李少波，羅又天

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司航天信息應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；3.北京空間信息中繼傳輸技術(shù)研究中心，北京 100094)

室外型S頻段600W固態(tài)高功放設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李少波1,2，羅又天3

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司航天信息應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；3.北京空間信息中繼傳輸技術(shù)研究中心，北京 100094)

針對(duì)在執(zhí)行航天測(cè)控任務(wù)時(shí)系統(tǒng)上行鏈路需配備功率放大器的需要，同時(shí)對(duì)比傳統(tǒng)室內(nèi)型高功放的優(yōu)缺點(diǎn)，提出一種室外型S頻段室外型600 W固態(tài)高功放的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)闡述了同軸功率合成和均熱板集成散熱，整理了固態(tài)高功放設(shè)計(jì)過(guò)程中的核心技術(shù)，結(jié)合整機(jī)在系統(tǒng)中的應(yīng)用給出了功放的測(cè)試數(shù)據(jù)并進(jìn)行了分析。設(shè)計(jì)的室外型S頻段600 W功率放大器已成功應(yīng)用于實(shí)際工程中。

USB；測(cè)控；室外型；功率放大器

0 引言

S頻段統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)(USB)測(cè)量精度高、可靠性好[1]，通常配備室內(nèi)型高功放。室內(nèi)型高功放具有性能穩(wěn)定、成熟可靠等優(yōu)點(diǎn)，但因其體積較大、整機(jī)功耗高等限制了在某些特定場(chǎng)合的應(yīng)用。當(dāng)前測(cè)控設(shè)備的上行遙控信號(hào)的傳輸趨于向多載波、高速率和大容量方向發(fā)展[2]。USB系統(tǒng)中上行鏈路高功放作為上行遙控指令發(fā)送的關(guān)鍵設(shè)備[3]，對(duì)高功放可靠性、整機(jī)效率、小體積和工作帶寬提出了更高要求[4]。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)比傳統(tǒng)觀(guān)的室內(nèi)型高功放，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了室外型S頻段600 W固態(tài)高功放，其具有室外環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、整機(jī)效率高、工作噪音低、電磁兼容性好和可靠性高等特點(diǎn)[5]，可以在實(shí)際工程中成熟應(yīng)用于上行鏈路射頻信號(hào)的功率放大。

1 功放整機(jī)工作原理

固態(tài)功率放大器具有瞬時(shí)帶寬寬、效率高、可靠性高、壽命長(zhǎng)、體積小、重量輕和控制方便等特點(diǎn)[6-7]。高輸出功率、高效率和高線(xiàn)性度的固態(tài)功率放大器已廣泛應(yīng)用于我國(guó)統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)中。室外型S頻段600 W功率放大器應(yīng)用于某S頻段統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)中，安裝在天線(xiàn)維修平臺(tái)。固態(tài)高功放總體工作原理如圖1所示。

圖1 功放總體工作原理

電平控制器完成對(duì)輸入信號(hào)的電平檢測(cè)和信號(hào)的初級(jí)放大，同時(shí)可以完成對(duì)整個(gè)鏈路的衰減控制；驅(qū)動(dòng)放大器完成2條射頻鏈路的中功率放大，并且可以調(diào)節(jié)每條鏈路的相位，以保證最終功率合成時(shí)在同軸合成端口2路大功率信號(hào)的相位一致[8]；末級(jí)放大器為可輸出400 W的大功率模塊，以通過(guò)同軸功率合成器實(shí)現(xiàn)功率信號(hào)的合成；合成后的功率信號(hào)通過(guò)同軸環(huán)形器和耦合器后在機(jī)箱面板實(shí)現(xiàn)600 W功率信號(hào)的輸出；控保單元負(fù)責(zé)整機(jī)內(nèi)部電壓/電流/溫度/輸出功率值的檢測(cè)以及功放ALC功能，同時(shí)與本控軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互通信；AC-DC電源模塊為整機(jī)提供多路、多種大功率和小功率直流電壓，保證整機(jī)正常工作；采用功率管整體焊接在紫銅板以及與均熱板相結(jié)合的方式通過(guò)大功率、低噪音軸流風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)功放工作時(shí)熱量的耗散[9]；采用密封橡膠圈、防水風(fēng)機(jī)、工作區(qū)與散熱區(qū)完全隔離等多種方式實(shí)現(xiàn)整機(jī)室外環(huán)境適應(yīng)性[10]。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 合理增益設(shè)計(jì)

室外型高功放輸入射頻信號(hào)電平設(shè)計(jì)為-20 dBm，輸出功率信號(hào)電平高達(dá)57.8 dBm(600 W)，整機(jī)增益≥78 dB。功放激勵(lì)輸入端口選用低噪聲放大器以保證整機(jī)鏈路的噪聲功率譜密度，同時(shí)輸入端口增加隔離器以改善輸入駐波。在多級(jí)放大鏈路中間串入窄帶收阻濾波器同時(shí)合理分配增益和良好匹配輸入/輸出端口[11]，才能消除信號(hào)自激并保證輸出信號(hào)信噪比。

固態(tài)高功放整機(jī)增益設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 功放整機(jī)增益設(shè)計(jì)

2.2 緊湊散熱結(jié)構(gòu)

功放熱設(shè)計(jì)是功放能否穩(wěn)定工作的前提條件[12]。在功放整體熱設(shè)計(jì)中，采用末級(jí)功率管整體焊接在8 mm紫銅板上、末級(jí)功率放大器屏蔽盒通過(guò)導(dǎo)熱酯緊密貼在均熱板上、合理設(shè)計(jì)強(qiáng)迫風(fēng)冷通道等措施[13]，保證在環(huán)境溫度+55 ℃條件下，末級(jí)功率管處最高溫度為83 ℃，小于等于末級(jí)功率管正常工作最高溫度94 ℃。室外型S頻段600 W固態(tài)高功放熱仿真溫度云圖如圖3所示。

圖3 室外型S頻段600 W固態(tài)高功放熱仿真溫度云圖

3 需要考慮的方面

目前我國(guó)USB系統(tǒng)中大部分安裝室內(nèi)型高功放，少量系統(tǒng)安裝國(guó)外進(jìn)口室外型高功放，且功率值≤500 W。國(guó)內(nèi)尚無(wú)室外型S頻段600 W固態(tài)高功放的成熟產(chǎn)品和應(yīng)用先例[14]，因此在高功放前期設(shè)計(jì)與研制過(guò)程中，需要重點(diǎn)考慮同軸功率輸出、緊湊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和合理散熱2個(gè)方面[15]，同時(shí)結(jié)合使用要求提出最佳解決方案。

① 同軸功率輸出。以往S頻段統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)中的高功放功率發(fā)射饋線(xiàn)采用波導(dǎo)形式，功放設(shè)備安裝在室內(nèi)。S頻段傳輸波導(dǎo)尺寸較大，在某些中心體結(jié)構(gòu)安裝空間受限的USB系統(tǒng)必須采用同軸形式以滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)安裝和設(shè)備維護(hù)空間需求[9]。因此需選用耐功率值≥1 000 W的同軸功率合成器、同軸環(huán)形器、同軸耦合器以及同軸傳輸電纜，同時(shí)保證在室外寬溫工作條件下性能指標(biāo)的一致性。

② 緊湊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和合理散熱形式。傳統(tǒng)S頻段室內(nèi)型1 000 W高功放采用1個(gè)40 U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜實(shí)現(xiàn)，室外型S頻段600 W固態(tài)高功放安裝在天線(xiàn)維修平臺(tái)，安裝和維護(hù)空間受限，需采用結(jié)構(gòu)高度集成、防護(hù)密封全面的措施[14]；結(jié)構(gòu)緊湊造成單位面積內(nèi)散熱量大幅增加，需要在以往強(qiáng)迫風(fēng)冷[16]措施的基礎(chǔ)上，采用功率熱源安裝在紫銅板上、均熱板快速傳遞熱量等更高效的散熱途徑，以疏散功放工作時(shí)的熱量[17]。

4 整機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)分析

室外型S頻段600 W固態(tài)高功放在USB系統(tǒng)中，以在線(xiàn)熱備份形式安裝，通過(guò)同軸耐功率電纜將功率信號(hào)傳輸至中心體發(fā)射饋源網(wǎng)絡(luò)。功放整機(jī)的參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 室外型S頻段600 W固態(tài)高功放主要參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)

測(cè)試項(xiàng)目測(cè)試數(shù)據(jù)P-1輸出功率/W整機(jī)增益/dB幅相變換/((°)/dB)三階交調(diào)/dBc帶內(nèi)群時(shí)延變化/ns功率穩(wěn)定性/dB輸出功率信號(hào)相噪63778．13．1-31．70．27-0．27/24h～+0．39/24h較輸入信號(hào)不惡化

由固態(tài)高功放測(cè)試數(shù)據(jù)可以分析得出，高功放的輸出功率達(dá)到了系統(tǒng)所需的功率，同時(shí)各項(xiàng)參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)均與國(guó)外進(jìn)口室外型功放相當(dāng)。相對(duì)以往傳統(tǒng)的室內(nèi)型高功放[18]，室外型S頻段600 W固態(tài)高功放的輸出功率高且整機(jī)設(shè)計(jì)先進(jìn)、可靠，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)良和電磁兼容性好等優(yōu)點(diǎn)[19]。但因天線(xiàn)維修平臺(tái)空間受限、功放整機(jī)組成復(fù)雜以及內(nèi)部快速可插拔模塊較少，造成系統(tǒng)安裝完畢后功放維修比較困難[20]。在未來(lái)系統(tǒng)應(yīng)用中需要通過(guò)優(yōu)化功放內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局[21]、加強(qiáng)功率模塊模塊化設(shè)計(jì)來(lái)提高功放的可維修性。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)航天事業(yè)的快速發(fā)展，S頻段統(tǒng)一系統(tǒng)作為航天測(cè)控任務(wù)的主力設(shè)備，其測(cè)控功能及作用越加重要。S頻段室外型600 W固態(tài)高功放在具備傳統(tǒng)室內(nèi)型功放性能指標(biāo)基礎(chǔ)上，同時(shí)還具有整機(jī)體積小、環(huán)境適應(yīng)性好和結(jié)構(gòu)安裝方便等先進(jìn)性?xún)?yōu)勢(shì)，完全可以應(yīng)用到USB系統(tǒng)中。在后續(xù)的功放設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要和天伺饋分系統(tǒng)的維修平臺(tái)進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)著重提高功放的可維修性設(shè)計(jì)。室外型功放的設(shè)計(jì)和研制比室內(nèi)型功放要復(fù)雜，應(yīng)重點(diǎn)考慮高效熱量耗散、整機(jī)重量及噪音等因素，需要在后續(xù)工程研制中不斷探索總結(jié)，以不斷提升國(guó)內(nèi)室外型功放的設(shè)計(jì)水平。

[1] 陳芳允.衛(wèi)星測(cè)控手冊(cè)[M].北京:科學(xué)出版社,1992.

[2] 趙業(yè)福.無(wú)線(xiàn)電跟蹤測(cè)量[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2003.

[3] 邢凌燕.利用ADS設(shè)計(jì)基于MESFET的寬帶功率放大器[J].光通信研究,2008,150(6):58-61.

[4] 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.

[5] 封雪.微波寬帶功率放大器的設(shè)計(jì)與研制[D].成都:電子科技大學(xué),2008.

[6] 林強(qiáng),張祖蔭,郭偉.微波功率放大器非線(xiàn)性失真分析[J].微波學(xué)報(bào),2004,20(4):79-82.

[7] 劉傳洋,藍(lán)永海.L頻段高效功率放大器設(shè)計(jì)[J].無(wú)線(xiàn)電工程,2014,44(4):47-49,61.

[8] 徐謙,劉太君,葉焱,等.可重構(gòu)多波段射頻功率放大器設(shè)計(jì)[J].無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù),2014,40(3):61-64.

[9] 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.

[10] 郝金中,張瑜.一種S波段高功率T/R組件的研制[J].無(wú)線(xiàn)電工程,2014,44(12):59-62.

[11] 謝卓恒.射頻功率放大器的研制[D].杭州:杭州電子科技大學(xué),2009.

[12] 劉利光,陳君毅.寬帶大功率耦合器的研究與設(shè)計(jì)[J].無(wú)線(xiàn)電工程,2014,44(3):61-63.

[13] 李云娜.C波段微波功率放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2011.

[14] 孟旭東,徐松毅,王昕羽.基于波導(dǎo)的功率分配合成網(wǎng)絡(luò)研究[J].無(wú)線(xiàn)電工程,2014,44(2):13-16.

[15] 段西航.S波段Doherty微波固態(tài)功率放大器設(shè)計(jì)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2013.

[16] 呂杰,劉林海,李哲,等.一種基于CMOS工藝2.4 GHz功率放大器的設(shè)計(jì)[J].無(wú)線(xiàn)電工程,2015,45(2):56-59.

[17] 南敬昌,方楊,李厚儒.高效率高線(xiàn)性度功率放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展,2013,33(3):244-251.

[18] 高德寶,劉世元,陳浩,等.超大功率發(fā)射機(jī)功率合成算法研究[J].無(wú)線(xiàn)電工程,2015,45(7):67-70.

[19] 郭曉鋒,葉焱,劉太君,等.應(yīng)用于Doherty功放的寬帶可調(diào)功率合成網(wǎng)絡(luò)[J].無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù),2014,40(3):6-9.

[20] 閆博.基于A(yíng)DS的射頻功率放大器設(shè)計(jì)與仿真[D].長(zhǎng)沙:國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2010.

[21] 廖春連,劉林海,石立志.Ka波段高功率放大器設(shè)計(jì)[J].無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù),2016,42(5):64-67.

TheDesignandImplementationofOutdoorSBand600WSolid-statePowerAmplifier

LI Shaobo1,2,LUO Youtian3

(1.CETCKeyLaboratoryofSpaceInformationApplicationTechnology,Shijiazhuang050081,China;2.The54thResearchInstituteofCETC,Shijiazhuang050081,China;3.BeijingSpaceInformationRelayandTransmissionTechnologyCenter,Beijing100094,China)

Based on the requirement for the high power amplifier in the up-link of the USB system in implementing the TT&C task,and in comparison with the advantage and disadvantage of traditional indoor power amplifier,this paper introduces the design scheme of the outdoor S band 600 W power amplifier and particularly expatiates the technique of high power synthesizing using coaxial mode and the technique of high integrated radiating.Based on these techniques,the key methods of the power amplifier are described and the testing data embedded in the TT&C system is listed and analyzed.The outdoor 600 W high power amplifier has been successfully applied in some TT&C system.

USB;telemetry & control;outdoor;high power amplifier

2017-03-04

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)基金資助項(xiàng)目(2013AA122105)

10.3969/j.issn.1003-3106.2018.01.17

李少波,羅又天.室外型S頻段600 W固態(tài)高功放設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].無(wú)線(xiàn)電工程,2018,48(1):80-82.[LI Shaobo,LUO Youtian.The Design and Implementation of Outdoor S Band 600 W Solid-state Power Amplifier[J].Radio Engineering,2018,48(1)：80-82.]

V556

A

1003-3106(2018)01-0080-03

李少波男，(1986—)，畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)電子信息工程專(zhuān)業(yè)，碩士，工程師。主要研究方向：航天測(cè)控總體設(shè)計(jì)。

羅又天男，(1989—)，碩士，工程師。主要研究方向：航天測(cè)控工程應(yīng)用。