陳偉偉，王 程，楊 章，羅 聃，劉家瑋，楊 飛，汪 蕾

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

星載固態(tài)功率放大器是微波有源技術(shù)產(chǎn)品中最具代表性的產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用于軍用、民用衛(wèi)星。隨著衛(wèi)星有效載荷技術(shù)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)對固態(tài)功率放大器也提出了更高的要求。尤其是通信衛(wèi)星，要求固態(tài)功率放大器實(shí)現(xiàn)大功率輸出的同時，兼顧線性度好、效率高、體積小等優(yōu)點(diǎn)。在以往功能相對簡單、轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)量較少的衛(wèi)星系統(tǒng)中，可通過簡單地增加功率部件數(shù)量并結(jié)合功率合成的方式來實(shí)現(xiàn)較大的功率輸出。但由于輸出需要進(jìn)行功率合成，部件產(chǎn)品的體積和設(shè)計(jì)復(fù)雜度也隨之提高。因此，大功率固態(tài)功率放大器的研制尤為重要。近年來，隨著國內(nèi)微波功率器件技術(shù)的不斷發(fā)展[1-5]，國產(chǎn)固放組件的研制也取得了很大的進(jìn)步[6-7]。

文章基于國產(chǎn)氮化鎵微波功率器件，對C頻段射頻電路進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)固放產(chǎn)品的多功能、高功率、小體積，并通過優(yōu)化高功率器件散熱設(shè)計(jì)、電源電路設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)固放產(chǎn)品的高可靠應(yīng)用。

1 方案設(shè)計(jì)

C頻段50W固態(tài)功率放大器由射頻電路和電源電路兩部分組成。射頻電路主要將輸入的射頻信號進(jìn)行多級放大，實(shí)現(xiàn)固放大功率輸出，并具備過激勵保護(hù)、數(shù)字增益控制、溫度補(bǔ)償?shù)裙δ?，同時提供整機(jī)輸出功率遙測、增益檔位遙測以及溫度遙測等遙測信號。電源電路主要將輸入的一次母線電壓進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，為射頻提電路提供必要的供電電壓，并具備欠壓保護(hù)、過流保護(hù)等功能，同時提供整機(jī)開關(guān)機(jī)遙測、母線電流遙測等遙測信號。

1.1 射頻電路設(shè)計(jì)

C頻段固態(tài)功率放大器射頻電路原理框圖如圖1所示，主要有增益放大、中功率放大以及高功率放大三部分構(gòu)成。增益放大部分將低噪聲放大、數(shù)字增益控制、過激勵自動控制(ALC)以及溫度補(bǔ)償?shù)裙δ芗梢粋€模塊中，具有高集成、小型化、多功能的特點(diǎn)。增益放大模塊包含四級低噪聲放大器和一級低功率放大器，實(shí)現(xiàn)模塊90dB的增益放大以及20dBm的低功率輸出。模塊中的數(shù)控衰減芯片可以響應(yīng)外部輸入的增益加減指令，實(shí)現(xiàn)固放的增益數(shù)控功能。模塊中包含四級電調(diào)衰減芯片，前兩級電調(diào)衰減芯片與模塊末級的功率檢波芯片相結(jié)合，用于實(shí)現(xiàn)射頻電路的過激勵自動控制(ALC)功能；后兩級電調(diào)衰減芯片與整機(jī)中的熱敏電阻相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)整機(jī)的增益溫度補(bǔ)償功能。中功率放大器以及高功率放大器均采用國產(chǎn)氮化鎵內(nèi)匹配功率器件。中功率放大器內(nèi)部由兩級放大器芯片組成，實(shí)現(xiàn)20dB的增益放大以及10W的中功率輸出。高功率放大器內(nèi)部采用大柵寬氮化鎵管芯進(jìn)行多胞合成，實(shí)現(xiàn)60W的高功率輸出，功率附件效率達(dá)45%。

1.2 熱設(shè)計(jì)

氮化鎵微波功率器件功率具有高功率、高效率等優(yōu)點(diǎn)[8-10]，但由于氮化鎵管芯功率密度較高，如果不能保證良好的散熱，很容易導(dǎo)致芯片熱燒毀。改善大功率器件散熱主要從降低器件本身熱阻以及改善整機(jī)散熱途徑兩方面著手。為了降低器件本身熱阻，本文采用熱導(dǎo)率較高的銅鉬銅材料作為管殼底座，采用可伐材料作為管殼邊框。在芯片載焊時，將氮化鎵管芯采用金錫焊料直接焊接到管殼上，將芯片熱量有效地導(dǎo)入管殼。由于管殼底座面積較大，可采用螺釘緊固或載焊的方式將器件固定在整機(jī)中，將熱量進(jìn)一步散出。

圖2 高功率器件紅外熱像儀測試結(jié)果

為了對器件熱設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，對研制完成的末級高功率器件進(jìn)行紅外熱像儀測試，測試結(jié)果如圖2所示。器件測試條件為動態(tài)測試，器件的工作電壓為28V，動態(tài)工作電流為4.4A，飽和輸出功率約60W。紅外熱像儀的襯底溫度為70℃，此時測得器件的最高結(jié)溫為135℃。器件結(jié)殼熱阻的計(jì)算公式為Rc=(Tj-Tc)/(Pdc-Pout)，其中Rc為器件結(jié)殼熱阻，Tj為器件結(jié)溫，Tc為管殼溫度，Pdc為直流功耗，Pout為輸出功率，將測試數(shù)據(jù)代入上述公式可求得器件的結(jié)殼熱阻約為1.03℃/W，證明器件本身具備較好的散熱能力。

圖3 固放整機(jī)熱仿真結(jié)果

在整機(jī)熱設(shè)計(jì)方面，借助FLOTHERM軟件進(jìn)行整機(jī)熱仿真，合理設(shè)計(jì)整機(jī)布局，在保證整機(jī)良好的散熱的情況下，兼顧整機(jī)重量。C頻段50W固放熱仿真結(jié)果表明，功率管正下方機(jī)殼厚度對整機(jī)散熱影響較大，其余區(qū)域影響相對減小。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)時固放機(jī)殼中功率管正下方區(qū)域維持原始厚度，其余區(qū)域背面掏空達(dá)到整機(jī)減重的目的。圖3給出了C頻段50W固放優(yōu)化后的整機(jī)熱仿真結(jié)果，仿真溫度按照衛(wèi)星實(shí)際工作的最高溫度55℃進(jìn)行設(shè)置，即在固放底板溫度為55℃、外部輻射溫度邊界也為55℃條件下進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算。從圖3可以看出，固放中高功率器件處溫度最高，器件殼溫約為76℃。根據(jù)圖2中器件結(jié)溫測試結(jié)果可知，在器件飽和功率輸出條件下，器件的結(jié)殼溫升約為65℃。由此可以計(jì)算出，在固放最高工作溫度下，末級高功率器件的最高結(jié)溫約為141℃。氮化鎵微波功率器件額定結(jié)溫為225℃，一級降額工作結(jié)溫為160℃，C頻段50W固放滿足宇航應(yīng)用要求。

圖4 C頻段固放電源電路原理框圖

1.3 電源電路設(shè)計(jì)

圖4給出了C頻段50W固放電源電路設(shè)計(jì)框圖。電源電路設(shè)有輸入保護(hù)電路、開關(guān)機(jī)控制及欠壓保護(hù)電路、浪涌抑制電路及EMI濾波器。輸入保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)電源故障時與一次母線的隔離，保護(hù)母線的安全。+28V、+6V和-5V三路電源采用三個獨(dú)立的DC/DC變換器，+28V、+6V內(nèi)部包含輔助供電電路、控制電路、功率電路以及輸出整流濾波電路。其中輔助供電電路用于提供DC/DC變換器所需的功率。電源的功率變換采用變壓器實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，輸入和輸出進(jìn)行磁隔離。PWM控制為電源的控制核心，完成輸出電壓精確調(diào)節(jié)、動態(tài)響應(yīng)、過流保護(hù)等功能。輸出整流濾波電路用于濾除低頻雜波，從而為射頻電路提供穩(wěn)定的直流電壓輸出。-5V由于輸出電流較小，采用成熟的輔助供電電路結(jié)合低壓差二次穩(wěn)壓的設(shè)計(jì)方案。此外，電源電路中還設(shè)有時序控制電路，用于保證-5V電壓和+28V、+6V電壓的上電順序。射頻電路中的微波功率器件要求柵極電壓開啟后才能加載漏極電壓，否則將導(dǎo)致器件燒毀，因此時序控制電路尤為重要。測試結(jié)果表明，按照該方案設(shè)計(jì)的電源電路轉(zhuǎn)換效率達(dá)到90%，且輸出電壓具有較好的穩(wěn)定性。

2 測試結(jié)果

研制完成的C頻段50W固態(tài)功率放大器實(shí)物圖如圖5所示，整機(jī)的外形尺寸為185mm×157mm×96mm，重量約為2.0Kg。C頻段50W固態(tài)功率放大器射頻輸入為SMA，射頻輸出為WR112型波導(dǎo)口，低頻連接器為J6W-37型連接器。C頻段50W固態(tài)功率放大器工作頻段為7.2GHz～7.8GHz，輸出功率大于50W，功率增益范圍為60dB～90dB，可通過發(fā)送增益加減指令進(jìn)行增益調(diào)節(jié)。

圖5 C頻段50W固態(tài)功率放大器實(shí)物圖

圖6給出了在最小增益狀態(tài)下輸出功率隨輸入功率的變化曲線，當(dāng)輸入功率為-13dBm時，固放輸出功率為47.0dBm(50W)，增益為60dB，功率附件效率約為35%。C頻段50W固態(tài)功率放大器詳細(xì)性能指標(biāo)如表1所示，固放在額定輸出功率下三階交調(diào)小于-15dBc，具有較好的線性度，非常適用于通信衛(wèi)星。固放輸入輸出駐波小于1.3:1，雜波抑制大于60dBc，額定母線電壓為100V，可適應(yīng)的安全母線電壓范圍為93V～110V。

圖6 固放輸出功率以及功率附件效率隨輸入功率變化曲線

表1 C頻段50W固態(tài)功率放大器性能指標(biāo)

圖7 固放溫度循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

為了對C頻段50W固態(tài)功率放大器進(jìn)行可靠性驗(yàn)證，開展了力學(xué)試驗(yàn)、熱真空試驗(yàn)以及溫度循環(huán)試驗(yàn)等環(huán)境試驗(yàn)。圖7給出了固放溫度循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)條件為高溫+70°C，低溫-35°C，試驗(yàn)過程中產(chǎn)品處于飽和輸出狀態(tài)。從圖中可以看出，固放輸出功率在常溫下約為47.4dBm，高低溫下各浮動0.2dB，在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)滿足大于50W的功率要求。在累積約370小時的溫循試驗(yàn)過程中，產(chǎn)品輸出功率穩(wěn)定，表現(xiàn)出較高的可靠性，滿足宇航應(yīng)用要求。

3 結(jié)束語

文章介紹了一款星載C頻段50W固態(tài)功率放大器的設(shè)計(jì)，其具有集成度高、功率大、效率高、體積小等優(yōu)勢，固放飽和輸出功率大于50W，功率附件效率大于35%，功率增益60dB～90dB，且具有數(shù)字增益控制、過激勵保護(hù)以及溫度補(bǔ)償?shù)裙δ?。所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品飽和點(diǎn)三階交調(diào)約為-15dBc，線性度較好，非常適用于通信衛(wèi)星。固放在370小時的溫循試驗(yàn)過程中，輸出功率穩(wěn)定，性能可靠，滿足宇航應(yīng)用要求。