陳偉偉，殷 康，胡 寬，李 磊，李 晶，楊 飛，汪 蕾

(中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院, 西安 710000)

0 引言

隨著低軌星座、高通量衛(wèi)星等技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)固態(tài)功率放大器提出了迫切的需求。例如美國(guó)太空探索技術(shù)公司(SpaceX)提出的第二期Starlink星座，需要部署7 518顆低軌衛(wèi)星，以實(shí)現(xiàn)全球無(wú)縫連續(xù)覆蓋[1]。在衛(wèi)星研制模式上，新一代通信衛(wèi)星需同時(shí)具備低成本、輕型化、短周期的特點(diǎn)[2-3]，從而實(shí)現(xiàn)快速組網(wǎng)以及更新?lián)Q代。近年來(lái)我國(guó)微波功率器件技術(shù)，尤其是氮化鎵技術(shù)，取得了較快的發(fā)展[4-5]，星載固態(tài)功率放大器的國(guó)產(chǎn)化工作也取得了較為顯著的成果[6-12]。但是，我國(guó)較為成熟的星載固態(tài)功率放大器主要集中在X波段以下，而國(guó)際上關(guān)于Ku頻段至V頻段的星載固態(tài)功率放大器已有較多報(bào)道[13-14]。因此，攻克高頻固態(tài)功率放大器設(shè)計(jì)技術(shù)，開(kāi)發(fā)更高頻率、更高性能的星載固態(tài)功率放大器，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

此外，傳統(tǒng)的星載固態(tài)功率放大器主要采用分立功率器件級(jí)聯(lián)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，產(chǎn)品體積較大，文獻(xiàn)[6]中報(bào)道的X頻段10W固態(tài)功率放大器重量約為1.5Kg。本文采用高集成化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了固態(tài)功率放大器的小型化，所研制的Ku頻段8W固態(tài)功率放大器重量?jī)H為770g，相對(duì)傳統(tǒng)的分立器件單機(jī)，體積縮小了近1/2，滿足衛(wèi)星型號(hào)“快、智、廉”的應(yīng)用需求。

1 設(shè)計(jì)方法

Ku頻段8W固態(tài)功率放大器包括射頻電路和電源電路兩部分，射頻電路主要是通過(guò)多級(jí)放大器芯片級(jí)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)高增益、大功率輸出，電源電路主要是為射頻電路提供穩(wěn)定的直流供電，實(shí)現(xiàn)整機(jī)的穩(wěn)定工作。

1.1 射頻電路設(shè)計(jì)

Ku頻段固態(tài)功率放大器射頻電路原理框圖如圖1所示，主要包括輸入隔離器、高功率模塊、輸出隔離器以及低頻控制板4部分。其中高功率模塊為該電路的核心，內(nèi)部集成了所有的射頻功能。射頻輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)輸入隔離器進(jìn)入高功率模塊，經(jīng)過(guò)電調(diào)衰減芯片1后進(jìn)入第一級(jí)低噪聲放大器芯片進(jìn)行信號(hào)放大，放大后的信號(hào)進(jìn)入檢波芯片，檢波芯片會(huì)產(chǎn)生檢波電壓，通過(guò)低頻控制電路的處理后輸入給模塊前端的電調(diào)衰減芯片1，實(shí)現(xiàn)射頻電路的過(guò)激勵(lì)自動(dòng)控制(automatic level control，ALC)；檢波芯片的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)第二級(jí)低噪聲放大器芯片再次進(jìn)行信號(hào)放大，然后進(jìn)入電調(diào)衰減芯片2，該電調(diào)衰減器的控制電壓與低頻控制板上的溫度補(bǔ)償電路相連，實(shí)現(xiàn)射頻電路在溫度變化時(shí)的增益自動(dòng)補(bǔ)償功能；電調(diào)衰減芯片2的輸出信號(hào)進(jìn)入驅(qū)動(dòng)放大器芯片，將信號(hào)放大至中等功率，然后經(jīng)過(guò)固定衰減器芯片后進(jìn)入功率放大器芯片，對(duì)信號(hào)進(jìn)行高功率放大，實(shí)現(xiàn)8W的功率輸出。低頻控制板除具備ALC電路和溫度補(bǔ)償電路外，還具備功率檢波電路和溫度遙測(cè)電路，為射頻電路提供功率遙測(cè)和溫度遙測(cè)信號(hào)。此外，低頻控制板還具備偏置電路功能，為高功率模塊提供所有的工作電壓。

圖1 Ku頻段固放射頻電路原理框圖Fig.1 Schematic diagram of Ku-band SSPA RF circuits

Ku頻段固態(tài)功率放大器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，該設(shè)計(jì)創(chuàng)新性地將所有射頻功能集中在了高功率模塊中，與傳統(tǒng)的分立器件級(jí)聯(lián)單機(jī)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：首先，集成化的設(shè)計(jì)方法使得單機(jī)體積大大縮小；其次，該設(shè)計(jì)顯著降低了級(jí)間差損，提高了整機(jī)效率；再次，該設(shè)計(jì)將所有射頻功能集成在單個(gè)模塊中，并將模塊通過(guò)平行封焊工藝進(jìn)行密封，實(shí)現(xiàn)了射頻電路和低頻電路的隔離，顯著提高了整機(jī)的可靠性；此外，該設(shè)計(jì)使得固態(tài)功率放大器的裝配難度大大降低，具有低成本、批量化的優(yōu)點(diǎn)。

圖2 Ku頻段固放射頻電路結(jié)構(gòu)模型圖Fig.2 Structure model of Ku-band SSPA RF module

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Ku頻段固態(tài)功率放大器內(nèi)部最為核心的部件為高功率模塊，該模塊同時(shí)集成了增益放大器和功率放大功能，總增益達(dá)到50dB，而末級(jí)功率芯片具有高功率、大電流的特點(diǎn)，若電路穩(wěn)定性不好，很容易造成末級(jí)芯片燒毀。為了提高功率模塊穩(wěn)定性，本文將管殼分為前后兩個(gè)腔體，前腔放置低噪聲放大器芯片和驅(qū)動(dòng)放大器芯片，后腔放置末級(jí)功率芯片，將增益較高的中小功率芯片和末級(jí)大功率芯片分開(kāi)，降低電路自激風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)對(duì)高功率模塊的空間隔離度進(jìn)行了仿真，仿真模型中的陶瓷過(guò)渡片與實(shí)際電路一致，提高了仿真的準(zhǔn)確性。圖3給出了模塊空間隔離度仿真結(jié)果，從圖3可以看出，在使用頻率11.5～12.5GHz范圍，管殼各個(gè)端口的隔離度均在40dB以上，具有較好的空間隔離效果，能夠保證電路的穩(wěn)定工作。此外，從圖3可以看出，模塊的腔體諧振頻率在22.9GHz，在諧振頻率附件模塊隔離度急劇變差，因此模塊內(nèi)部選用的放大器芯片均為窄帶芯片，超過(guò)工作帶寬范圍后增益迅速下降，在22.9GHz所有放大器芯片的增益幾乎降至0dB，從而避免了空間諧振引起模塊自激的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 高功率模塊空間隔離度仿真結(jié)果Fig.3 Spatial isolation simulation of the high power module

此外，為了提高整機(jī)的穩(wěn)定性，在射頻盒體內(nèi)部增加了活動(dòng)隔墻設(shè)計(jì)。在整機(jī)裝配時(shí)首先將低頻控制板載焊至機(jī)殼上，然后安裝隔離器以及高功率模塊，最后安裝活動(dòng)隔墻?；顒?dòng)隔墻在安裝螺釘處與低頻控制板接觸共地，其余采用懸空設(shè)計(jì)，在不影響功率模塊供電的情況下，提高了整機(jī)隔離度，有利于固態(tài)功率放大器的緊湊型設(shè)計(jì)。

1.3 熱設(shè)計(jì)

微波功率芯片的結(jié)溫直接影響其工作壽命，功率模塊內(nèi)部的末級(jí)功率芯片采用高功率砷化鎵微波單片集成電路，芯片輸出功率12W，尺寸僅為3.2mm×4.0mm×0.7mm，具有較高的熱流密度。為了實(shí)現(xiàn)功率芯片的良好散熱，模塊底座采用熱導(dǎo)率較高的鎢銅材料，鎢銅合金熱導(dǎo)率約為190W/mK，具有較好的散熱性能。模塊邊框采用易于成型的可伐材料，并與底座燒結(jié)為一體。同時(shí)，功率芯片的載焊采用熔點(diǎn)較高的金錫焊料(約為280℃)，防止芯片工作時(shí)底面溫度過(guò)高引起焊料的融化，提高電路可靠性。在整機(jī)熱設(shè)計(jì)方面，功率模塊采用背孔安裝的方式安裝在射頻盒體上，射頻盒體底部為厚度20mm的實(shí)體鋁材料，從而保證了功率模塊熱量的快速擴(kuò)散，改善功率模塊散熱。

采用FLOTHERM軟件對(duì)Ku頻段固態(tài)功率放大器進(jìn)行了熱仿真，仿真時(shí)整機(jī)邊界溫度按照星上實(shí)際工作的最高溫度55℃設(shè)置，功率模塊內(nèi)部熱源按照芯片工作時(shí)的實(shí)際熱耗進(jìn)行設(shè)置。圖4給出了整機(jī)的熱仿真結(jié)果，從圖4可以看出，溫度最高點(diǎn)位于功率芯片正下方，約為65℃，熱量以功率芯片為中心向周?chē)饾u擴(kuò)散。功率芯片結(jié)溫可以按照公式Tj=Tc+Rc×(Pdc-Pout)進(jìn)行計(jì)算，其中Tj為芯片結(jié)溫，Tc為芯片殼溫，由仿真結(jié)果可知為65℃，Rc為芯片熱阻，芯片單獨(dú)測(cè)試結(jié)果為1.8℃/W，Pdc為芯片直流功耗，約為34W，Pout為芯片輸出功率，約為12W，代入公式可得到芯片的結(jié)溫為104.6℃，砷化鎵微波功率器件額定工作結(jié)溫為170℃，一級(jí)降額工作結(jié)溫為110℃，Ku頻段8W固態(tài)功率放大器滿足宇航應(yīng)用要求。

圖4 固放熱仿真結(jié)果Fig.4 Thermal analysis results of the SSPA

1.4 電源電路設(shè)計(jì)

圖5給出了Ku頻段8W固放電源電路設(shè)計(jì)原理圖。電源電路主要由功率變換電路和控制電路組成。圖5中“輸入濾波”“功率主電路”“多路輸出變壓器”“整流濾波”組成了功率變換電路。“脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)電路”“保護(hù)電路”“無(wú)負(fù)壓關(guān)機(jī)”“輔助電源”“遙控”和“遙測(cè)” 電路構(gòu)成控制電路。電源電路采取的拓?fù)浼翱刂品绞綖锽C類(lèi)設(shè)計(jì)，為適應(yīng)28V母線工作要求，功率變換部分采用復(fù)合式“降壓+推挽”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。采用N溝道MOSFET代替P溝道開(kāi)關(guān)管減小變換器開(kāi)關(guān)損耗，輸出級(jí)盡量采用同步整流技術(shù)減小整流損耗。控制電路的核心部分PWM設(shè)在功率變壓器初級(jí)，與輸入回線共地。這種共地方式的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路、過(guò)流保護(hù)和欠壓保護(hù)的設(shè)計(jì)和調(diào)試簡(jiǎn)單方便。電源電路將輸入的28V一次母線電壓轉(zhuǎn)換為-5V、+5V和+8.5V三路二次電壓，提供給射頻電路，同時(shí)響應(yīng)外部輸入的開(kāi)關(guān)機(jī)指令，控制二次電壓的開(kāi)啟和關(guān)斷，并提供電流遙測(cè)和開(kāi)關(guān)機(jī)狀態(tài)遙測(cè)。測(cè)試結(jié)果表明，電源電路轉(zhuǎn)換效率達(dá)到88%，紋波電壓低于200mV，具有較好的抗干擾特性和較高的穩(wěn)定性。

圖5 Ku頻段固放電源電路原理框圖Fig.5 Schematic diagram of Ku-band SSPA power supply circuits

2 測(cè)試結(jié)果

圖6給出了研制完成的Ku頻段8W固態(tài)功率放大器實(shí)物圖，由于采用了集成化設(shè)計(jì)，產(chǎn)品的本體外形尺寸約為67mm×126mm×110mm，重量?jī)H為770g。Ku頻段8W固態(tài)功率放大器射頻輸入、輸出均為SMA，低頻輸入為37針低頻連接器，低頻連接器同時(shí)包含了母線輸入、開(kāi)關(guān)機(jī)指令輸入以及遙測(cè)輸出，方便與衛(wèi)星分系統(tǒng)的對(duì)接。圖7給出了產(chǎn)品的功率曲線，在12.5GHz，產(chǎn)品增益約為45dB，輸出功率大于8W，整機(jī)效率約為22%。表1給出了Ku頻段8W固態(tài)功率放大器詳細(xì)性能指標(biāo)，產(chǎn)品在工作頻率11.5～12.5GHz范圍內(nèi)可提供8W的輸出功率，駐波小于1.3:1，雜波小于-60dBc，三階交調(diào)約為-13dBc。產(chǎn)品安全母線電壓范圍為23～30V，可滿足28V母線型衛(wèi)星平臺(tái)的使用。

圖6 Ku頻段8W固態(tài)功率放大器實(shí)物圖Fig.6 Photo of Ku-band 8W SSPA

圖7 固放輸出功率以及功率附件效率隨輸入功率變化曲線Fig.7 Change of the output power and power added efficiency with input power

表1 Ku頻段8W固態(tài)功率放大器性能指標(biāo)Tab.1 Performance of the Ku-band 8W SSPA

星載固態(tài)功率放大器可靠性至關(guān)重要，本文對(duì)所研制的Ku頻段8W固態(tài)功率放大器進(jìn)行了溫度循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)最高溫度為+60℃，最低溫度為-25℃，溫度范圍遠(yuǎn)高于產(chǎn)品在衛(wèi)星上的實(shí)際使用溫度范圍。從圖8可以看出，產(chǎn)品常溫輸出功率約為39.5dBm，高溫輸出功率約為39.0dBm，低溫輸出功率約為40.0dBm，在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)滿足大于8W的功率要求。產(chǎn)品在累積150h的溫度循環(huán)試驗(yàn)中，表現(xiàn)出了較高的一致性和可靠性。該產(chǎn)品目前已成功實(shí)現(xiàn)在軌應(yīng)用，在軌性性能穩(wěn)定。

圖8 固放溫度循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Temperature cycling test results of the SSPA

3 結(jié)論

本文介紹了一款星載Ku頻段8W固態(tài)功率放大器，通過(guò)采用高集成化的設(shè)計(jì)方法，將固態(tài)功率放大器的體積縮小近1/2，產(chǎn)品重量?jī)H為770g。產(chǎn)品工作頻率11.5～12.5GHz，飽和輸出功率大于8W，整機(jī)效率大于22%，母線電壓范圍為23～30V。產(chǎn)品從射頻電路設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)以及電源電路設(shè)計(jì)等方面實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的高可靠，并通過(guò)地面環(huán)境試驗(yàn)對(duì)產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。目前該產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)在軌應(yīng)用，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)星載固態(tài)功率放大器的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程具有重要意義。