，显示控制板是一个人机界面，通过它可以很直观的看到目前微波功率产生器的状态和故障。对显示控制板，初始缺省状态为遥控，按下“本/遥控”键，微波功率产生器处于本控状态。按下“开/关机”键，则微波功率产生器进入开机状态，先开前级电源，约2秒钟后，冷却离心风机开始工作，源1开始工作，约2秒钟后，电源2开始工作，开机信号送入微波功率产生器，微波功率产生器即发出射频脉冲功率。再按下开/关机键后，首先将关闭激励信号，然后关闭电源（1约10秒钟后，再关闭整个微波功率产生器。开机后，按下“激励”键激励关，再按下，激励开。开机后，按下“菜单”键，显示屏出现菜单信息，可上下移动光标，按确认键来得到数据和状态。再次按下“本/遥控”键，则微波功率产生器进入遥控状态，开关机由主控台完成。开机后同步控制板、风机、电源依次工作，若无故障指示，则表示系统工作正常。此时将输入激励信号送入微波功率产生器，微波功率产生器即发出射频脉冲功率。显示屏初始显示分数据区和状态区，数据区显示输出功率值；状态区显示16个发射组件输出功率不足的组件号（1故障总数，10个开关电源发生故障的组件号（1故障总数，开关机状态和前级故障。控保系统以发射控制板为控制核心，采用了避免发射系统射控制板采用两个中一个一个个实现控保系统各功能。微波功率产生器内部包括16个功率组件，2个前级组件和10个开关电源，此外还包括显示控制