经典雷达资料-第5章固态发射机2


    低噪声放器
    (1)级线性放器设计求级联级具适器件尺寸保持低部调制失
    真(2)第级前输入端电路损失设计噪声系数变差 设计采片外匹配
    (3)低噪声系数求偏置状态接 FET 夹断电压 FET 偏置接夹断时增益噪
    声系数取决夹断电压晶片制造器件夹断电压明显差异
    必须仔细选择偏置条件获重复性通常牺牲增益噪声系数
    功率放器
    (1)总栅极周长通常非常重高功率设计呈现末端器件负载阻抗必须细致
    选择便输出功率效率 (2)末级输出电路损耗减输出功率降低效
    率定设计输出片外匹配必须 (3)砷化镓导热性差功率 FET
    设计考虑散热问题芯片必须充分散热 ( 4)高效级系统设计放器末
    级先前级达饱必点电路设计中必须强调
    收发开关
    (1)开关应应 FET 设计进行选择便 FET 通断电阻
    沟道长度决定导通状态电阻进决定器件插入损耗短栅极长度(导致较低
    产品率)插入损耗间权衡必须进行证 ( 2)寄生漏源电容值影响器件断开状态隔
    离度 电容量程度取决 FET 结构源漏间距 界应通常收发模
    块前端开关结构中接收低噪声放器前发射放器
    移相器
    移相器设计通常采开关线负载线电路结构实现位相移电路结构采分布
    传输线元件集中参数等效电路 开关线结构赖 FET 开关切换电路输入输出端传输线
    长度 需芯片面积高频段 负载线结构开关 FET 寄生特性作电
    路元件产生需相位变化
    图 510 S频段 12 W 功率放器芯片具代表性 MMIC 芯片片特殊
    设计末级采总栅极周长 30 mm FET第 5 章 固态发射机 · 161·
    图 510 S 频段 12W 砷化镓功率放器 MMIC 芯片第 5 章 固态发射机· 162·
    模块特性
    已发表砷化镓 MMIC 技术 1~ 10 GHz 频段模块性数受重量轻鼓舞
    适应阵列应会继续推动技术发展收发模块已报道性特性通常
    MMIC 芯片结构 带增强砷化镓元件性辅助混合元件芯片结构 外模
    块结构收发功复杂程度模块数列表 54[15][16][17] 工作 X 频
    段集成收发模块图 511 示
    表 54 集成收发模块性参数灵敏度
    性 参 数
    频段
    发 射 模 块 接 收 模 块
    尺寸
    (in3 )
    重量
    (oz)
    射频
    功率
    ( W)
    增益
    (dB)
    效率
    ()
    增益
    ( dB)
    噪声
    系数
    (dB)
    均方根相位误差
    增益
    (dB)
    相位( )
    L 频段 * 11 35 30 30 30 08 50 40 40
    S 频段 10 31 16 25 41 05 40 24 24
    S 频段 2 23 22 27 38 NA 46 29 36
    SX 频段** 2 30 25 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 025 NA
    X 频段 25 30 15 22 40 06 60 07 07
    性灵敏度
    参数
    漏电压增益灵敏度
    漏电压相位灵敏度
    发射
    1 dBV
    4 V
    接收
    1 dBV
    2 V
    * 包括发射输出接收输入混合级 ** 仅指发射放器
    图 511 X 波段集成收发模块第 5 章 固态发射机 · 163·
    54 发射机系统设计
    固态放器通常空间合成结构组合合成结构两者混合面已提发射机
    采固态化优点性细微差面段中讨
    系统灵敏度
    峰值均功率差
    固态放器真空型放器佳工作特性间晶体均功率器件
    真空典型峰值功率器件差产生工作特性极影响整系统设计
    微波晶体峰值输出功率受电特性限制均功率输出力取决热布局晶
    体工作脉宽度设计成窄( 10 s)中( 10~150 s)宽( 150 s) 3 种脉
    宽度具占空范围(高占空连续波时 100)真空峰值均功
    率高工作窄脉低占空晶体峰值功率输出力
    工作连续波时峰值功率力 2~3 倍 固态工作偏爱宽脉 高占空
    需窄脉中取高峰值功率改型系统固态发射机采购费高法接受
    果改变波形 支持较高占空 终降低发射机费 着占空增加
    晶体单位功率费会降低旦降低费差额足补偿适应宽脉信号处
    理增加费时较低廉发射机实现
    幅度相位灵敏度
    采丙类偏置器件晶体放器显示出射频驱动电敏感降低输出
    脉特性单级放器通常呈现窄线性转移特性线性区仅存窄 1~3 dB
    窗口部分放器结构中常见样丙类偏置放器串联时情况变
    尤突出串行放链输出晶体末级必须前级驱动饱区作时间温度函
    数驱动值必须保持相恒定器件具窄工作区域级放器输入射频
    驱动电少许减少末级器件脱离饱终结果输出脉保真度产生接受
    降低解决方法涉驱动电监测点变电源电压反馈通路反馈电源
    电压驱动电工作条件保持规定范围 [10]
    脉包络失真关问题外晶体放器电源纹波相位幅度灵敏度
    影响达 MTI 改善子面已阐述放级灵敏度级放器中
    串行级联级电源灵敏度导致相位误差相加 MTI 改善子限制
    dlg20I (52)
    式中 d 引入相位纹波幅度相应放器幅度稳定引起改善子限制
    )dlg(20 AAI (53)
    式中 dA A 分幅度纹波幅度电压
    射频输出脉包络时间抖动源电源电压纹波模块工作丙类限制
    MTI 改善子影响产生限制第 5 章 固态发射机· 164·
    )dlg(20 TtI (54)
    式中 dt 时间抖动 T 脉宽度采脉压缩技术 T 发射脉宽度
    压缩脉宽度
    外细致设计必须考虑固态放器级级联带相互影响包括容
    (1)级联级相位误差简单相加然通适调整级电源纹波相位相位
    误差相消类似 N 联模块放级中模块高
    频功率受控电源果电源时钟特意没步通常认总相位纹波减少 N
    方根倍
    (2)饱影响级联级幅度误差简单相加然驱动级幅度误差引起
    级纹波诱导相位变化述误差必须加考虑
    (3)( 1)中述级联级时间抖动简单相加非采取措施消取方
    开方外射频驱动幅度波动引起纹波感应抖动甚超电源电压纹波
    感应抖动时间抖动必须认真加测量
    谱辐射
    放器采丙类偏置矩形射频驱动脉作模块时放器通常显示出纳秒
    级升降时间该脉波形输出谱满足谱辐射求必减缓升降
    时间 放级串行级联时 做点困难 前节说明极端非线性效应
    丙类放级倾加速驱动脉升降时间获求输出脉
    谱分量采具慢升慢降时间输入脉波形必须
    必须外部偏置注入网络升降时间控制变复杂脉降时间通
    常快 纳秒数量级 然 高功率晶体放器升时间较慢 100 ns数量级
    晶体导通时发射极偏置回路中瞬时电流遇反偏置缘基极工作
    时设计难题基极结构常常必频率约 1 GHz 时
    提供发射极更功率增益
    功率合成
    想单端口获非常高输出功率需量模块输出进行合成复杂
    合成设计必需功率合成器模块射频输出电压相参叠加模块输出功率
    总减合成器损失传送单端口 模块电路设计者许功率合成 分配结构
    显示出某特性 [18]通常功率合成器求
    (1)合成器应具低插入损失发射机功率输出效率受影响
    (2)合成器端口间应具射频隔离障模块会影响剩余工作模块负载阻抗
    合成效率
    (3)合成器应放器模块提供控射频阻抗放器性致降低
    (4)合成器性应远高发射组件性
    (5)功率合成器终端负载承受功耗力应足适应种放器障组合
    (6)合成器机械封装应便模块维修 封装应放器模块合成器间提供短
    等相位低插入损失互连第 5 章 固态发射机 · 165·
    功率合成器设计电抗型混合型(等效魔 T 型)混合型
    设计中合成电压意相位幅度衡差送电阻性终端终结果
    条件甚相邻合成模块障时放器模块呈现恒定负载电阻
    电抗型合成器设计中两输入信号意功率相位衡导致功率反射驻波增
    加(驱动模块说) 高驻波未采取保护措施功率放器模块合成器反
    射回量损坏外种结构导致频率变化相位幅度纹波
    构造高功率合成器典型射频传输媒介包括轴传输线微带带状传输线波
    导传输媒介选择取决许参数包括峰值均承受功率工作频率工作带宽机
    械封装限制然包括容忍总损耗合成器设计常采级联设计分级结构
    合成许模块输出 [10] 采端口合成单端口独特结构 [19][20][21]
    固态发射机设计举例
    ANTPS— 59
    ANTPS — 59(参见 201 节)美通电气公司电子系统部美海军陆战队生产全
    固态 L 波段远程三坐标防空警戒雷达 [22] 该雷达具战术机动性拖车载
    转动天线两雷达方舱组成两雷达方舱安装数字信号处理机波形产生器预
    处理器计算机外设显控台维修方舱该雷达探测范围 300 n mile 高
    度达 100000 ft 200 n mile 1m2 起伏目标检测概率 90 360 方位圆
    周机械扫描 20 仰角电扫描 15 ft ×30 ft 转动天线安装 54 行收发器收
    发器驱动射频分配板行 24 偶极子天线单元馈电均占空 18时
    系统输出峰值功率 54kW
    行电子电路 54 行馈电网络馈电行电路发射预放器发射放器移相器
    环行器逻辑控制电路组成行电路末端输出级中 10 100 W 发射放器模块
    功率放器两功率较 25 W 器件驱动 55 W 硅双极晶体组成 28 V 直
    流电源电压 55 W 晶体 1215~1400 MHz 频率范围提供增益约 70 dB3
    器件焊接金属陶瓷密封封装氧化铍晶体片图 512 示
    图 512 ANTPS — 59 发射机放模块第 5 章 固态发射机· 166·
    通电气公司述系统变型 GE — 592 型号售予北西洋公约组织国
    ANFPS — 117 型号售予美国空军 ANFPS — 117 雷达阿拉斯加加北部柏林美国
    空军服役该雷达南鲜冰岛北西洋公约沙特阿拉伯作盾牌计划部
    分验证雷达 MTBF 已超说明书 1076 h100 W 固态射频功率放
    器模块 MTBF 已超 750000 h
    铺路爪( Pave Paws)
    铺路爪( ANFPS — 115)雷达系统美雷声公司设备部美国空军电子系统部生产
    UHF 频段全固态源孔径相控阵雷达 [23]该雷达探测踪海面发射弹道导弹
    命远程系统该雷达阵面 1792 源收发模块偶极子天线辐射单元馈电
    接收时额外天线单元窄波束 具备升级阵列面安装 5354 收发模块
    力基准系统阵面输出峰值功率 600 kW 均功率 150kW
    阵面 1792 模块中组 32 收发模块作子阵列发射时功率
    阵列预驱动器驱动 56 子阵列驱动放器种功率放器子阵列中 32
    模块提供足够射频驱动功率接收时 56 子阵列信号送接收波束形成网络
    收发模块包括预驱动器驱动器发射输出末级收发开关低噪声放器限幅器
    移相器逻辑控制电路 收发模块框图图 513 示 片图 514 示 收发模块发
    射机部分包括 7 丙类工作工作电压直流 31V 硅双极功率晶体放器 124 结
    构 4 末级级输出峰值功率 110 W脉宽 16 ms占空 25表 55 列举
    模块突出性特性 25 000 模块晶体数超 180000
    表 55 铺路爪 Pave Paws 固态收发模块性 *
    参 数 性 技 术 指 标
    输出峰值功率 330 W 322 W
    输出功率踪 024 dB rms 058 dB rms
    发射相位踪 67°rms 14°rms
    发射相移误差 252°rms 46° rms
    接收相移误差 230°rms 46° rms
    效率 379 36
    接收增益 34 dB 27 dB
    接收增益踪 057 dB rms 081 dB rms
    接收相位踪 556°rms 10°rms
    噪声系数 271 dB rms 29 dB rms
    *注:频率 420~ 450MHz 脉宽 025~16ms占空 0~ 25

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