陳偉偉，王 程，楊 章，羅 聃，劉家瑋，楊 飛，汪 蕾

(中國空間技術研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

星載固態(tài)功率放大器是微波有源技術產(chǎn)品中最具代表性的產(chǎn)品之一，廣泛應用于軍用、民用衛(wèi)星。隨著衛(wèi)星有效載荷技術的不斷發(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。在以往功能相對簡單、轉發(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)量并結合功率合成的方式來實現(xiàn)較大的功率輸出。但由于輸出需要進行功率合成，部件產(chǎn)品的體積和設計復雜度也隨之提高。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頻段射頻電路進行集成化設計，實現(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計、電源電路設計等設計技術，實現(xiàn)固放產(chǎn)品的高可靠應用。

1 方案設計

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行多級放大，實現(xiàn)固放大功率輸出，并具備過激勵保護、數(shù)字增益控制、溫度補償?shù)裙δ?，同時提供整機輸出功率遙測、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行電壓轉換，為射頻提電路提供必要的供電電壓，并具備欠壓保護、過流保護等功能，同時提供整機開關機遙測、母線電流遙測等遙測信號。

1.1 射頻電路設計

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)以及溫度補償?shù)裙δ芗梢粋€模塊中，具有高集成、小型化、多功能的特點。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外部輸入的增益加減指令，實現(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合，用于實現(xiàn)射頻電路的過激勵自動控制(ALC)功能；后兩級電調(diào)衰減芯片與整機中的熱敏電阻相結合，實現(xiàn)整機的增益溫度補償功能。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行多胞合成，實現(xiàn)60W的高功率輸出，功率附件效率達45%。

1.2 熱設計

氮化鎵微波功率器件功率具有高功率、高效率等優(yōu)點[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中，將熱量進一步散出。

圖2 高功率器件紅外熱像儀測試結果

為了對器件熱設計進行驗證，對研制完成的末級高功率器件進行紅外熱像儀測試，測試結果如圖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溫為135℃。器件結殼熱阻的計算公式為Rc=(Tj-Tc)/(Pdc-Pout)，其中Rc為器件結殼熱阻，Tj為器件結溫，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 固放整機熱仿真結果

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

圖4 C頻段固放電源電路原理框圖

1.3 電源電路設計

圖4給出了C頻段50W固放電源電路設計框圖。電源電路設有輸入保護電路、開關機控制及欠壓保護電路、浪涌抑制電路及EMI濾波器。輸入保護電路實現(xiàn)電源故障時與一次母線的隔離，保護母線的安全。+28V、+6V和-5V三路電源采用三個獨立的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現(xiàn)能量轉換，輸入和輸出進行磁隔離。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、過流保護等功能。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合低壓差二次穩(wěn)壓的設計方案。此外，電源電路中還設有時序控制電路，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，否則將導致器件燒毀，因此時序控制電路尤為重要。測試結果表明，按照該方案設計的電源電路轉換效率達到90%，且輸出電壓具有較好的穩(wěn)定性。

2 測試結果

研制完成的C頻段50W固態(tài)功率放大器實物圖如圖5所示，整機的外形尺寸為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)送增益加減指令進行增益調(diào)節(jié)。

圖5 C頻段50W固態(tài)功率放大器實物圖

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)功率放大器詳細性能指標如表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

圖7 固放溫度循環(huán)試驗結果

為了對C頻段50W固態(tài)功率放大器進行可靠性驗證，開展了力學試驗、熱真空試驗以及溫度循環(huán)試驗等環(huán)境試驗。圖7給出了固放溫度循環(huán)試驗結果，試驗條件為高溫+70°C，低溫-35°C，試驗過程中產(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，滿足宇航應用要求。

3 結束語

文章介紹了一款星載C頻段50W固態(tài)功率放大器的設計，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、過激勵保護以及溫度補償?shù)裙δ?。所設計的產(chǎn)品飽和點三階交調(diào)約為-15dBc，線性度較好，非常適用于通信衛(wèi)星。固放在370小時的溫循試驗過程中，輸出功率穩(wěn)定，性能可靠，滿足宇航應用要求。