某固态发射机典型测故障分析及改进研究

杨 静

中国电子科技集团公司第 29研究 所，成都 610036

摘要：针对某固态发射机的故障件和故障现象，从其工作原理出发，分析其故障原因。得出波导边频驻波大、合路器相邻通道隔离度差和环境温度对实际生产测试的影响，并对其提出有效测试措施，优化了某固态发射机的生产和测试方法。

关键词：固态发射机；驻波；隔离度；环境温度

The Typical Trouble of Solid State Transmitter Analysis and Solutions

YANG Jing, DU Bo

(The 29^th Research Institute of CETC, Chengdu 610036, CHINA)

Abstract：In the light to product fault and fault phenomenon of a certain batch of solid state transmitter, based on its working principle, analyzed the cause of the fault, then work out the effects on production tests are that large standing wave of waveguide, the poor isolation of combiner adjacent channels and the high ambient temperature. Put forward some effective test methods, and optimize production test process of solid state transmitter.

Key words：solid state transmitter；standing wave；isolation；ambient temperature

引言

随着固态器件单管输出功率的提高，固态功放模块的应用越来越广泛，相对于行波管发射机，固态发射机体积小、重量轻且工作电压低，有如下优点^[1-2]。

1）可靠性高。固态发射机的输出功率是由多个功率模块合成后输出的，即使有一个模块失效，也不会严重影响整个发射机的工作。

2）无需预热。固态发射机开机速度快，工作中没有灯丝预热时间。

3）可维护性能好。组成发射机的功率模块标准化程度高、易替换，工作电压低，便于维护。

4）体积小重量轻。在低频段相同平均功率的条件下，固态发射机的体积和重量均要小于行波管发射机。

5）一致性好。固态放大器采用印刷电路板设计，适合批量生产，并组阵应用。

由固态功放模块构成的全固态发射机，在雷达、电子战和通信等领域中得到广泛应用^[3-6]。

1 固态发射机的组成及测试

固态功放模块前级功率合成一般采用微带线等方式；在末级合成中，通常选择波导合成方式。波导合路器具有功率容量高、损耗小等特点。作为末级合成，减小损耗、提高合成效率，对最后的功率输出起着决定性作用[7]。

通过多次多路合成器获取大功率的固态发射机，内部组成较为复杂，调试难度大于传统发射机，测试流程是否合理、操作是否细致，对测试结果有显著的影响，本文通过对某型固态发射机输出功率不足的故障进行分析，对大功率固态功放的测试流程提出改进措施。

某6-18GHz固态发射机采用8路固态功放模块，通过8路脊波导合成器耦合成一路大功率射频信号输出，搭建测试环境如图1 所示，对某固态发射机进行常温测试、老练以及环境试验。

1. 6-18GHz固态发射机测试示意图

2 故障分析

某年生产同批次198件功放模块中，出现输出功率不足故障件的达15件，故障率为7.6%。

2.1故障现象

2. 固态功放模块故障点

将故障件开盖，如图2 所示，功放模块的电路片和大功率绝缘子均被烧毁。

2.2原因分析

功放放大器内部射频部分主要由低噪声放大器、均衡器、增益放大器、温补衰减器、驱动功放、末级功放单元、功率分配/合成单元，最后由大功率TNC射频连接器输出，TNC接头由大功率绝缘子和TNC外壳组成，如图3 所示。

3. 功放模块组成框图

经排查，功放模块的控制、供电及功放模块内部电路均无问题，引起TNC接头大功率绝缘子烧毁的原因应该是负载驻波增加，反射回来的输出功率增加，在绝缘子处积累，超过电路片和绝缘子的承受容量，导致绝缘子温度升高，超过180度后，焊锡融化，驻波进一步急剧恶化至短路烧毁。

根据固态发射机测试示意图图1 ，可能引起驻波变化、反射功率增加的因素有以下三点：（1）功放模块与8路脊波导合成器之间的连接波导，（2）固态发射机与测试部分的匹配连接以及（3）高温环境对大功率负载功率容量的影响，分别分析如下。

2.2.1 WRD650波导边频驻波较大

功放模块采用TNC射频头输出，经大功率射频等相电缆，650波导同轴转换器，连接到8路脊波导合成器。利用CST微波工作室对WRD650波导进行仿真，得出数据如下图4 ，图5 所示，双脊波导截止频率为5.27GHz左右，在6-6.5GHz处插损和驻波较大，容易引起较大的能量反射。

4. WRD650双脊波导截止频率

5. WRD650双脊波导驻波系数

2.2.2固态发射机与测试部分的连接

8路脊波导合成器后面连接测试用大功率波导定向耦合器和大功率吸收负载，如果波导定向耦合器和8路脊波导没有进行匹配连接，将导致驻波显著增大，驻波达到3.0时反射为25%，5.0为44.44%。

利用仿真软件对其进行建模如图6 、图7 所示，可以看出8路脊波导合成器的截止频率为5.3GHz左右，在6-6.5GHz插损较大，受结构原因影响，相邻两两通道间隔离度很小。如果一旦驻波过大，从定向耦合器端反射回去的能量将无法均匀的分配到8个端口，吸收匹配异常，某个通道将会承受过大的功率，从而导致功放模块烧毁。

6. 8路脊波导合成器三维模型

7. 8路脊波导合成器相邻两路隔离度

经过仿真，实测8路脊波导合成器相邻之间的隔离度很小，最小为2dB左右，如图8 所示。

8. 8路脊波导合成器相邻两路隔离度

2.2.3高温对大功率负载功率容量的影响

大功率吸收负载的功率容量受温度的影响较大，温度升高到50℃后，功率容量降为负载容量的80%，如下图9 所示，

9. 功率容量和环境温度的关系

特别是长时间加电和老练过程中，随着大功率负载对微波能量的吸收，在没有散热或者散热不足的情况下，温度逐渐升高，功率容量降低，从而导致能量反射，烧毁功放模块。

根据以上三点分析，6-18GHz固态发射机在测试过程中，如果连接匹配不够好，那么在6-6.5GHz、长时间处于大功率输出状态下，容易出现驻波恶化，反射功率增加，导致功放模块损坏的故障。

3 改进措施

鉴于固态功放在实际应用上的优势，未来面临批量生产，对测试要求高；根据本文分析，在测试时作出以下改进：

1）大功率测试端口连接处必须做到可靠连接，波导连接处的所有固定螺钉必须紧固，波导连接处应保证负载匹配；

2）长时间发射大功率射频信号时，必须注意大功率负载的散热情况，保持良好散热；

3）使用的大功率负载功率容量应该具有一定的冗余，一旦环境条件发生变化（匹配不好，温度过高），不至于损坏功放模块；选用更大功率容量的定耦和负载，如2.5倍以上；

4）多路波导合成器由于结构本身的原因，无法保证较好的隔离度，因此测试过程中可以在前端加入环形器，避免反射能量烧毁功放模块；

5) 对于不同频段的固态发射机，合路波导应该选择适宜的尺寸，保证各频段驻波在满足要求的范围内；如固态发射机频段为6-18GHz，把WRD650波导换成WRD500波导接口。

执行如上措施改进后，原批次的15件故障件均解决，测试正常；随后第二批次的127件固态发射机，未出现同类故障问题，批次故障率由7.6%降低至2.3%。

结论

采用固态放大器设计的发射机具有体积小、重量轻、功耗小和工作寿命长等优点，但对测试环境更加挑剔。本文通过实际应用中固态发射机的故障现象，分析故障原因，针对性地提出了测试过程中的改进措施，有效提高固态发射机产品生产成品率。

参考文献：

【1】罗嘉,张人天.基于GaN的大功率高线性固态发射机研制[J].电子信息对抗技术，2016,31（2）：61-65.

【2】史力强，张洋，徐建平.X波段固态功率放大器设计及应用[J].电子信息对抗技术，2013,28（2）：69-71.

【3】MERRINLL I S. 雷达手册[M] . 2 版. 王军, 林强,译. 北京: 电子工业出版社, 2007.

【4】胡标, 李家胤, 周翼鸿. S 波段大功率固态功率放大器的分析与设计[J].材料导报, 2007( S2) : 211 -213.

【5】王海龙, 王文祥, 王吉辉. L 波段窄脉宽500W 固态功放组件的设计[J].电子对抗技术, 2004, 19( 6) : 42- 44.

【6】巩强,谢雪康,何定全,罗嘉.某固态发射机故障分析及其可靠性提高方法[J].电子信息对抗技术，2013,28(4):43-45.

【7】张洋. 宽带功率合成技术的发展综述[ J].电子信息对抗技术, 2008, 23( 6) : 60- 63, 67.

作者简介：杨静（1982—），四川成都人，2008年毕业于英国格拉斯哥大学计算机科学与技术专业，硕士，目前从事项目管理工作.