一种星载脉冲行波管放大器的设计 - 真空技术网
一种星载脉冲行波管放大器的设计
来源:真空技术网（）中国船舶重工集团公司　作者:朱元江
　　本文介绍了一种星载脉冲行波管放大器的设计方法，主要内容为脉冲高压电源的设计和系统的集成设计，并研制出一款X波段星载脉冲行波管放大器。该脉冲放大器1GHz带宽内输出功率大于800W，占空比大于20%，效率大于42%，重量小于4kg。经过测试表明，该X波段星载脉冲行波管放大器具有体积小、重量轻、效率高，保护措施完善，具备自动检测功能等特点，适用于星载应用场合。
　　星载脉冲行波管放大器对体积、效率、重量和可靠性等方面要求苛刻，设计时应综合考虑器件选型、材料选择、结构热设计、控制保护设计和冗余设计等方面。实现上述要求，需要行波管和高压电源同时达到甚至超过上述要求，并将两个部分集成为一个整体，形成行波管放大器。
　　行波管(Traveling　Wave　Tube)是一种广泛使用的功率放大器器件，其主要特点为：功率大、工作频带宽宽、增益高和副特性指标易实现等，尤为重要的是行波管可以具有很高的效率。通常采用多级降压收集极(Multistage　Depressed　Collector)来提高行波管的效率，目前欧美等发达国家及我国都已实现五级降压收集极的行波管，收集极效率达到70%以上，行波管的效率从单级降压收集极的10%左右提升至五级降压收集极的60%左右。
　　为了保证行波管放大器具有体积小、重量轻、效率高和可靠性高等特点，与行波管配套的高压电源重要性不言而喻。为了实现行波管放大器高指标要求，高压电源输出的各极电压必须具有良好的稳定度和较低的纹波。脉冲高压电源必须具有效率高，有利于减轻脉冲高压电源的热设计压力，为体积和重量的减小提供了可能，随之可以大大提高脉冲高压电源的可靠性。星载脉冲高压电源因其特殊的应用背景，在设计时需要考虑的问题更趋复杂化，例如：交叉调整率，适应脉冲负载特性，抗短路特性等。
1、主要技术指标
　　星载脉冲行波管放大器作为一种特殊用途的微波功率模块，有着苛刻的指标和环境适应性要求，通过一体化集成方式将行波管和高压电源集成一个整体，通过优化电源的参数实现行波管和高压电源的最佳匹配，最终实现体积小、重量轻、效率高和稳定可靠的脉冲行波管放大器。与此同时，脉冲行波管放大器应具备长期在轨工作能力和状态实时回报功能。本文介绍的星载脉冲行波管放大器，其主要指标如表1所示。
表1　星载脉冲行波管放大器主要指标
2、放大器的组成与工作原理
　　脉冲行波管放大器主要功能是将射频前端输出的恒激励信号进行放大，形成高功率输出。放大器主要由两大部分组成：脉冲高压电源和脉冲行波管，脉冲高压电源主要由控保电路、逆变电路和栅极调制器电路等组成，形成行波管各级所需的电源。行波管采用的是四级降压收集极，阴极采用特殊工艺实现长寿命，通过加载和杂波注入等方式实现良好的杂波抑制。星载脉冲行波管放大器构成框图如图1所示。
图1　星载脉冲行波管放大器组成框图
　　行波管采用串联馈电方式，简化高压电路的设计难度，阴极和各收集极电压由高压逆变电路产生，通过稳定阴极电压，实现各收集极电压的稳定，收集极电压稳定度控制在0.5%左右，阳极电源、辅助电源和栅极导通、截止电源由低压逆变电路产生，低压逆变电路产生的输出需进行二次稳压，形成放大器各部分低压电路和栅极调制器供电。行波管电子注通断采用典型的栅极调制开关电路实现。
　　控保电路接受外部控制，按设定程序完成放大器开关机。开机时，低压逆变电路开始工作，先进入灯丝预热状态，此时阳极电源、栅极截止电源和辅助供电部分开始工作。3min后，高压逆变电路开始工作，同时产生行波管阴极和各收集极电压。高压建立后，栅极调制器开始工作，启动行波管。另外，在工作过程中，放大器实时监控工作状态，实现过欠压和过温保护、高压电源输出各极间打火保护、过脉冲宽度保护、过占空比保护和螺旋线过流保护等。
3、高压逆变电路设计
　　高压电源是脉冲行波管放大器的关键组成部分，选择一种合适的拓扑结构，实现高压电源的高效率、小体积和高可靠性等显得尤为重要。为了达到上述目的，高压电源设计采用基于一种改进后的电流馈电型推挽DC-DC拓扑。该拓扑采用主动嵌位和零电压开关(ZVS)技术可实现高达94%的效率。图2为高压逆变拓扑图。
图2　高压逆变拓扑图
　　为减小高压电源的体积和重量，将高压电源开关频率设计为100kHz，以减小磁性器件和滤波电路的体积；采用串联馈电技术实现阴极和各收集极馈电，串联馈电指的是利用一个变换器同时产生阴极高压和收集极高压，由于高压电源的输出反馈取样只针对阴极电压，其它收集极电压均是由阴极电压中间抽头产生。多收集极行波管高压电路的设计还应考虑各个收集极电流的差异和收集极电压对行波管效率的影响，适当设计变压器，电压要求敏感的，需与初级保证较好的耦合。
　　本例所涉及的高压电源输出电源高达8kV，高压变压器的变比较高，为尽量避免高压变压器分布参数对高压电源的影响，次级采用倍压整流的方式减小高压变压器变比。
4、低压逆变电路设计
　　低压逆变电路产生灯丝、栅极导通和截止、阳极电源、辅助电源。灯丝采用浮动稳压技术实现稳压，其它输出均为从输出，需进行二次稳压。该部分功率约为20W，为简化变压器设计，采用半桥谐振拓扑结构，输出电压较高的栅极电源和阳极电源采用倍压方式实现。该拓扑结构线路简单，元器件较少，在中小功率电源中应用广泛。低压逆变电路拓扑图如图3所示。
图3　低压逆变拓扑图
5、栅极调制器电路的设计
　　栅极调制器采用浮动板调制器，包括信号产生单元、隔离变压器，脉冲整形单元和MOS管组成，主开关管V1控制信号的前沿控制主开关管V1的导通，导通后通过V1的寄生电容C1保持高电平，以维持主开关管的导通，后沿控制主开关管的关断。截尾前沿控制主开关管V1的关断和截尾开关管V2的导通。通过主开关管V1和截尾开关管V2的导通和关断实现行波管电子注的通断。栅极调制器的原理框图和电路图如图4、图5所示。
图4　栅极调制器原理框图
图5　栅极调制器电路图
6、控制与保护的设计
　　控制模块以一片FPGA、电源管理电路、外围接口电路和瞬变抑制电路组成，其中FPGA 为核心，解析外部指令，控制EPC工作。控制模块电路示意图如图6所示，其中虚线内为FPGA 的内部电路，其它部分为外部分立芯片。该部分电路主要完成以下功能：①完成行波管工作所需的开关机时序动作，保证在开关机时序正确；②实现供电欠压保护，高压欠压、过压保护，母线加反保护，行波管打火保护，过功率保护，过脉冲宽度保护，螺流过流保护，占空比保护等功能；③输出行波管放大器的状态信息，如螺旋线电流遥测、输入总线电流遥测、保护状态遥测等。
图6　控制模块电路框图
7、结构设计和热设计
　　星载脉冲行波管放大器由高压电源和行波管组成，结构的设计主要针对高压电源。高压电源外壳采用铝合金材料，表面涂层采用特殊材料，使辐射系数大于0.85。高压电源内部采用模块化设计，分为低压控制电路、低压逆变电路、高压逆变电路、浮动灯丝栅极调制器电路等四部分，各个部分相互独立，内部连线采用焊接方式提高功率密度，部分高低压电路采用厚膜工艺集成。高压电源内部高压部分采用绝缘高导热材料整体灌封工艺，发热器件均贴底板安装。设计完成后，高压电源的体积为280mm&60mm&100mm，行波管体积为280mm&30mm&40mm。在热设计方面，行波管为四级降压收集极，效率高达50%以上，高压电源效率为90%以上，热功耗较小，安装在冷板上散热即可。
8、测试数据与实物
　　星载脉冲行波管放大器进行了完整测试，并进行了长时间连续工作，性能稳定，指标满足要求，并实现了脉内噪声功率谱密度小于-20dBm/MHz，脉间噪声功率谱密度小于-100dBm/MHz，脉间相位误差小于5&等指标。放大器样品实物见图7。
图7　星载脉冲放大器样品实物图
　　本文介绍了一种星载脉冲行波管放大器，该放大器有高压电源和行波管两个部分组成。高压电源输出最高电压为-8kV，最大输出功率为400 W，效率可达90%以上，各收集极空满载电压变化率小于5&。行波管采用四级降压收集极，输出峰值功率大于800W，效率可达50%以上，谐波抑制和杂散抑制分别为-20，-40dBc，行波管放大器其它副特性指标均满足要求。测试结果表明该星载脉冲行波管放大器具有效率高、体积小、重量轻、保护措施完善和副特性指标好等特点，满足星载应用条件。
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　　对/微波通信应以而言，放大器主要完成两大任务，一是增强接收机的低电平信号，一是提升发射机的高电平输出信号。虽然它们的功能、尺寸和功率要求不尽相同，但这两种放大器都受益于技术的持续改进。
　　根据输出要求的不同，放大器种类十分广泛，可以从微型芯片到带数字接口的完整子系统。一般来说，更高集成度，比如将放大器和其它收发器件一起嵌入在芯片上，仍然受到小信号设计的欢迎。而大多数大或仍采用分立晶体管和分立匹配器件进行设计。功率晶体管的体积本身就要比低噪声或小信号晶体管大。它们比低噪声晶体管散发更多的热量，需要更大的支撑性(阻抗匹配、供电)无源器件，这些都使得功率放大器的体积要大过低噪声放大器(LNA)。功率放大器的工作电流在安培数量级，而LNA只需要毫安级的电流。
　　微波低噪声设计和功率放大器设计曾经都由GaAs场效应晶体管(FET)主导。但其它晶体管架构的不断推出，如GaAs异质结双极晶体管(HBT)和高迁移率晶体管(HEMT)，给高频LNA放大器设计师提供了替代传统高频硅双极晶体管和GaAs FET的可能。对于较高频率的功率放大器来说，GaAs FET仍是必选的器件。但在较低频率，硅横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)、碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)晶体管具有很高的功率密度。
　　许多供应商同时提供LNA和功率放大器，而一些供应商可能只专做其中的一种。大多数公司可以让用户选择特定带宽或宽带的放大器，这种宽带放大器可以用于不同的应用。例如， Microwave Solutions公司同时提供特定频带内的功率放大器和LNA。该公司的MSH-5617902的功率放大器用于从5.9GHz至*GHz的C波段应用，其1dB压缩点输出功率为+40dBm，三阶截取点输出为+49dBm，在+12V直流下可提供40dB增益，消耗电流7A。虽然不是专门针对低噪声设计，但它能实现难得的8dB噪声系数。
　　Microwave Solutions公司的MSD-5611402放大器同样是一款针对5.9GHz至*GHz频段设计的LNA。虽然它的1dB压缩点输出功率只有+18dBm，但它拥有1.6dB的低噪声系数，工作在+12V直流电源下的消耗电流仅为120mA。
　　CTT公司的LNA采用了GaAs PHEMT技术，工作频带为0.5GHz至20.0GHz。CTT公司的AM系列LNA包括了增益为22dB的AMM/020-1022，这个放大器的噪声系数是1dB，工作频带为0.5GHz至2.0GHz。
　　Hittite Microwave公司推出了芯片型和封装好的LNA，如。这个LNA采用QFN封装，尺寸只有3x3mm。该LNA采用GaAs PHEMT半导体技术制造，工作频带为550MHz至1，具有0.5dB的低噪声系数和16dB的增益。
　　ADI公司的 LNA同样采用GaAs PHEMT技术制造，工作频带为0.4GHz至4.0GHz，并采用了3x3mm LFCSP封装。该器件在900MHz时的噪声系数为0.8dB，典型增益为20.8dB。
　　Mini-Circuits公司提供了一款表面贴封装的LNA模块，型号为*P-960LN+，尺寸仅为0.59x0.39x0.12英寸。该器件的工作频带为824MHz至960MHz，在915MHz频率下的噪声系数仅为0.55dB，增益为18dB，输出功率+16.5dBm，非常适用于GSM接收机。
　　Centellax公司的UA1L30VM放大器模块是针对原始信号带宽开发的产品，在0.01GHz至30.00GHz范围内可实现30dB的典型增益，噪声系数为4.5dB。AML Communications公司也提供宽带放大器，比如AML240L2201。该放大器在2GHz至40GHz范围内最小增益为22dB。
　　虽然LNA倾向于采用表面贴封装和紧凑的同轴封装，但功率放大器最初采用的是同轴模块，最大的需要用19英寸机架来放置。例如，Milmega公司的RF1000型功率放大器融合了MMIC和SiC器件技术，在200MHz至1,000MHz范围内可输出特别高的射频功率。它能产生1,000W的饱和输出功率，重达130公斤，在19英寸机架中占18个单元位置。
　　Microwave 公司专门针对热管理和集成应用开发专有电路。该公司根据在陶瓷基底上应用单片制造技术的方法，制造出的放大器可工作于1GHz至40GHz频带，饱和输出功率可达+57.5dBm，噪声系数为12dB。
　　在功率和集成度方面，Ophir RF公司最近推出了型号为7000的放大器系统。该系统集成了4个独立的通道，分别覆盖至30MHz、30MHz至500MHz、500MHz至1000MHz、1.0GHz至2.5GHz频带。其中三个较低频率的通道提供100W的典型饱和输出功率，另一个微波通道提供50W的典型饱和功率。这个靠风扇冷却的系统体积为19x8.75x26英寸，重量是95磅。
　　虽然越来越多的晶体管级射频/微波放大器供应商正在提供行波管放大器(TWTA)的固态“替代”品，但TWTA远未过时。AR Worldwide公司为系统和测试应用提供种类广泛的固态和TWTA放大器。比如型号为的放大器，它能在7.5GHz至18.0GHz范围内输出2,000W的CW功率。这个大功率放大器重量达2,600磅(1,182kg)。TMD公司稍微有些复杂的PTC*2 TWTA可以在7.5GHz至18.0GHz范围内产生最小500W的输出功率，增益为57dB，但重量只有105.6磅(48kg)。
　　Xicom Technology公司最近推出了几款重量更轻的TWTA。该公司的C波段XTRD-1250CL型号和Ku波段XTRD-1250KL型号TWTA分别工作在5.85GHz至*25GHz和13.75GHz至14.50GHz卫星通信上行链路频段，占6个机架单元，满载重量只有115磅。它们可以提供1250W的峰值输出功率。&&来源:
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