武小坡 趙海洋 奚松濤

(南京電子技術(shù)研究所 南京 210039)

1 引言

隨著固態(tài)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的星載微波載荷采用了固態(tài)發(fā)射技術(shù)。固態(tài)發(fā)射技術(shù)具有高可靠性、高效率、高功率等優(yōu)點(diǎn)，契合了星載設(shè)備小體積輕量化的要求而受到眾多衛(wèi)星研制單位的青睞。由于星載的特殊環(huán)境要求和不可維護(hù)性，傳統(tǒng)的固態(tài)發(fā)射技術(shù)還需要針對(duì)空間環(huán)境開(kāi)展更多適應(yīng)性研究。本文介紹了已經(jīng)成功在軌運(yùn)行的某星載高功率固態(tài)功放的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)攻關(guān)，該功放工作于S波段，峰值輸出功率在500 W以上，是目前峰值功率最高，熱流密度最大的星載微波組件。

2 星載高功率固態(tài)功放的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

星載高功率固態(tài)功放是一個(gè)基于大功率固態(tài)器件的復(fù)雜微波設(shè)備，射頻部分由3級(jí)功放級(jí)聯(lián)輸出大功率信號(hào)，同時(shí)還具有可以實(shí)現(xiàn)DC變換的供配電單元以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作狀態(tài)的檢測(cè)單元。該固態(tài)功放采用集中式體制工作，功率增益在40 dB以上，內(nèi)部電原理見(jiàn)圖1。

星載高功率固態(tài)功放的復(fù)雜電路特性和大功率特征，使得其在星載應(yīng)用環(huán)境下必須著重考慮高功率密度熱設(shè)計(jì)、微放電防護(hù)設(shè)計(jì)、靜電防護(hù)設(shè)計(jì)以及電磁兼容設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，本文從如下幾方面著手開(kāi)展研究并取得了成果。

(1) 高功率密度熱設(shè)計(jì)

星載高功率固態(tài)功放中各級(jí)放大器的核心器件-功率晶體管均為高熱耗器件，特別是末級(jí)的大功率晶體管，其平均熱耗在17 W以上，是功放中最大的熱源。此外功放中的吸收負(fù)載在正常情況下也有約為10 W的熱耗，在極限情況下更可達(dá)50 W，也是需要重點(diǎn)關(guān)注的熱源器件。表1為固態(tài)功放內(nèi)部主要元器件的熱耗。

由于是星載應(yīng)用，固態(tài)功放在熱設(shè)計(jì)上無(wú)法采用常規(guī)的水冷或者風(fēng)冷，僅能利用衛(wèi)星安裝板及框架進(jìn)行熱量的傳導(dǎo)和輻射。基于衛(wèi)星艙內(nèi)工作條件，采用 FLOTHERM 熱分析軟件對(duì)整個(gè)功放進(jìn)行熱流密度仿真分析，建立模型模擬功放安裝在+40° C(最高工作溫度)的溫控板上，仿真功放連續(xù)工作數(shù)個(gè)任務(wù)周期后達(dá)到熱平衡時(shí)的熱流密度，分析模型適當(dāng)簡(jiǎn)化刪除了一些幾何特征有利于提高熱分析精度，對(duì)整個(gè)溫度場(chǎng)的分布不會(huì)有影響。

圖1 星載高功率固態(tài)功放電原理框圖Fig.1 Circuit princple diagram of satlliteborne high power solid state PA

表1 星載高功率固態(tài)功放主要元器件熱耗Tab.1 Main devices and elements heat consumption in satlliteborne high power solid state PA

從圖2可見(jiàn)，固態(tài)功放在工作中功率晶體管的最高殼溫已達(dá)108° C，通過(guò)計(jì)算此時(shí)功率晶體管的結(jié)溫已達(dá)145° C，大大超過(guò)Ⅰ級(jí)降額的要求，不適用星載應(yīng)用。為了滿足熱設(shè)計(jì)要求，需要針對(duì)不同熱耗的器件采取不同的措施，通過(guò)減小熱阻、增大熱容等手段力爭(zhēng)將功放上的熱量盡可能高效率地傳導(dǎo)至星體安裝面。采用的熱控措施如表2所示。

圖2 固態(tài)功放熱流密度仿真Fig.2 Solid state PA thermal flow density simulation

進(jìn)行熱設(shè)計(jì)優(yōu)化后，采用FLOTHERM熱分析軟件對(duì)功放再次進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖 3，表 3所示。

(2) 微放電防護(hù)設(shè)計(jì)

微放電效應(yīng)是指在真空中游離的自由電子在外加射頻場(chǎng)加速下產(chǎn)生了二次電子倍增直到發(fā)生雪崩效應(yīng)，建立的必要條件有：①真空，②存在自由電子，③二次電子渡越時(shí)間為射頻信號(hào)半周期的奇數(shù)倍[1]。星載環(huán)境下應(yīng)用的微波高功率設(shè)備基本上不可避免地滿足了微放電效應(yīng)建立的必要條件，所以如何有效地進(jìn)行微放電防護(hù)是星載微波功率設(shè)備普遍面對(duì)的一道難題。

表2 星載高功率固態(tài)功放熱控措施Tab.2 Satlliteborne high power solid state PA heat control measures

圖3 熱設(shè)計(jì)優(yōu)化后固態(tài)功放熱流密度仿真Fig.3 Solid state PA thermal flow density simulation with optimized thermal design

考慮到復(fù)合渡越時(shí)間模式，從兩平板間的電子運(yùn)動(dòng)方程開(kāi)始進(jìn)行分析

對(duì)式(1)的末級(jí)積分，即可得出電子到達(dá)平行板相反電極的終端電壓：

表3 固態(tài)功放內(nèi)部主要元器件優(yōu)化前后的仿真溫度Tab.3 Main devices and elements simulized temperature before and after optimization in solid state PA

其中φ是發(fā)生次級(jí)電子發(fā)射的時(shí)間相位角度，m,e為電子的質(zhì)量和電荷量，k=Vf/Vs是電子終端電壓與發(fā)射電壓之比(常數(shù))[2]。

對(duì)式(1)第2次積分，它給出電子2次倍增的擊穿電壓V：

已知k,φ為常數(shù)，f為工作頻率，d為兩平板間的距離(即間隙尺寸)。由式(3)可知，擊穿電壓V僅與f×d的積成正比，而工作頻率f取決于任務(wù)，間隙尺寸d就是在確定任務(wù)的條件下唯一與微放電閾值電平正相關(guān)的參數(shù)了。圖4所示為平行板間可能發(fā)生微放電的區(qū)域[3]。

對(duì)于星載固態(tài)功放而言，為了提高微放電閾值就需要消除功放電路中的間隙，避免自由電子的運(yùn)動(dòng)和倍增，結(jié)構(gòu)卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，或者盡量擴(kuò)大間隙尺寸，可是卻會(huì)增大功放的體積重量，也是星載設(shè)備無(wú)法容忍的。

從微放電建立的必要條件進(jìn)行分析，自由電子在外加射頻場(chǎng)下的運(yùn)動(dòng)是導(dǎo)致電子倍增的原因，于是按微波的擴(kuò)散擊穿控制機(jī)理可知

圖4 平行板間可能發(fā)生微放電的區(qū)域Fig.4 Possible multipactor areas between parallel-plate

式中：F為電磁力，me,qe,a,ve為電子的質(zhì)量，電荷量，加速度和瞬時(shí)速度，E0為電場(chǎng)強(qiáng)度，ω為頻率，積分后得出自由電子在電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)距離L為：

式中： qe/me為常數(shù) 1.76×1011C/kg。

當(dāng)自由電子的運(yùn)動(dòng)距離L大于星載功放內(nèi)部的間隙尺寸d，且電子渡越時(shí)間正好是電場(chǎng)半周期的奇數(shù)倍時(shí)，極易誘發(fā)微放電。從前面的論述已經(jīng)得出，星載功放內(nèi)的間隙尺寸d受到電路設(shè)計(jì)和設(shè)備小型化的限制，難以消除或無(wú)限增大，那么自由電子的運(yùn)動(dòng)距離L就是是否誘發(fā)微放電效應(yīng)的關(guān)鍵因素。根據(jù)式(7),qe/me,ω均為常數(shù)，運(yùn)動(dòng)距離L只與電場(chǎng)強(qiáng)度E0成正比。這樣就可以得出，如果需要降低整個(gè)星載固態(tài)功放的微放電風(fēng)險(xiǎn)，提高微放電閾值，就是要盡可能地降低功放內(nèi)部的輻射場(chǎng)強(qiáng)E0。

對(duì)星載高功率固態(tài)功放進(jìn)行全面的場(chǎng)仿真，其仿真結(jié)果可見(jiàn)圖 5。因?yàn)椴捎昧碎_(kāi)放式的微帶電路和較高的峰值載波功率，功放的總輸出端存在最大的輻射場(chǎng)強(qiáng)，該處是多路大功率的耦合點(diǎn)，且無(wú)源器件之間的連接存在結(jié)構(gòu)縫隙，微波信號(hào)的傳輸連續(xù)性不佳，該處的高場(chǎng)強(qiáng)必然導(dǎo)致自由電子的運(yùn)動(dòng)距離增大，是整個(gè)功放內(nèi)部最易發(fā)生微放電的部位。

在微帶電路上傳輸大功率信號(hào)時(shí)，功率傳輸?shù)倪B續(xù)性相當(dāng)重要，一旦存在較大的間隙就會(huì)造成駐波惡化、諧振、失配等現(xiàn)象，于是反射功率和耦合信號(hào)在空間疊加造成很高的輻射場(chǎng)強(qiáng)從而很容易發(fā)生微放電。星載高功率固態(tài)功放中，內(nèi)部電路布局緊密，但由于無(wú)法采用一體化成形設(shè)計(jì)，不同微波器件之間難免存在縫隙，從而產(chǎn)生了不連續(xù)。固態(tài)功放是輸出峰值功率超過(guò)500 W的大功率設(shè)備，需要重點(diǎn)優(yōu)化內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)較大處的微波傳輸性能。

現(xiàn)采用了一種跨接特制金屬片的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)性能的優(yōu)化。設(shè)計(jì)中在固態(tài)功放輸出端均加裝了特制金屬片，加裝的金屬片采用良好導(dǎo)電材料制作，并進(jìn)行封膠處理。同樣地，對(duì)功放內(nèi)部其它需要優(yōu)化的部分也采用了類似的處理方式。

對(duì)加裝金屬片后的固態(tài)功放進(jìn)行場(chǎng)仿真，結(jié)果如圖6和表4所示。

由圖6和表4可見(jiàn)，固態(tài)功放的內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度明顯下降，這樣使得自由電子的運(yùn)動(dòng)距離得到了有效約束，該項(xiàng)措施在不影響固態(tài)功放的電性能和體積重量的前提下等效擴(kuò)大了間隔尺寸，相對(duì)提高了微放電閾值。

表4 星載高功率固態(tài)功放優(yōu)化前后仿真結(jié)果Tab.4 Satlliteborne high power solid state PA simulation results before and after optimization

(3) 電磁兼容設(shè)計(jì)

星載高功率固態(tài)功放內(nèi)部的電信號(hào)較復(fù)雜，存在著高頻電路和低頻電路以及數(shù)字電路和模擬電路，加上結(jié)構(gòu)尺寸上的限制，很難做到物理隔離，這樣就會(huì)存在著各種電磁干擾。固態(tài)功放內(nèi)各級(jí)放大器是以微帶電路進(jìn)行匹配和傳輸，微帶電路上方的開(kāi)放空間會(huì)導(dǎo)致功率信號(hào)的空間耦合，使得微帶電路之間或者微帶電路與低頻電路之間存在互耦和串?dāng)_，尤其是功率量級(jí)最高的末級(jí)放大器，大功率的射頻信號(hào)與直流電源、數(shù)字控制信號(hào)混存，相互之間疊加的干擾顯得尤為嚴(yán)重。

此外，由于衛(wèi)星天線時(shí)常暴露在空間環(huán)境下，太空中的沉降粒子會(huì)使得天線表面充電至高電位，當(dāng)累積到一定程度之后，充電電壓超過(guò)介質(zhì)本身的放電閾值將發(fā)生靜電放電現(xiàn)象，產(chǎn)生的數(shù)千伏高壓電通過(guò)饋電網(wǎng)絡(luò)直接導(dǎo)入固態(tài)功放，對(duì)固態(tài)功放將是毀滅性的打擊，星載高功率固態(tài)功放的電磁兼容問(wèn)題必須重點(diǎn)關(guān)注。

基于以上這些問(wèn)題，在整個(gè)功放的電磁兼容設(shè)計(jì)中特別考慮了以下幾點(diǎn)：

(1) 接地

圖5 星載高功率固態(tài)功放場(chǎng)仿真Fig.5 Satlliteborne high power solid state PA field simulation

圖6 星載高功率固態(tài)功放優(yōu)化后場(chǎng)仿真Fig.6 Satlliteborne high power solid state PA field simulation after optimization

良好的接地是為了抑制電流流經(jīng)公共地線時(shí)所產(chǎn)生的耦合干擾以及地電流環(huán)路所形成的耦合干擾。在接地設(shè)計(jì)中，微波電路和低頻電路是要區(qū)別對(duì)待的。微波電路對(duì)接地性能的好壞極為敏感，一旦接地阻抗變大，電路就演變成了天線，于是在設(shè)計(jì)中對(duì)微波電路全面采用多點(diǎn)接地的手段以消除共阻抗耦合干擾。另外為了保證接地阻抗盡可能小，要求電路中所有微波模塊的底面平面度必須小于0.1以減小接觸電阻，同時(shí)對(duì)固定微波模塊的螺釘要求均勻分布，其間距應(yīng)滿足：

以S波段工作頻率按3 GHz計(jì)算，為了保證良好的接地，安裝螺釘?shù)拈g距應(yīng)小于100 mm，實(shí)際選取約10～25 mm。低頻電路的接地方式主要采用單點(diǎn)接地，以避免形成地回路。

(2) 諧振腔

星載高功率固態(tài)功放的各級(jí)放大器封閉在狹小的金屬腔體內(nèi)，如果金屬腔體的尺寸選擇不適當(dāng)，空間輻射出來(lái)的微波信號(hào)將在腔體內(nèi)部不斷反射最終引起諧振，造成大功率晶體管過(guò)占空比或連續(xù)波工作，以致器件燒毀[4]。

通常采用粘貼吸波材料的手段來(lái)衰減空間中的耦合信號(hào)減輕諧振，此外還需要通過(guò)合理的腔體設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)，解決電路諧振的問(wèn)題[5]。為了解決空間耦合信號(hào)，星載高功率固態(tài)功放內(nèi)的各級(jí)放大器均放置在相對(duì)獨(dú)立的腔體中，腔體采用導(dǎo)電性良好的金屬材料制作，各個(gè)腔體不共用蓋板，以取得更好的屏蔽效果。但是，放置放大器的矩形腔體在加上蓋板后一定程度上就形成了諧振腔，微帶電路上寄生的高次模為諧振提供了條件[6]。矩形腔體在諧振后的電磁場(chǎng)分布為：

對(duì)固態(tài)功放而言，內(nèi)部放大鏈中各個(gè)腔體內(nèi)都存在電場(chǎng)、磁場(chǎng)的分量，這些分量與諧振腔模式下分布場(chǎng)的幅相一致時(shí)，就發(fā)生了諧振，對(duì)應(yīng)的諧振頻率f有：

式中c為光速，a為腔體的寬，b為腔體的長(zhǎng)。

通過(guò)式(10)就可以計(jì)算出腔體的諧振頻率，從而根據(jù)工作頻率改變腔體的結(jié)構(gòu)尺寸，使得放大器的工作頻率遠(yuǎn)離諧振頻率，再配合吸波材料的使用，模擬開(kāi)放空間的場(chǎng)邊界條件，可以大大降低諧振的發(fā)生概率。

(3) 靜電放電

靜電放電效應(yīng)包含兩種傳播途徑：傳導(dǎo)和輻射。對(duì)星載高功率固態(tài)功放來(lái)說(shuō)，空間中帶電粒子注入天線形成誘導(dǎo)電流，隨后經(jīng)過(guò)饋網(wǎng)傳導(dǎo)至固態(tài)功放，傳導(dǎo)模式是靜電放電產(chǎn)生的主要途徑[7]。誘導(dǎo)電流通常為脈沖形式，脈寬可達(dá)數(shù)微秒，在脈沖接收回路中激起的瞬態(tài)過(guò)程中伴隨著幅度衰減形成振鈴波，其衰減振蕩特性與整個(gè)放電回路的阻抗特性相關(guān)，誘導(dǎo)電流波形如圖7所示。

由基爾霍夫電壓定律可以計(jì)算出誘導(dǎo)電流為：

式中δ=R/2L,ω2=1/ LC?(R/2L)2,R 為回路的特征阻抗，一般取50 ?。

在星載高功率固態(tài)功放中，對(duì)誘導(dǎo)電流最敏感的就是微波功率晶體管，為了保護(hù)微波功率晶體管不受靜電效應(yīng)損傷，設(shè)計(jì)必要的低損耗放電回路是必要的。

在固態(tài)功放中，通過(guò)增加隔離電容和短路線的手段來(lái)規(guī)避靜電放電所造成的風(fēng)險(xiǎn)，靜電放電回路如圖8所示。

當(dāng)誘導(dǎo)電流從天線導(dǎo)入后，在星載高功率組件內(nèi)部存在兩個(gè)放電回路?；芈?中的電流通過(guò)電感短路到地，回路2中的電流被微波功率晶體管后端的隔直電容阻斷，不會(huì)對(duì)功率晶體管造成損傷，隔直電容的耐壓值在1000 V以上，保證了即使高壓靜電放電也可不會(huì)被擊穿。該放電回路的設(shè)計(jì)可以有效保護(hù)微波功率晶體管不受靜電放電效應(yīng)的影響，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證可耐受高壓靜電放電。

圖7 誘導(dǎo)電流振蕩波形Fig.7 Induced current oscillating waveform

圖8 星載高功率固態(tài)功放靜電放電回路Fig.8 Satlliteborne high power solid state PA electrostatic discharge loop

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 檢測(cè)方法

根據(jù)上述手段設(shè)計(jì)出的星載高功率固態(tài)功放，其熱設(shè)計(jì)、微放電閾值、電磁兼容性等是否滿足空間環(huán)境的要求是不能完全確定的。而且工程應(yīng)用中，生產(chǎn)、加工、裝配、調(diào)試、運(yùn)輸?shù)榷紩?huì)影響最終產(chǎn)品的狀態(tài)，因此，必須對(duì)固態(tài)功放進(jìn)行全面的空間環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖9 星載高功率固態(tài)功放真空環(huán)境試驗(yàn)框圖Fig.9 Vacuum enviroment experiment diagram of satlliteborne high power solid state PA

根據(jù)需要驗(yàn)證的試驗(yàn)種類，搭建了完整的真空環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)。在這個(gè)驗(yàn)證系統(tǒng)中，采用高壓冷陰極自由電子源來(lái)激發(fā)足夠的自由電子誘發(fā)微放電，在固態(tài)功放的輸入端連接專用的微放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。另外通過(guò)在固態(tài)功放上粘貼熱電偶的方式檢測(cè)各個(gè)關(guān)鍵器件的工作溫度，并利用耦合信號(hào)監(jiān)測(cè)固態(tài)功放的全溫電性能穩(wěn)定性，確認(rèn)電磁兼容設(shè)計(jì)的有效性。該試驗(yàn)?zāi)軌蚩己撕万?yàn)證星載高功率固態(tài)功放的真空環(huán)境適應(yīng)性，試驗(yàn)框圖如圖9所示。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

星載高功率固態(tài)功放在真空試驗(yàn)中的熱設(shè)計(jì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5，微放電驗(yàn)證數(shù)據(jù)見(jiàn)表6，電磁兼容性驗(yàn)證數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。

4 結(jié)論

本文從熱設(shè)計(jì)、微放電防護(hù)設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)等方面闡述了星載高功率固態(tài)功放的關(guān)鍵技術(shù)及其解決方法。本高功率固態(tài)功放的成功研制，實(shí)現(xiàn)了S波段最大功率的星載固態(tài)功放，并成功裝備于SAR固態(tài)發(fā)射機(jī)隨整星開(kāi)展應(yīng)用。

表5 固態(tài)功放真空環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)1Tab.5 Vacuum enviroment experiment data 1 of solid state PA

表6 固態(tài)功放真空環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)2Tab.6 Vacuum enviroment experiment data 2 of solid state PA

表7 固態(tài)功放真空環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)3Tab.7 Vacuum enviroment experiment data 3 of solid state PA

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