摘要：本文介绍了一种利用新材料GaN宽禁带半导体材料设计的一款工作于L波段的攻放组件，该组件采用三级放大电路和空气板合成器来实现。通过仿真和实际调试，最终研制出了一套高功率、高占空比、大脉宽、轻小型化固态功放组件。该功放组件输出峰值功率2kW，并且可以对一些主要指标进行实时监测，以满足健康管理的需求。
关键词：固态功放组件;GaN功率管;健康管理;热设计及热仿真
Abstract：With the rapid development of GaN wide band gap semiconductor materials，a new type of power amplifier module is designed which has the characteristics of high power，high duty radio，large pulse width and light weight.The module adopts three stage amplifying circuit，and the final output peak power reaches 2KW.Some of the main indicators are monitored in real time for the needs of health management.The experimental results show that the performance of the solid-state power amplifier module is reliable and stable，and is fully in line with the standard of use.
Key words：solid-state power amplifiler module;GaN power tube;health management; thermal design and thermal simulation
引言
固态发射机已成为雷达发展的必然。现今固态雷达发射机的研究方向主要集中在组件化、固态化和集中化。组件化使雷达具有高性能、高可靠、小型化、重量轻等特点[1-3]。本文基于现实需要设计了一种L波段固态功放组件，并且对其关键技术、液冷热设计、健康管理设计做了深入探讨。
本发射功放组件的核心组成部分功率管采用第三代半导体材料GaN，不仅能满足各项设计指标而且因其高禁带比、高击穿电场、高热导率、高电子饱和速率和高抗辐射能力的特点，有效的提高了组件的承受温度、工作频率及功率[4-6]。同时缩小了组件体积。本文设计的功放组件采用健康管理模式，实时监测一些重要指标。极大的减小了使用和维护成本。
1 功放组件的设计
1.1 设计指标
输入功率：20～40mW;
输出峰值功率：≥2 kW;
带内波动：≤0.7dB;
脉冲宽度：2～800us;
管理模式：健康管理。
1.2总体设计及工作原理
本發射功放组件大致分成以下几个部分：功率放大电路、供电电源、健康管理单元、液冷源。
其工作原理：从频率源送来的RF射频信号经一个激励放大组件放大后通过功分器和电桥一分为四，分别送入功率管放大，最后合成为一个功率2kW的输出信号。
电源为各个放大电路和健康管理供电，考虑到各个模块协同供电需求和实际空间限制，本设计采用二次电源供电电源。
健康管理主要是对组件的运行状态进行监控，同时对异常状态进行调控、报警，必要时自动断电保护组件，延长其使用寿命、提升可靠性。
冷却系统是控制功放组件和电源升温，为整个发射功放组件正常工作提供保证。
1.3射频放大链路设计
由于设计中工艺上需要在满足指标要求情况下最大限度缩小体积，同时考虑和健康管理模块协调工作和散热要求;技术指标上需要考虑各放大管相互之间的影响及输出信号相位幅度稳定性、一致性;经过反复试验和修改最终完成设计。
具体射频链路如图1所示。主要由三级放大电路组成，其中第一级为预激励放大器，是小信号高增益饱和放大器，将20～40mW的射频信号功率放大至10W左右。第二级用一只120W氮化镓（GaN）场效应微波功率晶体管放大器，通过降低工作电压，使其输出约100W的功率，经衰减器、滤波隔离器，一个1：2功分器、两个电桥、输出四路20W左右功率，去激励第三级的四只650W氮化镓（GaN）场效应微波功率晶体管，四只功率管的输出再通过两个电桥、大功率滤波隔离器、低损耗功率合成器，最后组件输出功率约2kW左右。
为降低放大器各级之间的相互影响，每级之间都有隔离器，为防止组件输出端口驻波过大烧毁功率管，在电桥合成输出端加高功率隔离器保护。
1.4 健康管理设计
因在使用中需要掌握功放组件具体运行状况及尽可能延长组件使用寿命，为此我们专门设计了健康管理模块。
组件健康状态由传感器进行检测产生实时数据，后端对数据打包传输出至监控系统，由其进行判断，是否需要对组件进行维护告知操作者，由其进行相应处理。其检测电路构成如图2所示。
1.5 发射组件热设计
由于射频有源放大功放组件部分，组件里采用了大量的价格昂贵的微波晶体管。组件的总功耗约355瓦，效率最低45%。放大管的产生的热流密度最大估算达到了26W/cm2，热流密度较高，普通风扇散热达不到要求因此本发射组件采取的可靠性措施：
采用液冷进行散热，通过降额使用提高器可靠性;射频管采用焊接方式减小热阻，提高接地效果;主要功率器件降额使用，即晶体管结温降额，输出功率降额。
组件采用了自密封快速接头，按设计流量需求选择通径5mm、法兰接口式的自密封快速接头，既保证了快速连接，又极大降低了液体泄漏的可能。
冷却液从水泵流出，进入前级放大器底部，依次被一分为二后进入氮化镓模块底座，经模块内部迂回通道出来再被合成一路后流出，冷却液流出后经风冷散热器和外界进行热交换，降温的冷却液流回水箱，进行温度检测，防止温度过高和过低，再重新送回水泵形成循环。
热仿真根据实际设计运行条件供液温度取为35℃。接触热阻取为0.5℃·cm2/W，冷却液进口速度取为1.11m/s，仿真结果如图3所示。
功率管最高温度为79.1℃，4只末级功率管温度分别为79.1℃、78.7℃、78.5℃、78.6℃，不一致性不超过1.5℃。前级功率管和隔离器的温度分别大约为63℃和68.5℃，冷却液出口温度大约为40℃左右，温升5℃度左右。各项指标满足设计要求。
2 组件试验及试验结果
经过合理布局精心设计，组件通过了随机振动实验、高低温实验等环境实验的考验，证明了本固态功放组件性能可靠稳定，达到了预期效果。我们对本组件在不同温度下的输出功率进行了测试，测试条件（占空比与脉宽）为：D=20%，τ=400μs。组件在频带内的输出功率如图4所示。
图4可以看出，整个带内高温与低温的功率变化在0.5dB以内，满足设计要求，当然这与采用液冷散热设计不无关系。功放组件布局图实物图如图5所示。
3 结束语
本文设计的功放组件具有高功率、高占空比、大脉宽、轻小型的特点，同时采用健康管理的方法对组件的功率、电压、电流等实时检测，具有高可靠性。该组件可广泛应用于现代大功率无人值守类高可靠性要求雷达，便于使用和维护。
参考文献
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[3]由金光，姚武生，鄭智潜.L 波段液冷固态功放组件的设计[J].电子信息对抗技术，2007，22（ 6）：62-65.
[4]由金光，姚武生，S波段液冷固态功放组件的设计[J].电子信息对抗技术，2011，22 （03）：0079-82.
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