第5章固态发射机Michael T. Borkowski5.1 引言在逻辑电路和其他小功率电路，甚至在像电源和低于1MHz的能量转换器这样的大功率应用系统中，固态器件已广泛代替了真空器件。

惟一的例外是阴极射线管（CRT），原因是它比等离子体显示器便宜得多。

由于单个固态器件的输出功率是相当有限的，所以，在雷达发射机中，从高功率的速调管、行波管（TWT）、正交场放大管（CFA）和磁控管到固态器件的过渡是渐进的。

然而，与真空管相比，固态器件有许多优点。

（1）不需要热阴极。

因此，不存在预热延迟、灯丝功率浪费，且使用寿命几乎无限期。

（2）器件工作在低得多的电压环境下。

因此，要求的电源电压是伏特级而不是千伏级，这样就避免了大空间、充油或密封的要求，从而，节省了电源的体积和重量，使电源和微波放大器获得较高的可靠性。

（3）用固态器件设计的发射机与真空管发射机相比，平均无故障时间（MTBF）得以提高。

已经测过的放大模块的平均无故障时间大于100000 h。

（4）不需要脉冲调制器。

用于雷达的固态微波器件通常采用C类工作方式，当射频驱动开和关时，它是自触发的。

（5）模块故障时，系统具有故障弱化功能。

这是因为发射机的输出功率是由大量的固态器件合成提供的，而且当个别单元故障时，其他单元能很容易地重新组合以弱化故障。

若以分贝表示，输出的总功率仅降低20lg r，其中r为工作的放大器与放大器总数之比。

（6）可获得很宽的带宽。

一般高功率的微波真空管能获得10%～20%的带宽，而固态发射模块可获得50%或更大的带宽，并具有好的效率。

（7）在相控阵雷达应用中，可获得很好的灵活性。

在相控阵雷达系统中，每个天线单元可以与单个有源收发组件相连接，这样就可消除通常存在于真空管系统中，位于点源管放大器与天线阵列表面之间的射频分配损耗。

另外，用于波束控制的相位移动可在低电平上，在有源阵列单元的输入馈电端实现。

这样就避免了辐射单元移相器高功率损耗，并提高了整机的效率。

因输出功率是在空间合成的，从而任一点的峰值射频功率相当低。

另外，输出幅度锥削可通过关断或减弱单个的有源放大器来实现。

高功率真空管被固态器件取代的进程比以前预想的要缓慢得多。

事后分析，其原因是，在相同的峰值功率和占空比条件下，直接用固态器件取代脉冲工作的射频真空管过于昂贵且无法进行。

与射频真空管相比，微波半导体器件的热时间常数短得多（是毫秒级，而不是秒级）。

结果使平均功率为50W的微波晶体管在脉冲期间不过热的前提下，不能承受比100～200W更大的脉冲功率。

具有窄脉冲宽度和低占空比的真空管式老雷达只能非常低效地利用微波晶体管的平均功率能力。

例如，要取代L波段平均射频功率为500W、占空比第5章固态发射机·161·的典型值为0.1%的磁控管5J26，需要上面提到的50W的晶体管2500～5000个。

换句话说，若在较高占空比的条件下以较低的峰值功率提供所需的雷达平均功率时，微波晶体管的效费比将大得多。

因此，很少直接用固态发射机取代低占空比的老发射机，对于这一规则AN/SPS—40雷达是一个例外，以后将会讨论。

对于新的雷达系统，这些认识已经启发了系统设计师尽可能地选择高的占空比，这不但减少了峰值功率的要求，而且也可在合适的价位上使用固态器件。

例如，若占空比为10%，本节前面提到的500W的平均功率可仅由25～50个50W的晶体管来提供。

决定使用高发射占空比对雷达系统的其他部分产生了显著的影响。

工作在较高占空比的雷达系统，通常要求使用脉冲压缩技术以同时获得所要求的无模糊距离覆盖和高距离分辨力。

另外影响是，使用脉冲压缩技术的宽发射脉冲会使雷达在近距离产生盲区。

因此，需发射和处理一个插入在宽脉冲之前的窄脉冲。

为了防止强点杂波掩盖弱动目标信号，信号处理器必须获得低脉压时间副瓣和高杂波对消比。

因此，设计一个固态发射机作为一个新雷达系统中的一部分，比用一个固态发射机改造一个不具有这些特性的老系统要容易得多。

高功率的微波晶体管在HF～L波段比在更高频段发展更快，固态发射机的最广泛应用是在这些较低频段，见表5.1。

也注意到，那些在UHF或低于此频段的固态发射机通常比L频段的固态发射机有更高的峰值和平均功率。

表5.1 已投入使用的固态发射机* 固态发射机代替真空管发射机；** 每个阵列表面的参数；***用峰值功率为100 W的模块升级。

△原文似有误。

若700W正确，则模块数应为42或43。

固态器件的使用并没有消除发射机设计的所有问题。

射频合成网络必须运用高技术周密地设计，以最小化合成损失，保持发射机的高效性。

必须与过大的驻波比合理地相隔离以保护微波晶体管，并且必须适当地滤除晶体管的谐波输出以满足MIL—STD—469和其他有关射频频谱质量规范的要求。

由于大多微波晶体管工作于C类工作方式，所以不需要脉冲调制器。

但是，C类工作对频谱控制而言，它使控制射频上升、下降沿时间波形变得更困难。

同时，正像真空管发射机一样，能量管理仍然很关键。

每一个电源必须有一个足够大容量的电容组以储存能量，用来在整个脉冲期间供给固态模块，而且能在脉间平滑地给电容组再充电以避免在供电线上汲取过大的电流波动。

因而，虽然所要求的电源通常不是货架产品，但有雷达手册·162·大量固态器件和电路来满足这些要求。

由于许多固态器件的输出功率合成过程中存在不可避免的损耗，又因为空间合成基本上无损耗，设计中更倾向于避免辐射之前的合成。

因此，许多固态发射机由模块组成，它们向阵列天线的行、列或单个阵元馈电。

特别是最后一种情况，需要把模块（也可能还将其电源）加装到天线结构体系中，把模块放于天线上可以避免长波导的传输损耗。

然而，将设备的重量放到天线上，在有些情况下是不希望的。

这就可能迫使设计者停留在传统的合成模式中。

一个典型的例子是船载雷达，它的天线总是架在船上尽可能高的地方，必须最小化天线的重量以保持转动的稳定性，而且到天线塔进行维修也很困难[1]。

由于一个典型的固态发射机是由许多模块组成的，因此，一个或少数几个模块故障对整机的性能影响很小。

然而，模块的输出是以电压矢量的形式合成的，若10个模块中的2个（或1000个中的20%）故障将导致输出电压降为80%，而输出功率降为64%。

这仅是2dB的损失（80%和64%功率之差出现在合成器负载中或副瓣中，如果在空间合成的话）。

故障弱化的结果使固态发射机的整机可靠性非常高，甚至维修工作可推迟到方便的规定时间。

但这一优势不应被滥用。

试举一例，当输出功率满足要求时，1000个模块中的20%可允许故障，而且假定维修工作计划每隔三个月进行一次。

在此例中，只要求模块的平均无故障时间为22000 h便可对发射机在少于3个月内无故障提供90%的可信度。

但是，模块更换和人工劳动的费用是不令人满意的，原因是每年发射机的40%不得不被更换。

为了确保固态发射机可用，并用得起，较高的平均无故障时间是必不可少的。

值得庆幸的是，已经证明固态模块的可靠性甚至好于MIL—HDBK—217的预言。

例如，AN/FPS—115（即Pave Paws）雷达的收发模块实际平均无故障时间（包括接收机收发开关、移相器和功率放大器）已提高到141000h，这是预言值的2.3倍。

实际上，功率输出晶体管的平均无故障时间大于1100000h[2]。

5.2 固态微波功率的产生相对于雷达发射机总的峰值功率和平均功率而言，单个固态器件产生功率的能力很小，但是，固态器件可被很高效地使用，将成百上千的固态放大器输出功率合成可获得大的峰值和平均功率。

一个特定器件的功率输出值是准确的工作频率与工作条件（即脉冲宽度和占空比）的函数。

在正常工作条件下，双极型晶体管的输出功率在50～500W之间。

正如表5.1所列，这些器件已成功用于UHF～L频段的设计中，双极型器件满足系统可靠性、电气性能、密封、冷却、可用性和可维修性的要求。

实际上，在较低频段上，这些器件成为真空发射管的具有吸引力的替代品。

在较高频段，特别是在微波相控阵应用系统中，具有发射和接收功能的单个小物理模块是必要的，可使用砷化镓场效应管（GaAs FET）和与之有关的批处理的单片微波集成电路（MMIC）。

砷化镓FET在高达60GHz的频率上可很好地用做低噪声器件[3]，加上单元合成技术[4]砷化镓FET可在1～20GHz频段内用做功率放大器。

通常，砷化镓技术吸引人的原因在于，砷化镓FET可与提供偏压、加载、滤波和开关功能的无源电路集成，这对多级收发模块的设计是非常必要的，但由于器件本质上的限制，对于输出功率超过25～30W模块设计，用这种方法进行替换的费效比并不可取。

第5章固态发射机·163·对于固态微波频谱的上端，即毫米波段，单端微波二极管可用于低功率振荡器。

不幸的是，通常这些器件的功率输出和效率是很低的。

实际上，比那些对应的真空管部件效率低许多。

然而，在高达300GHz的频段，连续波和脉冲功率的输出是可以实现的。

耿氏效应（Gunn）和雪崩（IMPATT）二极管就是这样的器件，它们在固态毫米波应用中大有前景。

这些器件类型和相关的技术将在下面分别加以简要叙述。

微波双极功率晶体管在固态系统中，硅双极晶体管是常见的器件选择。

在较低频段，特别是低于3GHz的频段，这种器件能在众多的固态技术竞争对手中以最低的费用提供足够的性能。

频段升到S波段时，放大器的设计仍是可以实现的，但在此频段器件性能和系统费用之间的折中开始达到利润逐渐降低的转折点。

硅双极型晶体管技术是成熟的。

随着器件处理、封装和电路设计技术的继续发展，生产者应能持续推出输出功率、带宽和可靠性提高了的晶体管。

另外，作为一个相对质量指标，由于生产合格产品量的改善、自动化或半自动化组装技术的发展，器件每瓦特输出功率的费用正在降低。

微波功率晶体管可看做是复杂的混合电路，通常是单片或多片器件。

对于高功率输出器件，多个晶体管的衬底总是平行组合在一个密封的陶瓷封装中。

另外，某些内部阻抗匹配电路也包括其中，以保持半导体器件固有的大带宽和易于与外部匹配。

内匹配也使封装器件的终端阻抗增加，从而使外部电路到晶体管的器件损耗不再重要。

对于多个生产厂家，这些片子的生产和平面排列在一定程度上已标准化，图5.1示出一典型微波双极晶体管晶片横截面的一部分。

此结构是一个带有垂直扩散轮廓图的NPN硅器件，集电极连接器件的底层。

P型基极区扩散或植入集电极，N型发射极扩散或植入基极，从片子的顶层表面均可触及发射极和基极。

集电极区包括掺有N型杂质的低电阻率外延层，该层生成在极低电阻率的硅基底上。

外延层的特性，如厚度和电阻率，决定器件性能的上限，如强度、效率和饱和功率输出。

图5.1 微波双极晶体管芯片的截面图高频晶体管性能的基本限制是集电极到发射极的总延迟时间。