+ 賀鵬梓

自從人類(lèi)進(jìn)入工業(yè)時(shí)代，散熱就是一個(gè)揮之不去的工程難題。蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)、核反應(yīng)堆概莫能外，信息時(shí)代的電子產(chǎn)品同樣面臨著散熱的難題。作為衛(wèi)星通信行業(yè)，地面終端所使用的衛(wèi)星功率放大器是發(fā)熱的大戶(hù)，終端所消耗掉的大部分功率都沒(méi)有成為無(wú)線(xiàn)電波射向太空，而是變成熱量或積蓄在功放內(nèi)部，或散逸到空氣中了。

雖然人們?cè)缫颜J(rèn)識(shí)到了這個(gè)問(wèn)題，但在半導(dǎo)體功率放大器時(shí)代，由于產(chǎn)品原理和器件性能所限，用電效率一直不能大幅度改善。在當(dāng)前衛(wèi)星通信常用的Ku波段上，傳統(tǒng)半導(dǎo)體功率放大器的效率一般不會(huì)超過(guò)15%，由此帶來(lái)了大量積熱，可以夸張的說(shuō)一句：傳統(tǒng)衛(wèi)星功放一直發(fā)著“高燒”。3D微波合成技術(shù)的出現(xiàn)，正是解決衛(wèi)星功放熱問(wèn)題的一劑特效藥。

功放積熱影響產(chǎn)品性能壽命

或許有人會(huì)認(rèn)為，衛(wèi)星終端、特別是便攜式衛(wèi)星終端總體上說(shuō)是一種低功率設(shè)備，哪怕效率低一點(diǎn)也可以接受。但事實(shí)上，改善衛(wèi)星功放用電效率具有全局性的意義。一方面在衛(wèi)星通信作為應(yīng)急場(chǎng)景下包括供電在內(nèi)的所有資源均是緊張分配、充分利用的，而更為重要的是高功耗所伴隨的高溫高熱將極大影響功放產(chǎn)品的性能和穩(wěn)定性。

首先，半導(dǎo)體功放芯片均有一定的工作溫度范圍，超過(guò)范圍就會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞，即使在范圍之內(nèi)，溫度越高，芯片壽命也會(huì)越短。另外，隨著功放的持續(xù)工作，系統(tǒng)內(nèi)部積熱使得環(huán)境溫度持續(xù)升高，芯片級(jí)性能將會(huì)表現(xiàn)出輸出功率降低、增益降低、噪聲惡化等不利現(xiàn)象，影響通信質(zhì)量。

傳統(tǒng)上，人們往往采用改善散熱條件的辦法來(lái)解決問(wèn)題。包括設(shè)計(jì)形狀復(fù)雜的散熱器、強(qiáng)制通風(fēng)等等。這不但增加了設(shè)備的體積，也進(jìn)一步加大了功耗。設(shè)法提高功放效率，才是最有效的研究方向。

3 D微波技術(shù)帶來(lái)行業(yè)革命

從上世紀(jì)90年代開(kāi)始，賈鵬程博士致力于開(kāi)發(fā)一種真正高效的功率合成技術(shù)——3D微波合成技術(shù)，其領(lǐng)銜的廣州程星通信科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“程星”）近年來(lái)推出的40瓦Ku頻段衛(wèi)星功放用電效率達(dá)到了25%以上，領(lǐng)先全行業(yè)。

圖1 3D微波技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)圖

表1

圖2 功耗270瓦狀態(tài)下，40瓦 Ku 功放產(chǎn)品的溫度梯度圖

圖3 功耗190瓦狀態(tài)下，40瓦 Ku 功放產(chǎn)品的溫度梯度圖

如表1所示，我們對(duì)于業(yè)界的一些功放產(chǎn)品的輸出功率、功耗、效率和熱耗進(jìn)行了對(duì)比，其中效率是輸出功率和功耗的比值，熱耗是功耗減去輸出功率再減去風(fēng)扇的功耗。

40瓦Ku頻段衛(wèi)星功放采用3D微波技術(shù)，利用三維天線(xiàn)陣列實(shí)現(xiàn)對(duì)合成鏈路的優(yōu)化，使得所有功放芯片陣列在波導(dǎo)腔體內(nèi)一次合成，免去了傳統(tǒng)BUC多級(jí)功率合成中的介質(zhì)損耗，可以用更少的功放芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)更大的功率輸出。這就從根本上降低了功放發(fā)熱，相對(duì)于傳統(tǒng)半導(dǎo)體功放，這是一個(gè)革命性的進(jìn)步。

功放功耗的革命，直接帶來(lái)的效果便是產(chǎn)品溫度的降低。

從圖2、圖3可以看到，在相同的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)下，190瓦功耗的功放產(chǎn)品相較于270瓦功耗的功放產(chǎn)品，帶來(lái)了10℃的溫度改善，那究竟這10℃會(huì)帶來(lái)哪些改變呢？

一、產(chǎn)品壽命的改變

功放整機(jī)的設(shè)計(jì)要求內(nèi)部放芯片的溝道溫度不高于150℃，平均壽命時(shí)間不低于100萬(wàn)個(gè)小時(shí)。內(nèi)部芯片溝道的溫度取決于整機(jī)結(jié)構(gòu)的溫度和芯片相關(guān)的溫升，而整機(jī)結(jié)構(gòu)的溫度越低，內(nèi)部芯片溝道的溫度也相應(yīng)越低。根據(jù)實(shí)際測(cè)量和模型計(jì)算，當(dāng)衛(wèi)星功放整機(jī)工作的環(huán)境溫度在60℃時(shí)，通過(guò)3D微波技術(shù)改善10℃后，功放芯片的溝道溫度也相應(yīng)降低10℃，根據(jù)圖3所示曲線(xiàn)，功放芯片的使用壽命將延長(zhǎng)50%以上。

二、產(chǎn)品性能的改變

芯片在不同溫度下有著不同的性能，就如手提電腦在發(fā)熱嚴(yán)重時(shí)運(yùn)行速度降低一樣，衛(wèi)星功放在高溫環(huán)境下，性能表現(xiàn)也同樣會(huì)大打折扣。大多功放廠家提供的產(chǎn)品，他們的性能指標(biāo)僅能在常溫環(huán)境下滿(mǎn)足用戶(hù)需求，而程星產(chǎn)品在解決好功耗問(wèn)題后，在高溫下其性能指標(biāo)亦能滿(mǎn)足需求。程星公司推出的產(chǎn)品，均保證了在極限環(huán)境溫度下的性能保證，部分產(chǎn)品保證指標(biāo)甚至高達(dá)70℃。

三、使用場(chǎng)景的改變

溫度的改善，同樣也會(huì)帶來(lái)對(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)所在環(huán)境適應(yīng)度的提升。集成商在搭建衛(wèi)星天線(xiàn)系統(tǒng)時(shí)，期望能在最小的空間內(nèi)集成下衛(wèi)星通信所需的全部產(chǎn)品。在過(guò)去，船載衛(wèi)星天線(xiàn)為了把衛(wèi)星功放安置于天線(xiàn)罩內(nèi)，不得不為衛(wèi)星天線(xiàn)加裝空調(diào)降溫，這就是由于傳統(tǒng)功放的高發(fā)熱帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)。程星功放通過(guò)3D微波技術(shù)的提升，將熱輻射功耗降低近一半（由225瓦變?yōu)?30瓦），有效改善了功放發(fā)熱對(duì)天線(xiàn)罩內(nèi)的溫度影響，程星經(jīng)過(guò)與天線(xiàn)廠家共同研制設(shè)計(jì)，在一部分船載產(chǎn)品上已經(jīng)免去了輔助散熱系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)更為緊湊。

圖3

圖4 應(yīng)用程星產(chǎn)品的船載衛(wèi)星天線(xiàn)