栏目分类
母狗 调教 L波段雷达功率放大器筹算和优化
发布日期：2024-12-05 04:08 点击次数：106
跟着通讯时间的飞快发展，L波段的射频功率放大器已在通讯、电子招架及测试等多样微波系统中得到普通的应用[1-10]。因该功率放大器性能厉害将径直影响微波系统的测量精度母狗 调教，是以对其效果和袖珍化的经营已成为连年来的热门之一[11]。现在国内对于功率放大器的经营主要和洽在其带宽和功率方面[12]，而对于低频段、效果、袖珍化等的经营报说念较少。科研东说念主员基于合奏凯率链路，筹算并考据了高功率放大模块，通过增多功率部件数目并联结功率合成的格式来已矣较大的功率输出[13]。随后，他们又对合成结构进行了优化，禁受二进制树形结构、链式结构、多路功率一次性合成来已矣功率合成[14]。此外，运用由射频电路组成的合成收集将输入信号等幅分为N路，并按照一定的相位联系分拨至N个由单卡级联组成的放大链路进行功率放大，再通过合成收集将各路放大链路的输出功率进行累加，以此达到大功率输出[15- 16]。由于大功率放大器的损耗会跟着合成路数的增多而成指数增长，会大幅度贬抑功率放大器的输出效果，因此该类放大器不行舒服体积小、效果高档应用条款。
跟着建造向概括化意见的发展，居品袖珍化和国产化的需求渐渐飞腾，对L波段射频功率放大器的功率、带宽、效果、体积、闲散性等提议了更高的条款[17-21]。为此，本文筹算了一种L波段雷达功率放大器，以处理现存的功率放大器体积大、效果低、可靠性低、闲散性差等问题。通过模拟雷达责任环境，酿成了功率放大器的时间意见。在实质工程应用中能已矣雷达链路射频信号的功率放大。
1 系统筹算及责任旨趣 1.1 功率放大器系统L波段雷达功率放大器是由多组基本功放单位径直串和洽成，这么可使整个功率放大器电路损耗贬抑，功放输出功率和效果能大大升迁[22-25]，从而已矣闲散的6 W峰值输出。系统责任旨趣如图1所示。
图 1 雷达功率放大器旨趣图
Figure 1 Schematic diagram of radar power amplifier
该功率放大器由射频链路、电源保护收敛电路两个部分组成。射频链路的责任旨趣：当先，把（5±1.6） mW的小功率信号通过增益放大后变为160 mW的信号，放大后的信号再经过电调衰减单位进行功率颐养；其次，运用脱手放大电路进行信号放大，得到输出功率为1 W；再次，禁受末级功放单位将输出的1 W功率放大到10 W；终末，在输出端信号分为两路，通盘经过迂曲器后输出为6 W，另通盘经过耦合、检波、放大、比拟等电路处理，已矣功率教导及故障上报功能。外部+15 V电源经过降压稳压、正转负、保护电路后，再通过脉冲调制，为射频链路提供正负电源。整个功率放大器运用较为锻真金不怕火的摩擦焊等时间，将射频电路板烧结在模块中。电源保护收敛电路用盘头螺钉固定在模块中，并用疏淡的迂曲压条将其进行物理迂曲，以增多功率放大器的闲散性并减少射频电路与电源保护收敛电路的互扰。通过合理排布电路结构，优化电路布局，提高模块的效果和袖珍化水平。同期也保证了射频、电源和收敛信号的齐备性，使得该功率放大工具备体积小、功耗低、可靠性高、噪声低、性能优良、成就活泼及闲散性高档本性。系统筹算的主要时间意见如表1所示。
表 1 主要时间意见
Table 1 Main technical indices
1.2 输出功率分析和优化 1.2.1 输出功率仿真分析 功率输出是筹算的要害点和难点，既要保证输出功率闲散在6 W，又要确保输出功率平坦度小，即带内波动小于1.12 mW。运用HFSS软件将筹算好的匹配电路和射频链路进行仿真，并对举座电路进行输出功率仿真。雷达放大器仿真电路结构如图2所示。
图 2 雷达放大器电路仿真图
Figure 2 Radar amplifier circuit simulation diagram
为了进一步考据该决议的可行性，对该功率放大器的输出功率进行了仿真。给定输出频率界限为1150～1400 MHz，责任区域的输入信号功率为（5±1.6）mW，通过仿真得到深度弥漫弧线，如图3所示。深度弥漫常用最大输出功率来预计。
图 3 弥漫弧线仿真图
Figure 3 Simulation diagram of saturation curve
从仿真结果可知，该功率放大器的深度弥漫弧线呈对称式。在1150～1400 MHz频率区间内，输出功率均大于6 W。当频率达到1.3 GHz时，得到最大输出功率为8 W。输出功率均大约舒服L波段雷达功率放大器对输出功率的条款。
1.2.2 效果评估和优化为了提高效果，本筹算当先基于负载线表面对放大器的的效果进行猜度。说明功率放大器电流电压可猜度出表面最大输出功率Pmax，其抒发式为
$ {P_{\max } = {\dfrac{1}{2}}{V_1}{I_1} + {P_{\rm{CC}}} + {P_{\rm{C}}} \approx {P_{\rm{out }}} + {P_{\rm{CC}}} + {P_{\rm{C}}}} $ (1) $ {{P_{{\rm{out }}}} = A{P_{\rm{I}}}} $ (2)式中：V1、I1为输出的动态电压与电流；Pout为实质输出功率；A为衰减统共；PI为功率计的实质读数；PCC为输出线缆的损耗；PC为输出衰减抵偿。电路中的总功耗为
$ P = {V_2}{I_2} $ (3)由式（1）、（2）、（3），可得到电路的输出效果为
$ \eta = \dfrac{{{P_{\max }}}}{P} = \dfrac{{\dfrac{1}{2}{V_1}{I_1} + {P_{\rm{CC}}} + {P_{\rm{C}}}}}{{{V_2}{I_2}}} = \dfrac{{A{P_{\rm{I}}} + {P_{\rm{CC}}} + {P_{\rm{C}}}}}{{{V_2}{I_2}}} $ (4)式中：P为静态总功耗；V2、I2为输出的静态电压与电流。由此可求得功率放大器筹算的预估效果值为η=50%。由于迂曲器等元器件的损耗，在实质测试中的效果会略低于表面猜度。因此，在筹算历程中通过进一步优化电路结构，如选择高效果、低功耗元器件，不错提高系统举座效果。
1.2.3 输出功率带内波动优化输出功率的带内波动是指在全频段内输出功率的波动情况，即输出功率的平坦度。它反应了功率放大器输出功率的线性失真变化。当带内波动超出容差界限时，卓绝于有强侵扰信号，这将影响雷达平方责任。经常可说明测试的全频段内输出功率来获取带内波动的变化界限。具体要害是，在频率1150～1400 MHz界限内以10 MHz为步长成立25个频点，测试不同频点下输出功率的大小并进行差猜度，即可猜度出带内波动。带内波动可久了为
$ \varDelta = {P_{\max 1}} - {P_{\min }} {\text{≤}} 1.12\;{\rm{mW}} $ (5)式中：Δ为带内波动；Pmax1为25个频点中最大输出功率；Pmin为25个频点中最小输出功率。影响带内波动的要素许多，其中影响最大的是电源电路和射频链路。为了处理带内波动问题，禁受了如下要害：当先将100 µF/25 V 钽电容和470 µF固态电解电容进行并联，并一语气到射频链路供电端，滤除由电源电路带来的侵扰信号；然后在末级功放芯片旁路的不同位置焊合0603封装的小容量电容进行不停优化调试，从而使得该功率放大器组件能达到带内波动平坦度：≤1.12 mW（全温段、全频段）的条款。
1.3 脉冲顶降表面分析和优化脉冲顶降是功率放大器的挫折意见之一，反应了功率放大后的脉冲信号的放射功率、频谱本性、脉冲飞腾下落时刻、闲散性等本性。脉冲顶降的大小影响输出功率的品性，对于雷达的平方责任产生较大的影响。实质测试中的脉冲顶降波形如图4所示。
图 4 脉冲顶降久了图
Figure 4 Diagram of pulse top drop
由于脉冲顶降的存在，使得该脉冲相对于理念念矩形脉冲存在顶部不屈坦、脉冲前后沿的瞬态响应较慢的气象。脉冲顶辖下落的幅度为
$ \Delta P = P_1 - P_2 $ (6)式中：P1为脉冲顶部最大值；P2为脉冲顶部最小值。由此可猜度出脉冲顶降为
$ K = \Delta P/P_1 $ (7)式中K为脉冲顶降值。酿奏凯率放大器脉冲顶降的主要原因有两个：一是开始于电源调制开关电路，该电路中含有不行使电压、电流突变的元器件（举例稳压二极管、绕线电感等），是以产生了脉冲顶降；二是末级功放管的本人顶降本性，但该顶降较小，不错忽略不计。因此，减小脉冲顶降的重心是优化开关电路。
优化开关电路的主要要害有两种：（1）电路筹算时，尽可能让匹配滤波电容围聚馈电电路，同期增多旁路滤波，减少引线电感，优化开关电路的结构，在一定进度上能减小脉冲顶降；（2）选择合适的大容量储能电容，此种要害能更显然地抵偿脉冲波形。
接下来将对电路储能电容进行优化筹算，并对筹算决议进行考据和有计划。当先猜度合适的大容量储能电容[25]，其抒发式为
$ {{{C}}_{\rm{EC}}} = \left( {2 \times {V_1} \times {{{I}}_{\rm{peak}}} \times t} \right)/\left[ {{{\left( {{V_1}} \right)}^2} - {{\left( {{V_2}} \right)}^2}} \right] $ (8)式中：Ipeak为峰值电流（mA）；t为责任脉宽（ms）；CEC为储能电容容值（µF）。
说明放大器的筹算意见，脉冲顶降应小于5%，即痛快输出功率比表面筹算功率低一定的比例。将其调遣成输出功率与表面筹算功率比值，则输出功率与表面筹算功率的比值可久了为
$ {{P_{\rm{r}}} = 10\lg {\rm{ ( }}P_{\rm{out}}{\rm{/ }}P_{\rm{ max }}}) $ (9)将式（7）代入式（9）中，得到
$ {P_{\rm{r}}} = 10\lg {\rm{ }}\left( {1 - K} \right) $ (10)由于输出功率与供电电压密切关联，输出功率下落时则供电电压也一定产生了下落。当ΔP=0.445 dBm时，相对应的最大输出功率下落0.445 dBm。说明功放芯片筹算手册可知，其供电电压相应地下落0.4 V。当设定V1=10 V、V2=9.6 V时，将峰值电流（Ipeak=4 000 mA）和最大责任脉宽（t=0.4 ms）代入式（8）中，可猜度出末级功放管开关电路所需的储能电容的大小为4 081.633 µF。琢磨到电路中存在等效串联电阻（ESR）、等效串联电感（ESL）和纹波电流，可折柳将12只规格为330 µF/16 V（E壳）钽电容和2只100 µF/25 V（E壳）钽电容并联在开关电路中，以摈斥电路中侵扰信号的影响。
通过履行测试可得，优化后的电路大大减少了脉冲电压的纹波和高频尖刺噪声对信号的侵扰，灵验贬抑了脉冲顶降和改善脉冲频谱。优化后的电路旨趣图如图5所示。
图 5 优化后的电路旨趣图
Figure 5 Schematic diagram of optimization circuit
1.4 热筹算表面分析和优化 由于系统举座功耗较大，发烧比拟严重，且责任环境较为复杂、散热困难，这将大大裁汰该功率放大器的寿命。奈何优化和升迁功率放大器的散热效果是居品筹算时需要重心琢磨的内容。
灵验的散热步骤能保证功率放大器责任时的热均衡，因此在筹算和工艺上选拔了以下两个贬抑热阻的步骤：
（1）将末级功放管用螺钉固定（紧贴）在腔体上，功率放大器电路板与腔体用焊锡膏烧接，使其充分搏斗后通过传导散热、对流换热、辐射换热确保热量奏凯传递出去。
（2）以挫折元器件的责任结温来预估功率放大器的极限温度。当元器件责任结温升高时会使晶体管的电充军大倍数迅速增多，导致集电极电流增多，又使结温进一步升高，最终导致元器件失效。说明热阻表面公式，对末级功放管的结温进行模拟猜度。当先猜度末级功放管产生的总热阻Rth，即
$ {R_{{\rm{th}}}} = {R_1} + {R_2} + {R_3} $ (11)式中：R1为器件结与壳之间的热阻（℃/W）；R2为壳到散热器的热阻，即搏斗热阻（℃/W）；R3为绝缘垫片的热阻（℃/W）。由此可进一步猜度出末级功放管的责任结温T1，即
$ {T_1} = {T_2} + 10\lg \left( {P \times {{10}^3}} \right) \times {R_{{\rm{th}}}} $ (12)式中：T2为末级功放管处散热器的名义温度；P为平方的输出功率（W）。将式（11）代入式（12）可得
$ {T_1} = {T_2} + 10\lg \left( {P \times {{10}^3}} \right) \times \left( {{R_1} + {R_2} + {R_3}} \right) $ (13)设T2=94.6 ℃，P=6 W，R1=0.45 ℃/W，R2=0.15 ℃/W，R3=0.3 ℃/W，将这些代入式（13）中，则猜度出末级功放管的责任结温为±128.6 ℃。
因此，在参考整个挫折元器件的责任结温后，最终设定了该功率放大器的极限温度为±80 ℃，这么可灵验确保功率放大器平方责任。
2 履行系统说明实质时间参数要乞降居品筹算标准，筹算并搭建了履行系统。对该功率放大器的输出功率、脉冲顶降、脉冲飞腾下落时刻、主副瓣比、主杂波比等参数进行测试。履行系统结构如图6所示。
图 6 履行系统结构图
Figure 6 Structure diagram of experimental system
履行系统参数为：电源电压Vcc=（+15±0.5） V；脉冲发生器输出脉宽为300 µs，占空比为10%，峰峰值电压为Vpp=5 V；输入信号为L波段（1150～1400 MHz），峰值功率为（5±1.6）mW。为看护功率过大损坏测试仪器，在功率放大器的输出端外接1 W衰减器。履行测试平台如图7所示。
图 7 履行平台
Figure 7 Experimental platform
履行时，用标量收集分析仪给功率放大器输入一个一语气波信号，再用脉冲发生器的TTL信号对功率放大器进行调制，终末得到功率放大器的输出信号。当先，勤奋率计测出功率放大器在该频率界限内的输出功率；然后，用检波器次第测试功率放大器的脉冲顶降包络本性以及脉冲飞腾下落时刻；终末，运用频谱仪测试功率放大器的功率谱主副瓣比和功率谱主杂波比。
3 履行数据及分析 3.1 输出功率测试履行时，禁受抽样的要害中式10只功率放大器。在测试功率放大器每一个时间意见时，保合手其他参量不变，同期转变功率放大器的责任环境温度。折柳对输出功率、脉冲飞腾下落时刻、脉冲顶降、功率谱主副瓣比、主杂波比进行测试，以考据功率放大器性能参数的闲散性。
在1150～1400 MHz责任频率下对雷达功率放大器的输出功率进行测试，测试结果如图8所示。
图 8 输出功率
Figure 8 Output power
由图（8）可知，测得的输出功率为3.929 dBm，加上衰减器衰减值30 dB和线缆损耗3.87 dB，可得到功率放大器的输出功率为37.799 dBm，类似为6 W。
为进一步考据该功率放大器在极限温度下输出功率的闲散性，对10只居品进行±80 ℃极限温度西宾，测试结果如图9所示。
图 9 输出功率闲散性测试
Figure 9 Output power stability test
从图9（a）不错看出：未封盖的功率放大器输出功率波动≤0.7 dBm（1.18 mW），部分模块输出功率低于额定输出功率；封盖后的功率放大器输出功率波动≤0.5 dBm（1.12 mW），且输出功率均大于额定输出功率。对封盖后的功率放大器进行上下温测试，其输出功率如图9（b）所示。从图9（b）不错看出：在±80 ℃极限温度环境下，功率放大器输出功率均大于额定输出功率，且输出功率最大波动≤0.5 dBm（1.12 mW）。对比时间意见不错看出：在极限温度界限内，L波段雷达功率放大器受环境温度影响较小；输出功率 ≥ 6 W，且输出平坦度≤1.12 mW，考据了该功率放大器输出功率安妥雷达应用条款。
3.2 输出脉冲性能测试在±80 ℃环境下，对功率放大器的输出脉冲信号进行测试，对输出脉冲信号进行顶降、飞腾下落时刻猜度。
（1）脉冲顶降测试
图10为脉冲顶降统计图，由图不错看出，在±80 ℃极限温度环境下该功率放大器的脉冲顶降<1.5%，最大波动值≤0.2%。该参数小于脉冲顶降筹算意见（≤5%），输出信号的闲散性受环境温度影响较小，其西宾结果较为显然，考据了该功率放大器脉冲顶降安妥雷达应用条款。
麻豆肛交
图 10 脉冲顶降统计图
Figure 10 Statistical chart of pulse top down
（2）脉冲飞腾、下落时刻测试
图11为脉冲飞腾下落时刻统计。从图11（a）不错看出，在±80 ℃极限温度环境下该功率放大器的脉冲飞腾时刻接近0.07 µs，最大波动值为0.03 µs。从图11（b）不错看出，在± 80 ℃极限温度环境下该功率放大器的脉冲飞腾时刻< 0.1 µs，最大波动值≤0.02 µs。该功率放大器的瞬态响应较快，与时间意见条款的0.2 µs对比可知，输出响当令刻受环境温度影响较小。
图 11 脉冲飞腾下落时刻统计
Figure 11 Statistics of pulse rise and fall time
3.3 功率谱主副瓣比、主杂波比测试 （1）功率谱主副瓣比测试
图12是功率放大器的输出功率谱，中间功率最大的部分为主瓣，其他次第为第1副瓣，第2副瓣等。它是反应功率放大器辐射是否和洽以及不同意见辐射强度的相对大小，通过测试该参量大约灵验地匹配雷达。
图 12 输出功率谱
Figure 12 Output power spectrum
图13为功率放大器在±80 ℃极限温度环境下测试的主副瓣比。从图13可知，主副瓣媲齐备值均大于筹算参数（12.5 dB），且主副瓣比在上下温环境下均能舒服实质应用需求。
图 13 主副瓣比统计图
Figure 13 Statistical chart of main and side lobe ratio
（2）功率谱主杂波比测试
图14是输出信号功率谱主杂波比测试图，该参量反应的是除被探伤意见之外的其他物体的散射回波。通过测试不同温度下主杂波比，来分析雷达探伤本事受环境的影响情况。
图 14 输出功率谱
Figure 14 Output power spectrum
图15是主杂波比统计图。由图15不错看出，在±80 ℃极限温度环境下该功率放大器的主杂波比均大于系统筹算意见（65 dB），且主杂波比在上下温环境下均能舒服实质应用需求。
图 15 主杂波比统计图
Figure 15 Main clutter ratio statistics
4 结 论 本文筹算了一种L波段雷达功率放大器。对功率放大器进行了先容，并进行表面猜度与仿真分析。对功率放大器的输出功率、脉冲顶降和热筹算进行了表面猜度与优化。搭建了功率放大器的履行系统，并对履行系统进行了性能测试。实测结果标明，研制的L波段功率放大器输出功率>6 W，峰值功率达到8 W，功率波动≤1.12 mW，脉冲顶降<1.5%，脉冲飞腾下落时刻<0.1 µs，功率谱的主副瓣比>12.5 dB，主杂波比>65 dB。在极限温度环境下对系统进行测试，其主要时间意见安妥筹算参数条款。该功率放大工具有高可靠性、高闲散性母狗 调教，可普通应用于民用和军用雷达中，具有很好的应用远景。
