車佳 黃碩 劉宇 張亮

(上海航天電子技術(shù)研究所,上海 201109)

深空探測用X波段固態(tài)放大器設(shè)計

車佳 黃碩 劉宇 張亮

(上海航天電子技術(shù)研究所,上海 201109)

為適應(yīng)深空探測中的初期下行鏈路建立需要,滿足任務(wù)中對測控數(shù)傳分系統(tǒng)的功能、指標(biāo)需求,提出一種新型的X波段固態(tài)放大器設(shè)計方案。本固放可實現(xiàn)0.5W/10W功率切換輸出,且功耗較低。同時,固放內(nèi)部包含DC-DC電源電壓轉(zhuǎn)換電路,實現(xiàn)一體化設(shè)計。本固放具有信號功率放大、抑制帶外雜波等功能,可與X頻段應(yīng)答機配合完成下行X頻段信號的發(fā)射,與地面測控站一起構(gòu)成X頻段下行鏈路。

深空探測 X頻段固放 切換輸出功率 小型化

本文將提出一種新型的X波段固態(tài)放大器設(shè)計方案。本固放可實現(xiàn)0.5W/10W功率切換輸出，且功耗較低。同時，固放內(nèi)部包含DC-DC電源電壓轉(zhuǎn)換電路，實現(xiàn)一體化設(shè)計。該款固態(tài)功放將應(yīng)用于某型號深空探測測控、數(shù)傳分系統(tǒng)中。

1 技術(shù)要求

X波段固態(tài)放大器主要性能指標(biāo)見表1所示。

2 任務(wù)分析及電路組成

固態(tài)放大器主要實現(xiàn)以下功能：(1)接收輸入信號，送入固放進行功率放大；(2)通過遙控指令對固放電源開關(guān)進行控制；(3)通過遙控指令對固放的輸出功率進行選擇，選擇0.5W或10W輸出。

3 固放設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

3.1 小型化微波鏈路設(shè)計技術(shù)

微波放大鏈路部分主要由輸入隔離器、輸出隔離器、驅(qū)動放大器與功率放大模塊組成。末級功率放大部分采用我所自研的功率放大模塊，該模塊主要功能為微波信號的功率放大，器件為一路輸入、兩路輸出的結(jié)構(gòu)形式，兩路微波功率輸出可獨立加電。器件采用微組裝工藝技術(shù)(MCM)進行設(shè)計，具有小型化、高集成等優(yōu)點。

3.2 輸出功率切換技術(shù)

表1 固態(tài)放大器電氣性能要求表

表2 功率放大模塊單路測試數(shù)據(jù)(Vd＝7V,Vg＝-0.65V,Id靜態(tài)＝1.90A)

圖1 微波放大鏈路設(shè)計

由于在深空探測過程中，在單機內(nèi)氣壓未完全釋放時，單機輸出高功率可能會引起低氣壓放電等現(xiàn)象，損壞內(nèi)部設(shè)備，因此在單機內(nèi)氣壓未完全釋放時，設(shè)置單機輸出功率為0.5W，防止設(shè)備損壞。繼電器在得到固放開機遙控指令后進行電源模塊的開關(guān)控制，在得到切換0.5W/10W遙控指令后進行DC-DC電源轉(zhuǎn)換電路輸出電壓的切換，通過繼電器的切換，電源模塊可將一次母線的28V電壓轉(zhuǎn)換成0.5W/10W輸出功率時微波鏈路中各級放大管的工作電壓，繼而完成輸出功率切換實現(xiàn)。

4 固放設(shè)計方案

微波功率放大鏈路為固放的必須電路部分，它將實現(xiàn)微波信號功率放大。微波放大鏈路見圖1所示。

0.5W工作模式：輸入信號功率P=0～5dBm，經(jīng)隔離器、壓控衰減器后，微波信號進入驅(qū)動放大進行放大；放大后的信號進入末級功率放大模塊，設(shè)置功率模塊的兩路漏壓一路關(guān)閉，一路開通，模塊放大后輸出功率為28dBm。經(jīng)隔離器的衰減后，最終鏈路輸出功率為27.5dBm(0.56W)，滿足指標(biāo)要求。

5 測試驗證與指標(biāo)復(fù)算

本固放中，主要的功率器件為末級自研功率放大模塊，方案中，對該模塊進行電壓降額設(shè)計，第一可降低芯片工作結(jié)溫，第二可以減少整機的功耗。

對該放大模塊中單路組件進行漏級電源拉偏測試，按器件熱阻為4℃/W計算，測試數(shù)據(jù)見表2所示。

從測試結(jié)果中可以看出：(1)當(dāng)單路功率組件的漏極為+7V，輸入功率為2dBm時，輸出功率38.3dBm，再通過后續(xù)的合成器，功率放大模塊可以輸出41dBm的功率；(2)當(dāng)單路功率組件的漏極為+4V，輸入功率為-8dBm時，輸出功率31.5dBm，再通過后續(xù)電路，功率放大模塊可以輸出28dBm的功率。

因此，通過電源轉(zhuǎn)換模塊調(diào)整功率放大模塊的漏極電壓，從+7V調(diào)整到+4V，可以實現(xiàn)固放輸出功率在10W和0.5W之間切換的功能，并且在切0.5W時固放的功耗明顯降低。

6 結(jié)語

本文提出一種新型的X波段固態(tài)放大器設(shè)計方案，固放可實現(xiàn)0.5W/10W功率切換輸出，且功耗較低。同時，固放內(nèi)部包含DCDC電源電壓轉(zhuǎn)換電路，實現(xiàn)一體化設(shè)計。通過對自研功率放大模塊進行電源拉偏測試，進一步驗證設(shè)計方案的合理性和可行性。各項指標(biāo)均符合分系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)要求，可用于深空探測X波段固態(tài)功放的研制工作。

[1]Raymond Basset High-Power GaAs FET Device Bias Considerations, Fujitsu application note number 110.

[2]Vincent, J.B. A 16W solid state MMIC X-band amplifier for TWT replacement. IEEE. 1996,2：749-752.

[3]Kai Chang. Microwave solid-state circuits and applications.New York：John Wiley & Sons,Inc.1994.

車佳(1976—),男,四川資中人,碩士,高級工程師,1999年畢業(yè)于北京航天航空大學(xué)電子工程專業(yè),現(xiàn)任上海航天電子技術(shù)研究所副總工程師,主要研究方向雷達接收機、頻率綜合器、宇航測控應(yīng)答機、數(shù)傳發(fā)射機、數(shù)據(jù)處理。