微波固態(tài)高功放在FY-2E氣象衛(wèi)星中的設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)

　　由于FY-2E系統(tǒng)一年365天，平均每天至少完成28張?jiān)茍D，汛期加密觀測時(shí)達(dá)到48張?jiān)茍D的高作業(yè)量。因此，功放系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性就顯得尤為重要。若工作中的晶體管有所損壞，從而使組件增益下降。令其增益變化為W，晶體管數(shù)目在此處是4，假設(shè)4個(gè)晶體管的輸出場強(qiáng)等幅相加[4]，這樣合成器總輸出信號的場強(qiáng)為2E，輸出信號的功率為。當(dāng)4路中有n路晶體管損壞時(shí)，合成器輸出地信號場強(qiáng)為 ，功率為，則增益為?？捎?jì)算得：當(dāng)n=1時(shí)，增益下降2.5dB;當(dāng) n=2時(shí)，增益下降6dB;當(dāng)n=3時(shí)，增益下降12dB。系統(tǒng)工作時(shí)的總增益我們要求是60dB，由此可見，固態(tài)功放管的穩(wěn)定性是可觀的。

　　功放組件中晶體管的阻抗匹配

　　脈沖工作時(shí)，工作在C類狀態(tài)的晶體管放大器，要經(jīng)歷截止區(qū)、線性區(qū)和飽和區(qū)，其輸入輸出阻抗是動態(tài)變化的，但合成器、傳輸線的特性阻抗一般都是固定的。因此，要獲得良好的阻抗匹配，必須將晶體管的輸入輸出阻抗在工作頻段內(nèi)進(jìn)行變換。后端的環(huán)形器能將功放組件和天線饋部分隔離，在此，功放管的輸出阻抗只需與徑向波導(dǎo)合成器輸入阻抗匹配即可。常用的晶體管功率放大器匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法主要有動態(tài)阻抗法、大信號S參數(shù)法和負(fù)載牽引法。

　　功放組件的散熱設(shè)計(jì)

　　從理論上分析，影響固態(tài)功放組件穩(wěn)定性的因素主要有溫度和工作頻段[5]。當(dāng)工作波長和微波電路的饋電線尺寸可以比擬時(shí)，很容易引起信號反饋，在放大器工作頻段產(chǎn)生自激振蕩，并且電源饋電線路中電容、電感也易引起低頻信號反饋。由于FY-2E氣象衛(wèi)星工作在S波段，工作波長相對較長，頻率穩(wěn)定性相對較好。而其每天高強(qiáng)度的工作量，即會產(chǎn)生高熱量，導(dǎo)致晶體管溫度急劇升高。因此，為保證固態(tài)功率放大器工作穩(wěn)定，必須對功放管進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，以確保放大器處于穩(wěn)定工作的溫度范圍。目前，功放組件散熱工作主要是，將晶體管管芯產(chǎn)生的熱量傳給晶體管的法蘭，再傳給散熱器，通過風(fēng)冷系統(tǒng)，產(chǎn)生一定的風(fēng)壓，使周圍空氣從散熱器上帶走熱量。

　　固態(tài)高功放在FY-2E中的應(yīng)用

　　FY-2E氣象衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)地面指令與數(shù)據(jù)接收站(簡稱CDAS)，主要由天線、信道、圖像、遙測遙控、測距等分系統(tǒng)組成。信道分系統(tǒng)是其中重要組成部分之一，主要任務(wù)是接收衛(wèi)星原始云圖、展寬云圖、遙測、三點(diǎn)測距等信號，并發(fā)射展寬云圖、遙控指令、三點(diǎn)測距等信號。固態(tài)功放組件是信道系統(tǒng)的咽喉，它一般也是系統(tǒng)中體積最大、耗電量最多，發(fā)熱密度最大的設(shè)備，由于其工作頻段較高(我國氣象衛(wèi)星FY-2系列在S波段)，對與前后傳輸網(wǎng)絡(luò)是否匹配良好要求高，所以其工作特性將直接影響整個(gè)CDAS系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

　　運(yùn)行過程的故障及解決方法

　　2009年12月發(fā)現(xiàn)所收到的一張衛(wèi)星云圖，如圖3所示，出現(xiàn)大量麻點(diǎn)和丟線，誤碼率為10-3個(gè)數(shù)量級(正常情況下為≤10-6)，而接收的遙測信號AGC電平、給衛(wèi)星發(fā)送的遙控指令、DPL的SSD跟蹤均無誤，由此可定位為信道部分必有強(qiáng)干擾。再檢查信道部分設(shè)備的運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)問題在固態(tài)功放，其輸出功率為47dBm，反射功率達(dá)到43dBm， 根據(jù)公式：反射系數(shù) ，駐波，可以計(jì)算出駐波比為4.4，已經(jīng)大大超過了正常值1.3。對于如此大駐波比產(chǎn)生的原因，進(jìn)行了研究與排查，發(fā)現(xiàn)最近天氣劇變，溫度下降、大雪紛飛、空氣濕度大，而充氣機(jī)啟動次數(shù)較多，且干燥劑變紅失效，判定是波導(dǎo)系統(tǒng)漏氣，機(jī)房的濕空氣不能得到很好地干燥，直接充到天饋線中，而饋線在外遇冷凝結(jié)成冰塊，致使傳輸網(wǎng)絡(luò)阻抗失配，駐波比超標(biāo)，給接收信號帶來強(qiáng)干擾。針對此情況，我們配合設(shè)備廠家，對波導(dǎo)內(nèi)濕空氣進(jìn)行了全部清理、在波導(dǎo)接口處加了密封墊。在處理完后，輸出功率為46dBm，反射功率為28dBm，駐波比值正常，接收到的正常云圖如圖4所示。