李少波，戚開南

(1.中國電子科技集團公司航天信息應(yīng)用重點實驗室，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；3.電磁散射重點實驗室，北京 100854)

X頻段室外型400 W功率放大器設(shè)計與實現(xiàn)

李少波1,2，戚開南3

(1.中國電子科技集團公司航天信息應(yīng)用重點實驗室，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；3.電磁散射重點實驗室，北京 100854)

基于在執(zhí)行航天測控X頻段TT&C任務(wù)時上行鏈路需配備功率放大器的需要，給出了X頻段室外型400 W功率放大器的設(shè)計方案，詳細闡述了大功率整機合成技術(shù)和高效散熱技術(shù)，明確了功放研制過程中的關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合系統(tǒng)測試給出了功放的測試數(shù)據(jù)并進行了分析。利用該方法設(shè)計的X頻段室外型400 W功率放大器已成功應(yīng)用在實際工程中。測試結(jié)果表明，功放的性能指標(biāo)滿足系統(tǒng)要求。

X頻段；測控任務(wù)；室外型；功率放大器

0 引言

隨著航天技術(shù)的快速發(fā)展，對測控設(shè)備的通信速率和測量精度要求日益增高。與傳統(tǒng)的S頻段相比，使用X頻段作為測控設(shè)備的工作頻率，其在較遠作用距離、較低信噪比下所帶來的測量精度的提高是顯著的[1-2]。同時，現(xiàn)代測控設(shè)備的上行信號傳輸正向多載波、高速率和大容量方向快速發(fā)展。作為測控設(shè)備上行鏈路的重要部件，測控系統(tǒng)對上行鏈路中高功放的瞬時工作帶寬、線性度、可靠性和整機效率等要求日趨嚴格[2]。本文設(shè)計實現(xiàn)的X頻段室外型400 W功率放大器輸出功率高，相頻特性優(yōu)良，整機噪音低，并且具備優(yōu)異的電磁兼容特性，在實際工程中能實現(xiàn)上行鏈路射頻信號的功率放大。

1 設(shè)計原理

X頻段室外型400 W功放安裝于天線叉臂，接收上行鏈路的X頻段上行小信號，經(jīng)功率放大后輸出至天線饋源網(wǎng)絡(luò)。功放總體工作原理如圖1所示。

X頻段室外型400 W功率放大器主要由激勵級、80 W功率模塊(共8路)、二進制波導(dǎo)功率合成網(wǎng)絡(luò)(共3級)、微波網(wǎng)絡(luò)(含耦合、濾波和開關(guān)切換等)、監(jiān)控單元、散熱模塊和密封防護裝置等組成。激勵級采用低噪聲放大器以保證功放整機輸出功率信號具有較低的噪聲功率譜密度[3]；8路80 W功率模塊工作原理相同，均由2路60 W功率放大模塊通過3 dB電橋合成而得；三級二進制功率合成網(wǎng)絡(luò)將8路等幅等相功率信號進行合成后輸出；后續(xù)耦合/濾波/開關(guān)切換等微波組件實現(xiàn)與天伺饋分系統(tǒng)天線饋源網(wǎng)絡(luò)的連接；監(jiān)控單元負責(zé)總體各部件的狀態(tài)采集及開/閉環(huán)功率設(shè)置，同時實現(xiàn)與上位機通信；大功率線性電源為總體各模塊提供多路加去電時序受控的直流電壓；強迫風(fēng)冷散熱裝置與功率模塊底部預(yù)埋熱管相結(jié)合實現(xiàn)大熱量疏散；全密封防護裝置實現(xiàn)整機室外工作的防雨和防塵等功能[4-5]。

圖1 室外型功放總體工作原理

2 需要解決的問題

X頻段室外型400 W高功放的安裝方式對其六性要求更加嚴格，必須在保證性能指標(biāo)滿足系統(tǒng)要求的前提下完善六性設(shè)計方案、著重考慮室外惡劣環(huán)境下的大功率散熱問題。同時，隨天線俯仰角度的變化高功放的多個結(jié)構(gòu)角度將直接面臨防雨的苛刻要求，對結(jié)構(gòu)的全密封防護要求更加嚴格。在高功放總體設(shè)計與研制過程中，主要解決的主要問題有：

① 大功率整機合成：應(yīng)當(dāng)采用模塊級別合成方式提高功放的重用程度；同時需要通過高精度幅相調(diào)整和聯(lián)動保護技術(shù)提高功放的保障性、可靠性及可維修性[6]；

② 聯(lián)合控制保護：在整機研制過程中，必須通過過激保護、過駐波保護和過熱保護等控保模塊提高功放安全性、可靠性；

③ 高效散熱：需要使用Icepack熱設(shè)計仿真軟件對功放散熱方案進行仿真，優(yōu)先選用強迫風(fēng)冷與預(yù)埋熱管相結(jié)合的方式實現(xiàn)高效散熱[7]；

④ 全密封防護：功放安裝在室外，需要通過采用扁平結(jié)構(gòu)設(shè)計以降低設(shè)備重心增強隨天線轉(zhuǎn)動的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能[8-9]；同時通過增強水密特性、增設(shè)安裝吊環(huán)等技術(shù)提高功放的安全性和環(huán)境適應(yīng)性。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 大功率合成技術(shù)

采用8路等功率合成的功率放大器，當(dāng)其中x路功率模塊性能下降或無輸出時會引起合路器的失配[10]。此時整機輸出功率降為：

Pout=P*(8-x)2/64。

設(shè)計中采用的三級二進制波導(dǎo)功率合成網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖2 室外型功放功率合成網(wǎng)絡(luò)

為保證有任一功率模塊失效時室外型功放輸出性能下降不嚴重，采用裕量設(shè)計的形式保證功率放大器的輸出性能。在三級二進制波導(dǎo)功率合成網(wǎng)絡(luò)中，合成效率隨合成級數(shù)的增加遞減[3]。設(shè)計中實測合成效率>85%，因此實際理論功率輸出可達P=80×8×0.85=544 W。即便存在某一模塊性能下降或失效，實際輸出功率可達P1=544*(8-1)2/64=416.5 W，仍可保證測控任務(wù)的正常執(zhí)行。

3.2 高效散熱技術(shù)

單個80W功率模塊所含的2個末級功率管的最大溝道溫度均約為172 ℃，其輸入驅(qū)動信號功率為15W，最大輸出功率為60W，直流輸入功率為10V/14A。由此可知單個功率管的功率耗散約為：10×14 W-60 W+15 W=95 W。根據(jù)功率管數(shù)據(jù)手冊，其熱阻以0.87 ℃/W計算，其滿功率工作時最小溫升為95 W×0.87 ℃/W=82.65 ℃。保證末級功率管正常工作的前提是結(jié)溫小于其最大溝道溫度[4]，則盒體散熱板的最高溫度應(yīng)保證小于172 ℃-82.65 ℃=89.35 ℃，留有一定裕量按照89 ℃進行熱設(shè)計仿真[11]。

由功放的工作原理可知，單個80W功率模塊直流電源消耗約為400W(含模塊內(nèi)部各個功率管)，大功率電源的效率實測約為90%，則8個功率模塊在散熱結(jié)構(gòu)上需要耗散的熱量約為：8×(400-80)/0.9≈2 850W，以3 000W進行熱設(shè)計仿真。

在室外型功放熱設(shè)計仿真時，采用7個大風(fēng)量、高轉(zhuǎn)速直流風(fēng)扇，通過合理設(shè)計風(fēng)道及功率管底部預(yù)埋熱管等方式進行仿真。在高溫55 ℃的工作環(huán)境下，室外型功放熱設(shè)計仿真熱源溫度云圖如圖3所示。由仿真結(jié)果可知，盒體散熱板的最高溫度為88.7 ℃，小于89 ℃，滿足末級功率管正常工作要求。

圖3 室外型功放熱設(shè)計仿真熱源溫度云圖

在結(jié)構(gòu)實現(xiàn)上，整機結(jié)構(gòu)主要分為3層：上層放置8路80W功率屏蔽盒，以一字排開的方式排布，方便調(diào)試、拆卸及維修；下層放置大功率線性電源；中間為散熱層，內(nèi)置散熱片，其中一側(cè)放置風(fēng)機，另一側(cè)為出風(fēng)口，風(fēng)機向內(nèi)吹風(fēng)進行強迫風(fēng)冷散熱。同時在80W功率屏蔽盒功率管底部預(yù)埋熱管，在水平面上將熱量均勻散開以增大散熱面，再在豎直方向?qū)崃窟M行傳導(dǎo)與散耗，最終實現(xiàn)功放的高效散熱。

4 測試結(jié)果分析

功放設(shè)計面向工程應(yīng)用，安裝在實際系統(tǒng)中。功放采用220V交流電源供電，輸入輸出接插件均采用標(biāo)準接口。X頻段室外型400W功放的主要性能指標(biāo)測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 X頻段室外型400 W功放的主要性能指標(biāo)測試數(shù)據(jù)

表1的測試數(shù)據(jù)表明，功放的輸出功率達到了國內(nèi)現(xiàn)有同類設(shè)備的水平，同時具備優(yōu)良的電磁兼容特性，并且在室外惡劣環(huán)境條件下具備正常工作能力。與以往成熟的X頻段功放相比較，在電磁兼容性、環(huán)境適應(yīng)性及整機結(jié)構(gòu)等方面具有一定的優(yōu)勢。但在系統(tǒng)滿功率工作時噪音超標(biāo)，原因主要在于所選用的風(fēng)扇噪音較大，同時高速風(fēng)流通過高密散熱翅片造成共振；在熱設(shè)計過程中合體散熱板的最高升溫裕量較小，容易造成極端高溫條件下整機性能下降。在后續(xù)研制過程中需要通過優(yōu)化設(shè)計進一步降低整機噪音和提高熱設(shè)計性能。

5 結(jié)束語

隨著深空探測任務(wù)的深入進行，X頻段的航天測控設(shè)備將會逐步成為測控任務(wù)的主力設(shè)備，同時X頻段功率放大器的重要作用將會日益凸顯。室外型400 W功率放大器在保證系統(tǒng)上行EIRP的同時，又憑借其高效率和小體積優(yōu)勢將在未來X頻段測控設(shè)備中越趨重要。在進行室外型功放設(shè)計時，尤其要注意到滿功率工作時功放的噪音超標(biāo)問題，需要進一步在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面優(yōu)化風(fēng)道、合理選擇散熱風(fēng)扇和散熱方案。X頻段室外型400 W功率放大器的研制過程是復(fù)雜的，需要考慮的其他因素還有很多，如整機噪音控制和高效熱設(shè)計，只能在工程研制中不斷探索總結(jié)。

[1] 吳偉仁,李海濤,董光亮,等.嫦娥二號工程X頻段測控技術(shù)[J].中國科學(xué),2013,43(1):20-27.

[2] 李新勝.X頻段1 000 W連續(xù)波固態(tài)高功放研制[J].無線電工程,2013,43(5):39-41.

[3] 汪海洋.高功率微波功率合成技術(shù)研究[D].成都:電子科技大學(xué),2003：1-5.

[4] 李云娜.C波段微波功率放大器的設(shè)計與實現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué),2011：29-41.

[5] 蔡 捷,羅運生,吳禮群.X頻段150 W固態(tài)合成功率放大器[J].固態(tài)電子學(xué)研究與進展,2009,29(2):206-209.[6] 陳芳允.衛(wèi)星測控手冊[M].北京:科學(xué)出版社,1992：272-279.

[7] 駱新江,楊瑞霞,官伯然,等.159 WX頻段固態(tài)空間功率合成放大器[J].電子學(xué)報,2009,39(9):1 961-1 964.[8] 盧 科.X頻段功率放大器的研究與設(shè)計[D].成都:電子科技大學(xué),2013：11-14.

[9] 張利飛.微波固態(tài)功率放大器的研制[D].杭州:杭州電子科技大學(xué),2010：13-17.

[10]封 雪.微波寬帶功率放大器的設(shè)計與研制[D].成都:電子科技大學(xué),2008：10-16.

[11]劉立浩,王 斌.50 W Ka頻段固態(tài)功率放大器設(shè)計[J].無線電工程,2013,43(11):46-49.

李少波 男，(1986—)，碩士，工程師。主要研究方向：航天測控。

戚開南 男，(1986—)，碩士，工程師。主要研究方向：電磁微波技。

The Design and Implementation of X Band Outdoor 400 W Power Amplifier

LI Shao-bo1,2,QI Kai-nan3

(1.CETCKeyLaboratoryofSpaceInformationApplicationTechnology,ShijiazhuangHebei050081,China;2.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;3.ScienceandTechnologyonElectromagneticScatteringLaboratory,Beijing100854,China)

Based on the requirement of the high power amplifier for the up-link of the whole system when implementing TT&C task of X band,this paper introduces the design scheme of the X band outdoor 400 W power amplifier and particularly expatiates the technique of high power synthesizing and the technique of high efficiency radiating.Based on these techniques,the key methods of the power amplifier are described and testing data embedded in the whole TT&C system are listed and analyzed.The high power amplifier has been successfully equipped in some TT&C system based on these methods and test data has proved the function of the amplifier.

X band;TT&C task;outdoor;power amplifier

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.03.13

李少波,戚開南.X頻段室外型400 W功率放大器設(shè)計與實現(xiàn)[J].無線電工程,2017,47(3):51-53.

2016-11-08

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(“863”計劃)基金資助項目(2013AA122105)。

V556

A

1003-3106(2017)03-0051-03