X频段2000瓦固态发射机及系统
阅读：357发布：2020-05-12
专利汇可以提供X频段2000瓦固态发射机及系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了X频段2000瓦固态发射机及系统，固态发射机包括依次连接的前级 放大器 组件、SIW 功率分配器 模 块 、末级放大器组件和SIW功率合成器模块。SIW功率分配器模块采用四级结构，E面3dB分支 波导 定向 耦合器 作为第一级和第二级，双对极 鳍线 式波导-SIW转换器作为第三级，SIW-双微带转换器作为第四级；SIW功率合成器模块的网络组成与SIW功率分配器模块组成相同，工作工程为SIW功率分配器模块的逆过程。本发明采用SIW技术设计了X频段功率分配/合成器，SIW是介于金属波导和微带线等平面传输线之间的一种新型传输线，既具有与传统金属波导相似的传播特性，兼有金属波导传输损耗小、Q值高等优点，又具有平面 电路 的诸多优点，易于与其他平面电路集成。，下面是X频段2000瓦固态发射机及系统专利的具体信息内容。
1.X频段2000瓦固态发射机，其特征在于，包括：
依次连接的前级放大器组件、SIW功率分配器模块、末级放大器组件和SIW功率合成器模块；
所述前级放大器组件包括前级组件壳体、输出波导口以及散热系统，在所述前级组件壳体中包括前级射频放大器链路模块和与级射频放大器链路模块相连的控制保护和馈电模块；
前级射频放大器链路模块包括电源输入、通讯接口和射频输入接口，以及依次连接的保护与馈电电路、第一X波段砷化镓高增益放大器、第二X波段砷化镓高增线性放大器、第三X波段砷化镓中功率线性放大器、隔离器、衰减器以及SIW-单微带转换器；
所述SIW功率分配器模块采用四级结构，E面3dB分支波导定向耦合器作为第一级和第二级，双对极鳍线式波导-SIW转换器作为第三级，SIW-双微带转换器作为第四级；
所述SIW功率合成器模块的网络组成与所述SIW功率分配器模块组成相同，采用四级结构，SIW-双微带转换器作为第一级，双对极鳍线式波导-SIW转换器第二级，E面3dB分支波导定向耦合器作为第三级和第四级。
2.根据权利要求1所述的X频段2000瓦固态发射机，其特征在于，所述E面3dB分支波导定向耦合器为具有定向传输特性的四端口正交元件，通过在主线和副线两根传输线之间设置预设的耦合结构。
3.根据权利要求1所述的X频段2000瓦固态发射机，其特征在于，所述SIW-双微带转换器包括在介质集成波导的一个端口上设置的中心平面两侧对称且两条完全相同渐变微带线。
4.根据权利要求1所述的X频段2000瓦固态发射机，其特征在于，所述双对极鳍线式波导-SIW转换器包括设置于放置在矩形波导内的两条完全相同的对极鳍线。
5.根据权利要求1所述的X频段2000瓦固态发射机，其特征在于，所述末级放大器组件包括至少一个固态放大器链路，每个固态放大器链路包含依次连接的输入端双微带渐变微带线、隔离器、初级放大器、末级放大器、输出端双微带渐变微带线、散热模块和控制保护和馈电电路，所述输入端双微带渐变微带线、初级放大器、末级放大器以及输出端双微带渐变微带线彼此之间依次通过隔离器连接，所述固态放大器链路分别与控制保护和馈电电路和散热模块连接。
6.根据权利要求1所述的X频段2000瓦固态发射机，其特征在于，所述前级放大器组件中的前级射频放大器链路模块包括依次连接X波段砷化镓2瓦高增益放大器P1、X波段砷化镓8瓦高增线性放大器P2、X波段砷化镓30瓦中功率线性放大器P3、隔离器、衰减器以及SIW-单微带转换器；
所述SIW功率分配器模块采用四级结构，E面3dB分支波导定向耦合器作为第一级和第二级，双对极鳍线式波导-SIW转换器作为第三级，SIW-双微带转换器作为第四级；其中第一级，E面3dB分支波导定向耦合器采用1个，第二级E面3dB分支波导定向耦合器采用2个，每个第二级E面3dB分支波导定向耦合器各连接2个双对极鳍线式波导-SIW转换器，每个双对极鳍线式波导-SIW转换器各连接2个末级放大器组件；
所述SIW功率合成器模块的网络组成与所述SIW功率分配器模块组成相同，采用四级结构，SIW-双微带转换器作为第一级，双对极鳍线式波导-SIW转换器第二级，E面3dB分支波导定向耦合器作为第三级和第四级；网络结构与所述SIW功率分配器模块对称；
还包括2个末级放大器组件，每个放大器组件包含8个150瓦固态放大器链路；
每个固态放大器链路包含依次连接的输入端双微带渐变微带线、隔离器、30瓦初级放大器P1、末级放大器P2、输出端双微带渐变微带线、散热模块和控制保护和馈电电路，所述输入端双微带渐变微带线、初级放大器P1、末级放大器P2以及输出端双微带渐变微带线彼此之间依次通过隔离器连接，所述固态放大器链路分别与控制保护和馈电电路和散热模块连接。
7.根据权利要求1所述的X频段2000瓦固态发射机，其特征在于，所述末级功放组件每四路输出合成出2路输出，设计8路连接弯波导结构。
8.X频段2000瓦固态发射机系统，其特征在于，包括权利要求1～7任意一项权利要求所述的X频段2000瓦固态发射机、供电电源模块、控制保护和馈电系统和散热模块，所述控制保护和馈电系统分别和散热模块以及X频段2000瓦固态发射机连接；所述供电电源模块分别与所述X频段2000瓦固态发射机、控制保护和馈电系统以及散热模块连接。
9.根据权利要求8所述的X频段2000瓦固态发射机系统，其特征在于，所述系统还包括监测汇总盒，所述监测汇总盒分别与供电电源模块和所述功率放大器系统连接。
10.根据权利要求9所述的X频段2000瓦固态发射机系统，其特征在于，将所述X频段
2000瓦固态发射机、监测汇总盒以及供电电源模块放置在不同的层。
X频段2000瓦固态发射机及系统
技术领域
背景技术
[0002] 目前，在雷达、雷达模拟器、电子对抗等领域的设备中发射机单元主要有行波管发射机和固态放大器发射机两种，固态放大器发射机具有高可靠、高稳定性、长寿命、工作频带宽、开机迅速、操作简单安全以及故障软化等优点逐渐成为雷达系统中发射单元的主导发展方向。
[0003] 对固态放大器发射机而言，为获得数千瓦甚至几十千瓦的功率输出，通常我们采用功率合成的方法，把多路较低功率的放大器信号合成为所需要的大功率辐射信号，具体方法有两种：一是采用基于电路或波导的功率合成技术，将多路信号利用电路或波导的合成网络进行功率合成，再通过天线辐射出去；第二种方法是基于自由空间功率合成技术，通过采用空间功率合成天线，多路功率信号直接通过天线单元辐射到自由空间去，通过控制放大器各路辐射的相位，直接在自由空间合成定向辐射的大功率电磁波束，由于没有了合成网络的损耗，合成效率较高。
[0004] 空间合成技术，虽然合成效率高，但是在特定的应用领域，其波束宽度很难做宽，必须采用集中式电路合成的技术。电路合成技术主流方法是，进行多级二进制树形合成技术，树形合成方式主要包含微带电路合成技术和波导合成技术。微带合成技术主要包含传统的威尔金森合成、3dB电桥等，波导合成技术包含E面波导合成，H面波导合成，魔T合成、镜像波导合成等。波导合成由于其合成损耗低、效率高的优点被广泛用于固态放大器发射机系统。
[0005] 目前，在功率合成领域，特别是输出千瓦级大功率有源发射机方面的发明和设备很少报道。
发明内容
[0006] 本发明要解决的技术问题是目前缺少输出千瓦级大功率有源发射机。
[0007] 为实现上述技术目的，本发明采用了模块化的设计理念，方便装配维修和批量生产，整个固态发射系统设计分解成若干部分，主要包含前级放大器组件、SIW功率分配器模块、末级放大器组件、SIW功率合成器模块、电源模块、监测汇总盒、散热系统组成。
[0008] 一方面，本发明提供了一种X频段2000瓦固态发射机，包括依次连接的前级放大器组件、SIW功率分配器模块、末级放大器组件和 SIW功率合成器模块；
[0009] 所述前级放大器组件包括前级组件壳体、输出波导口以及散热系统，在所述前级组件壳体中包括前级射频放大器链路模块和控制保护和馈电模块；所述控制保护和馈电模块与级射频放大器链路模块相连；
[0010] 前级射频放大器链路模块包括电源输入、通讯接口和射频输入接口，以及依次连接的保护与馈电电路、第一X波段砷化镓高增益放大器P1、第二X波段砷化镓高增线性放大器P2、第三X波段砷化镓中功率线性放大器P3、隔离器、衰减器以及SIW-单微带转换器；这里所述的高增益放大器和中功率线性放大器的概念对于本领域技术人员来说是清楚地，不需要过多解释。
[0012] 所述SIW功率合成器模块的网络组成与所述SIW功率分配器模块组成相同，采用四级结构，SIW-双微带转换器作为第一级，双对极鳍线式波导-SIW转换器第二级，E面3dB分支波导定向耦合器作为第三级和第四级。
[0013] 进一步地，所述E面3dB分支波导定向耦合器为具有定向传输特性的四端口正交元件，通过在主线和副线两根传输线之间设置预设的耦合结构。
[0014] 进一步地，所述SIW-双微带转换器包括在介质集成波导的一个端口上设置的中心平面两侧对称且两条完全相同渐变微带线。
[0015] 进一步地，所述双对极鳍线式波导-SIW转换器包括设置于放置在矩形波导内的两条完全相同的对极鳍线。
[0016] 进一步地，所述末级放大器组件包括至少一个固态放大器链路，每个固态放大器链路包含依次连接的输入端双微带渐变微带线、隔离器、初级放大器P1、末级放大器P2、输出端双微带渐变微带线、散热模块和控制保护和馈电电路，所述输入端双微带渐变微带线、初级放大器P1、末级放大器P2以及输出端双微带渐变微带线彼此之间依次通过隔离器连接，所述固态放大器链路分别与控制保护和馈电电路和散热模块连接。
[0017] 为了提供X频段2000瓦固态发射机，在以上技术方案中进一步地，所述前级放大器组件中的前级射频放大器链路模块包括依次连接X波段砷化镓2瓦高增益放大器P1、X波段砷化镓8瓦高增线性放大器P2、X波段砷化镓30瓦中功率线性放大器P3、隔离器、衰减器以及SIW-单微带转换器；
[0018] 所述SIW功率分配器模块采用四级结构，E面3dB分支波导定向耦合器作为第一级和第二级，双对极鳍线式波导-SIW转换器作为第三级，SIW-双微带转换器作为第四级；其中第一级，E面3dB分支波导定向耦合器采用1个，第二级E面3dB分支波导定向耦合器采用2 个，每个第二级E面3dB分支波导定向耦合器各连接2个双对极鳍线式波导-SIW转换器，每个双对极鳍线式波导-SIW转换器各连接2个末级放大器组件；
[0019] 所述SIW功率合成器模块的网络组成与所述SIW功率分配器模块组成相同，采用四级结构，SIW-双微带转换器作为第一级，双对极鳍线式波导-SIW转换器第二级，E面3dB分支波导定向耦合器作为第三级和第四级；网络结构与所述SIW功率分配器模块对称；
[0020] 还包括2个末级放大器组件，每个放大器组件包含8个150瓦固态放大器链路；
[0021] 每个固态放大器链路包含依次连接的输入端双微带渐变微带线、隔离器、30瓦初级放大器P1、末级放大器P2、输出端双微带渐变微带线、散热模块和控制保护和馈电电路，所述输入端双微带渐变微带线、初级放大器P1、末级放大器P2以及输出端双微带渐变微带线彼此之间依次通过隔离器连接，所述固态放大器链路分别与控制保护和馈电电路和散热模块连接。
[0022] 再进一步地，所述末级功放组件每四路输出合成出2路输出，设计8路连接弯波导结构。
[0023] 另一方面，本发明提供了X频段2000瓦固态发射机系统，其特征在于，包括以上所述的X频段2000瓦固态发射机系统、供电电源模块、控制保护和馈电系统和散热模块，所述控制保护和馈电系统分别和散热模块以及X频段2000瓦固态发射机连接；所述供电电源模块分别与所述X频段2000瓦固态发射机系统、控制保护和馈电系统以及散热模块连接。
[0024] 进一步地，所述系统还包括监测汇总盒，所述监测汇总盒分别与供电电源模块和所述功率放大器系统连接。
[0025] 本发明所取得的有益技术效果：
[0026] 本发明采用SIW技术设计了X频段功率分配/合成器，SIW是介于金属波导和微带线等平面传输线之间的一种新型传输线，既具有与传统金属波导相似的传播特性，兼有金属波导传输损耗小、Q值高等优点，又具有平面电路的诸多优点，易于与其他平面电路集成；
[0027] 本发明前级放大器组件、SIW功率分配器模块、末级放大器组件和SIW功率合成器模块均采用模块化的设计理念，方便装配维修和批量生产；
[0028] 通过将所述X频段2000瓦固态发射机、监测汇总盒以及供电电源模块放置在不同的层，这样的X频段2000瓦固态发射机系统结构分层设计，实现各级模块之间的有效隔离，减少模块间串扰，提高了系统的电磁兼容能力，无分层设计，系统隔离度约为60dB，分层设计后可以达到90dB。附图说明
[0029] 图1是本发明具体实施例X频段2000W固态发射机原理图；
[0030] 图2是本发明具体实施例X频段功率2000瓦固态发射机系统原理图；
[0031] 图3是本发明具体实施例X频段功率2000瓦固态发射机结构图；
[0032] 图4是本发明具体实施例X频段前级放大器组件的原理图；
[0033] 图5是本发明具体实施例X频段前级放大器组件的正面视图；
[0034] 图6是本发明具体实施例X频段前级放大器组件的主体结构图；
[0035] 图7是本发明具体实施例SIW-功率分配/合成网络原理图；
[0036] 图8是本发明具体实施例X频段E面3dB分支波导定向耦合器结构图；
[0037] 图9是本发明具体实施例X频段E面3dB分支波导定向耦合器插损曲线；
[0038] 图10是本发明具体实施例X频段八路功率分配器结构图；
[0039] 图11是本发明具体实施例X频段SIW-双微带线转换器结构图；
[0040] 图12是本发明具体实施例X频段SIW-双微带线转换器插损曲线；
[0041] 图13是本发明具体实施例X频段双对极鳍线波导-SIW转换器结构图；
[0042] 图14是本发明具体实施例X频段末级功放组件原理图；
[0043] 图15是本发明具体实施例X频段末级功放组件结构图；
[0044] 图16是本发明具体实施例X频段末级功放组件主体结构图；
[0045] 图17是本发明具体实施例X频段末级功放组件整拼结构图；
[0046] 图18是本发明具体实施例X频段8路弯波导结构图；
[0047] 图19是本发明具体实施例X频段功率合成器结构图；
[0048] 图20是本发明具体实施例X频段功率合成器主体结构图；
[0049] 图21是本发明具体实施例X频段宽波束发射机系统的整机结构图，其中21(a)为X频段宽波束发射机系统的正视图，21(b)为X 频段宽波束发射机系统的后视图；21(c)为X频段宽波束发射机系统的侧视图；
[0050] 图22是本发明具体实施例控制保护和馈电模块结构示意图；
[0051] 图中标识：
[0052] 图3中：101、前级放大器组件；102、SIW功率分配器模块；103、末级放大器组；104、SIW功率合成器模块；105、散热系统；
[0053] 图5～图6中：1、射频放大器链路部分；2、控制保护和馈电部分；3、散热系统；4、前级组件壳体；5.输出波导口；6、散热风道； 7、电源输入和通讯接口；8、射频输入；9、控制保护和馈电电路；10、保护和馈电电路；11、2瓦高增益放大器P1；12、8高增益放大器P2；13、30增益放大器P3；14、隔离器；15、SIW-单微带转换器；
[0054] 图8中：16、定向耦合器输入波导口；17、定向耦合器输出波导口；18、定向耦合器副输出波导口；
[0055] 图10中：19、E面3dB分支波导定向耦合器；20、功率分配器波导口输入；21、功率分配器波导口输出；
[0056] 图11中：22、转换器输入标准波导口；23、转换器双微带渐变微带线；24、转换器输出测试接口；
[0057] 图15～图17中：
[0058] 25、输入端双微带渐变微带线1；26、隔离器；27、30瓦放大器P1； 28、150瓦末级放大器P2；29、输出端双微带渐变微带线；30、散热模块；31、控制保护和馈电；32、电源输入和CAN通讯接口；33、输出波导口；34、双对极鳍线波导-SIW转换器；
[0059] 图18～图20：
[0060] 35、合成器输入波导口；36、E面3dB分支波导定向耦合器；37、合成器输出波导口；38、吸收体；39、输出波导；40、弯波导输入； 41、弯波导输出；
[0061] 图21中：42、X波段2000瓦发射机；43、监测汇总盒；44、电源模块；45、方位状态传动装置；46、散热模块；47、俯仰状态传动装置；48、倒喇叭天线输出。
具体实施方式
[0062] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一种实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0063] 目前，千瓦级大功率X波段固态功放的合成方式有很多种，包括威尔金森微带合成，波导合成方式，我们采用了一种微带和波导结合的方式。既采用SIW技术进行X波段2000瓦的固态功放的设计。SIW 是介于金属波导和微带线等平面传输线之间的一种新型的传输线，既具有与传统金属波导相似的传播特性，兼有金属波导传输损耗小、Q 值高等优点，又具有平面电路的诸多优点，易于与其他平面电路集成，成本低，易于实现。很多文章将SIW技术用于设计毫米波合成，大多在在理论设计和实验论证阶段。我们将SIW技术应用到X波段大功率合成领域，进行了大量的设计仿真和实验论证，最终以可靠的产品交付使用。
[0064] 为简单起见，以下内容中省略了该技术领域技术人员所公知的技术常识。
[0065] 本发明是为了适应雷达模拟器系统对X频段(9-10GHz)固态放大器发射机系统的需要而设计，主要采用一种新型的介质集成波导 (SIW)合成的方法，实现了输出千瓦级大功率有源发射机。SIW (Substrate Integrated Waveguide，双微带线转换器基片集成波导)作为一种新型的传输线结构，综合了传统矩形波导和微带线的一系列优点，他具有带宽相对较宽、较高的品质因数、极低的损耗、体积小、重量轻、易于加工和集成的优点。
[0066] 具体实施例提供了X频段2000瓦固态发射机(见图3)，包括依次连接的前级放大器组件101、SIW功率分配器模块103、末级放大器组件103和SIW功率合成器模块104，还包括散热系统105。
[0067] 前级放大器组件(见图4、图5和图6)，包括前级组件壳体4、输出波导口5以及散热系统3，在前级组件壳体中包括前级射频放大器链路模块1和控制保护和馈电模块2；
[0068] 前级射频放大器链路模块包括电源输入和通讯接口和射频输入接口7，以及依次连接的保护与馈电电路10、X波段砷化镓高增益放大器P1(11)、X波段砷化高增线性放大器P212、X波段砷化镓中功率线性放大器P313、隔离器14、衰减器(未示出)以及SIW-单微带转换器15；
[0069] SIW功率分配器模块采用四级结构，E面3dB分支波导定向耦合器作为第一级和第二级，双对极鳍线式波导-SIW转换器作为第三级， SIW-双微带转换器作为第四级；
[0070] SIW功率合成器模块的网络组成与SIW功率分配器模块组成相同，采用四级结构，SIW-双微带转换器作为第一级，双对极鳍线式波导 -SIW转换器第二级，E面3dB分支波导定向耦合器作为第三级和第四级。图3示出了X频段2000瓦固态发射机中前级放大器组件101、SIW 功率分配器模块102、末级放大器组103以及SIW功率合成器模块104 采用分层设计方式，其中前级放大器组件101位于第一层、SIW功率分配器模块102位于第二层，末级放大器组103位于第三层，SIW功率合成器模块104位于最后一层，所述散热系统105位于X频段2000 瓦固态发射机的侧面。这样的分层设计，实现各级模块之间的有效隔离，减少模块间串扰，提高了系统的电磁兼容能力。
[0071] 本发明采用SIW技术设计了X频段功率分配/合成器。SIW-双微带线转换器基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide缩写为 SIW)是最近几年发展起来的一种平面波导结构，它是介于金属波导和微带线等平面传输线之间的一种新型传输线，既具有与传统金属波导相似的传播特性，兼有金属波导传输损耗小、Q值高等优点，又具有平面电路的诸多优点，易于与其他平面电路集成。但是目前，SIW 在功率合成领域，特别是输出千瓦级大功率有源发射机方面的发明和设备很少报道。
[0072] 为了提供输出千瓦级大功率有源发射机，本发明为了提供釆用四级结构(见图1)，功率分配/合成器各组成完全一致。E面3dB分支波导定向耦合器作为第一级和第二级，双对极鳍线式波导-SIW转换器作为第三级，SIW-双微带转换器作为第四级。功率分配网络工作原理如下：射频信号由矩形波导的输入端口输入，首先经过三个E面3dB 分支波导定向耦合器分为四路，再通过双对极鳍线式波导-SIW转换器构成八路，最后进入到SIW-双微带转换器分为十六路。功率合成网络组成与功率分配网络相同，其工作原理即是上述工作原理的逆过程。
[0073] 图7给出了X频段SIW-功率分配/合成网络原理图。
[0074] E面3dB分支波导定向耦合器分支波导定向耦合器是一种具有定向传输特性的四端口正交元件，它是通过在主线和副线两根传输线之间设置适当的耦合结构，依靠波的相互干涉来实现主波导的定向输出，传输的信号在隔离端口上反相抵消，在耦合端口上同相叠加。其结构图见图8，图8给出了该实施例X频段E面3dB分支波导定向耦合器结构图。图8中示出了1个定向耦合器输入波导口16，与输入波导口贯通的输出波导口17，在输入波导口和贯通的输出波导口之间设置有一根传输线，与该传输线平行设置了另一根传输线，并且两个传输线之间设置了如图所示的耦合结构，另一根传输线联通定向耦合器副输出波导口18。
[0075] 图9给出了X频段E面3dB分支波导定向耦合器插损曲线。E 面3dB分支波导定向耦合器插损指标影响了发射机的合成效率，插入损耗越小，损耗的功率越小，转换成合成输出的功率越大。图9示出了，输出功率2000瓦，如果插入损耗为0.5dB，则输出功率减小约 221瓦。
[0076] 图10给出了该实施例X频段E面3dB分支波导定向耦合器构成的八路功率分配器结构图。图10中一个功率分配器波导输入口20，连接两个E面3dB分支波导定向耦合器19，共连接8个功率分配器波导输出口21。
[0077] 在以上实施例的基础上，E面3dB分支波导定向耦合器19为具有定向传输特性的四端口正交元件，通过在主线和副线两根传输线之间设置预设的耦合结构。
[0078] 在以上实施例的基础上，SIW-双微带转换器包括在介质集成波导的一个端口上设置的中心平面两侧对称且两条完全相同渐变微带线。
[0079] 在以上实施例的基础上，双对极鳍线式波导-SIW转换器包括设置于放置在矩形波导内的两条完全相同的对极鳍线。双对极鳍线式波导-SIW转换器，图13所示的该实施例双对极鳍线式波导-SIW转换器中，两条完全相同的对极鳍线即转换器双微带渐变微带线22对称放置在矩形波导内，联通转换器输入标准波导口22，由于波导传输的TE10模具有高度的对称性，其场分布关于中心平面对称，所以两条对极鳍线所在位置的电场大小相等，方向相同。两条对极鳍线分别以线性渐变的形式旋转电场方向，同时实现波导高阻抗向SIW低阻抗的转换。根据波导模式和对极鳍线具有的对称性，两条SIW支路幅度相等，相位相同，入射功率被等分为两路。
[0080] 在以上实施例的基础上，末级放大器组件包括至少一个固态放大器链路，每个固态放大器链路包含依次连接的输入端双微带渐变微带线(25、29)、隔离器26、初级放大器P127、末级放大器P228、输出端双微带渐变微带线29、散热模块30和控制保护和馈电电路31，输入端双微带渐变微带线(25、29)、初级放大器P127、末级放大器 P228以及输出端双微带渐变微带线29、彼此之间依次通过隔离器26 连接，固态放大器链路分别与控制保护和馈电电路和散热模块连接。
[0081] 本发明提供的X频段(9-10GHz)固态放大器发射机结构设计，具有以下优点：
[0082] 1)采用了紧凑型、小型化的设计思路，方便检测和调试，易于系统集成，适用于多种系统平台；
[0083] 2)结构设计，采用集成散热系统，散热效率高，体积小，重量轻，减轻系统散热的压力，节省了成本；
[0084] 3)采用无电缆化设计，减少了路径损耗，提高了系统功率合成效率。
[0085] 为了提供X频段2000瓦固态发射机，见图1、图2和图3。图 1给出了该实施例X频段功率2000瓦固态发射机原理图。图2给出了该实施例X频段功率2000瓦固态发射机系统原理图。图3给出了该实施例X频段功率2000瓦固态发射机的结构图。
[0086] 在以上实施例的基础上，前级放大器组件包括射频放大器链路、控制保护和馈电和散热系统。国产X波段砷化镓2瓦高增益放大器 P1、X波段砷化镓8瓦高增线性放大器P2、X波段砷化镓30瓦中功率线性放大器P3、隔离器、衰减器、SIW-单微带转换器，构成射频放大器链路。图4给出了X频段前级放大器组件的原理图。图5给出了X频段前级放大器组件的结构图。图6给出了X频段前级放大器组件的内部布局图。
[0087] SIW-微带线转换器在SIW和50欧姆微带线之间加入一段渐变微带线，就可以实现两种传输线之间的转换。SIW的场分布可以发现，其传输的主模(TE10模)具有对称性，即中心平面两侧的场是对称的，借鉴双脊波导转换器的思想，在上述渐变微带线转换器中对称放置两条渐变微带线，构成图11所示的SIW-双微带线转换器。图11 所示的转换器中，两条完全相同的渐变微带线对称放置在SIW的一个端口上，因为SIW传输的TE10模关于中心平面对称，所以两条渐变微带线所在位置的电场大小相等、方向相同。图11给出了X频段 SIW-双微带线转换器结构图。图12给出了X频段SIW-双微带线转换器插损指标曲线。
[0088] 根据上述分析，结合双对极鳍线波导-SIW转换器和SIW-双微带线转换器可以构成图12所示的四路宽带功分器。本实施例整个四路功分器由两级功分器构成，其中第一级功分器由双对极鳍线波导-SIW 转换器构成，第二级功分器由两个SIW-双微带线转换器构成，两级功分器级联起来就可以实现四路功分。根据互易原理，功分器反过来就构成了合成器，两者背靠背连接就构成了基于双对极鳍线波导-SIW转换器的四路功率分配/合成器。
[0089] 本实施例包含2个末级放大器组件，每个放大器组件包含8个 150瓦固态放大器链路，共包含16路。每个放大链路包含双微带渐变微带线1、隔离器、30瓦放大器P1、末级放大器P2、双微带渐变微带线2、散热模块、控制保护和馈电组成。固态功放系统中包含16 路射频放大链路，我们经过大量的时间经验，最终设计了30瓦放大器驱动150瓦放大器的单链路形式，通过设计该形式电路稳定好，功率、增益分配合理，性价比高，该种方法可以推广至其他频段的电路设计。
[0091] 150瓦固态放大器链路大”进行电路的各级增益和功率合理分配，避免“大推大”的原则，举例：推动级放大器P1，选择小功率30瓦放大器，正好能够推动末级放大器P2，150瓦，这样避免P1选择过大导致P2烧毁的情况发生。另外，在选择推动级放大器P1和末级放大器P2的总增益不要超过整个组件的射频和射频输出的隔离度，一般取值为40dB为佳，这样设计的电路稳定性和可靠性高，方便调试和维修。
[0092] 图14给出了该实施例末级放大器组件的原理图。图14示出了末级放大器组件包括8个固态当放大器链路，每个固态放大器链路包括依次连接的输入端双微带渐变微带线25、隔离器、初级放大器、末级放大器、输出端双微带渐变微带线29、散热模块30和控制保护和馈电电路31，所述输入端双微带渐变微带线25、30瓦初级放大器 27、150末级放大器28以及输出端双微带渐变微带线彼此之间依次通过隔离器26连接，所述固态放大器链路分别与控制保护和馈电电路31和散热模块30连接。
[0093] 图15给出了该实施例单个末级放大器组件的结构图。
[0094] 图15示出了在所述末级放大器组件的底面设置了散热模块30，两侧设置了电源输入和CAN通讯接口32，输入端双微带渐变微带线 25和输出端双微带渐变微带线29分别设置于放大器组件的两边，隔离器26、30瓦放大器P127和150瓦末级放大器P2依次间隔设置在组件的中部位置。该结构紧凑，体积较小，方便携带和调试。
[0095] 图16给出了该实施例单个末级放大器组件的主体结构图。图17 给出了该实施例末级放大器组件的整拼结构图。
[0096] 本实施例的SIW功率合成器模块仍然采用SIW技术设计了X频段功率合成器，末级功放组件输出16路150瓦功率信号，通过双对极鳍线波导-SIW转换器10，转换成8路信号合成输出，再通过X频段8路连接弯波导，连接至X频段功率合成器，最终输出2000瓦大功率信号。
[0097] 为缩小体积，功放组件每四路输出合成出2路输出，设计8路连接弯波导结构。
[0098] X频段功率合成器，实现大功率输出，隔离端采用楔形吸波材料作为吸收体，对最终输出端吸收体设计特殊结构吸收体，提高耐受功率能力。本实施例X频段功率合成器，实现大功率输出，隔离端采用楔形吸波材料作为吸收体，对最终输出端吸收体设计特殊结构吸收体，提高耐受功率能力。
[0099] 图18给出了该实施例8路连接弯波导结构图。图19给出了该实施例X频段功率合成器结构图。图20给出了该实施例X频段功率合成器主体结构图。图20中包括8个功率分配器波导输入口35，分别通过弯波导连接至两个E面3dB分支波导定向耦合器36，两个E面 3dB分支波导定向耦合器再连接到合成器输出波导口37。这里弯波导的弯波导输入40和弯波导输出41见图19。
[0100] 具体实施例提供了X频段2000瓦固态发射机系统，包括以上实施例提供的X频段2000瓦固态发射机、供电电源模块、控制保护和馈电系统和散热模块，所述供电电源模块分别与所述X频段2000瓦固态发射机系统、控制保护和馈电系统以及散热模块连接。
[0101] 本实施例采用国内先进的供电电源模块、控制保护和馈电系统，这些模块可以采购现有产品或者根据现有技术开发设计，在此不详细说明。
[0102] 1、供电电源模块44具有的功能：
[0103] 自带PFC功率因素校正，可减小谐波对系统的影响。
[0105] 电源模块输出电压宽范围可调(22V-36V)。
[0106] 电源模块支持并联功能，方便备份，提高系统冗余，提高系统可靠性。
[0107] 采用分离器件，全数字控制，检测电源效率和功率密度变化。
[0108] 控制保护和馈电系统功能：包括16路电流检测功能；16路电压检测功能；8路温度检测功能；16路漏调功能(可一直工作在导通模式)；调制适应电压范围9-80V、输出电流0-60A,调制度前沿小于80ns,调制后沿小于100ns，重复频率100KHz；16路栅压可调(在线可调，负压连锁漏调)；总线接口,设置门限,过电压,过电流,过温度门限，并在本地储存；具备系统复位功能；具备程序在线更新功能；过脉宽和过占空比保护；工作电流实时显示功能。
[0109] 在具体实施例中该种控制和馈电的电路设计，具有创新性。在同一个馈电板上实现了，控制、通讯、保护、程序在线更新等多种功能，目前公开的设计也很少。
[0110] 为了实时检测和保护功放核心器件，设计了控馈保护电路。控测电路板主要由DC/DC转换电路、电压监测和保护电路、电流监测和保护电路、时序保护电路、过温度监测和保护电路，功率检测电路、监测通信电路(故障判断、汇总和关断)、复位电路组成。
[0111] 控测电路板的功能如下：
[0112] 输入电压：32V±15％；
[0113] 栅极电压：-5V-0V在线连续可调；
[0114] 电压监测：每路放大器电压检测；
[0115] 电流监测：每路放大器电流检测；
[0116] 温度监测：每路放大器温度检测；
[0117] 保护功能：具备过压、欠压、过流、过温度保护功能，具备时序保护功能，栅极电压与漏极调制连锁功能；
[0118] 门限设置：通过CAN总线设置过压、欠压、过流、过温度门限并在本地存储(CAN总线通信在测控通信电路章节描述)；
[0119] 复位功能：具备系统复位功能，采用看门狗复位芯片，实现复位功能；程序更新：具有程序在线更新的功能。
[0120] 控测电路板在设计上具备同时检查32路模拟量输入信号，4路功能复用的隔离输入信号(兼容TTL、光耦、触点信号)，2路功能复用隔离输出通道。通信方面支持CAN通信。控馈电路板原理图见图 22。
[0121] 监控汇总盒43：具有监测状态汇总功能，采用总线形式，将各级模块的工作状态和控制状态，通过监测汇总盒，将大量数据，通过光纤或网线的形式上传和下达。
[0122] 散热模块46功能：由5只特种风机和3块散热器构成，能够及时散发系统近400瓦的热量，并保证功率放大器在+60℃高温条件下稳定工作。
[0123] X频段2000瓦固态发射系统：将X频段2000瓦固态发射机、电源模块、监测汇总盒、散热系统，按照系统布线规则进行互联，安装至转台系统。X频段2000瓦固态发射机、监测汇总盒以及供电电源模块放置在不同的层，这样的X频段2000瓦固态发射机系统结构分层设计，实现各级模块之间的有效隔离，减少模块间串扰，提高了系统的电磁兼容能力，无分层设计，系统隔离度约为60dB，分层设计后可以达到90dB。优选地，将CAN口通讯方法，应用于功放系统，将电源、功放、监测汇总组网控制，可适时监测系统中任意部组件的工作状态，并定位和排障。
[0124] 通过将发射机系统放置在伺服转台结构，实现发射系统在俯仰方向和方位方向上的灵活机动，实现系统天线半功率波束宽度指标。
[0125] 转台系统实现，包括方位状态传动装置45和俯仰状态传动装置 47；方位0-360°覆盖，俯仰0-90°旋转；
[0126] 采用倒喇叭天线48形式，驻波比优越，承受大功率；
[0127] 最大辐射功率大于100KW；
[0128] X频段宽波束发射支路采用固态发射机加宽波束天线形式，以达到系统要求等效辐射功率及覆盖空域范围的要求，具体指标，方位半功率波束宽度：≥80°；俯仰半功率波束宽度：≥80°。具体 X频段宽波束天线半功率波束宽度表见表1。
[0129] 表1 X频段宽波束天线半功率波束宽度表
[0130]
[0131] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
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