微波固態(tài)高功放在FY-2E氣象衛(wèi)星中的運(yùn)用技術(shù)

引言

微波固態(tài)高功放與電真空功率器件相比具有體積小、工作電壓低、頻帶寬、線性度好、可靠性高、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)受到諸多領(lǐng)域的青睞，在宇宙通信、微波通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗、遙測(cè)遙控等電子系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，以完成對(duì)微弱信號(hào)的放大。為使其在實(shí)際應(yīng)用中具備更高的效率，更好的性能和更低的故障率，本文以其在FY-2E氣象衛(wèi)星中的應(yīng)用為例，研究了其設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合實(shí)踐中的應(yīng)用，最后提出了幾條具有針對(duì)性和有效性的保護(hù)措施。

單級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)思路

一般微波功率晶體管放大器的設(shè)計(jì)主要包括：根據(jù)要求的性能指標(biāo)，進(jìn)行工作狀態(tài)確定、輸入輸出匹配電路設(shè)計(jì)和偏置電路設(shè)計(jì)及熱設(shè)計(jì)等。圖1示出一個(gè)典型的共基極晶體管放大器電路。

FY-2E的功率放大器采用C類工作，飽和輸出。一般來說，放大器工作在飽和或接近飽和狀態(tài)時(shí)效率最高。但由于工作在非線性狀態(tài)下，確定工作點(diǎn)時(shí)，除考慮效率外還應(yīng)顧及非線性失真的要求。在此處輸入輸出匹配電路[1-3]主要是讓負(fù)載阻抗與源阻抗相匹配，減少功率反射損耗，增大傳輸功率、減少噪聲干擾、提高頻率響應(yīng)的線性度。設(shè)計(jì)思路有以下兩種選擇：1.采用解析法求出電路元件的值。該方法可得到非常精確地結(jié)果，適用于計(jì)算機(jī)仿真;2.利用Smith原圖作為圖解設(shè)計(jì)工具。該方法計(jì)算量相對(duì)少，更加直觀，容易驗(yàn)證。偏置電路的作用是提供適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)，幷抑制晶體參數(shù)的離散性以及溫度變化的影響從而保持恒定的工作特性，一般無源偏置網(wǎng)絡(luò)容易實(shí)現(xiàn)，但不如有源偏置網(wǎng)絡(luò)靈活。其設(shè)計(jì)考慮包括效率、噪聲、對(duì)振蕩的抑制、獨(dú)立的電源供電、射頻扼流和阻抗匹配。

FY-2E中固態(tài)功放的設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)

固態(tài)功放性能指標(biāo)主要有：工作帶寬、增益、增益平坦度、穩(wěn)定性、三階交調(diào)、輸入輸出電壓駐波比(VSWR)等。單級(jí)放大器由于工作狀態(tài)、線性度、工藝等的限制難以滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)際應(yīng)用中一般采用多管并聯(lián)的方式來合成功率。FY-2E氣象衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)中的固態(tài)功放是采用4管并聯(lián)的合成方式(見圖 2)。

該系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)放大器、功率放大器和四路徑向波導(dǎo)功率合成器組成。驅(qū)動(dòng)放大器采用1:1熱備份形式工作，一旦其中一管子出現(xiàn)問題，能自動(dòng)切換到另一備份放大器上工作，確保作業(yè)的正常進(jìn)行。驅(qū)動(dòng)放大器通過分路器等分成4路分別推動(dòng)功放管模塊工作，最后由四路徑向波導(dǎo)功率合成器合成輸出，環(huán)形器的作用是防止駐波異常時(shí)，反射功率過大而破壞功放管。晶體管損壞對(duì)功放組件輸出的影響

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(cè)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(chǎng)強(qiáng)等幅相加[4]，這樣合成器總輸出信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)為2E，輸出信號(hào)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(hào)場(chǎng)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(dòng)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(dòng)態(tài)阻抗法、大信號(hào)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(zhǎng)和微波電路的饋電線尺寸可以比擬時(shí)，很容易引起信號(hào)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(hào)反饋。由于FY-2E氣象衛(wèi)星工作在S波段，工作波長(zhǎng)相對(duì)較長(zhǎng)，頻率穩(wěn)定性相對(duì)較好。而其每天高強(qiáng)度的工作量，即會(huì)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(duì)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(jiǎn)稱CDAS)，主要由天線、信道、圖像、遙測(cè)遙控、測(cè)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(cè)、三點(diǎn)測(cè)距等信號(hào)，并發(fā)射展寬云圖、遙控指令、三點(diǎn)測(cè)距等信號(hào)。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(guó)氣象衛(wèi)星FY-2系列在S波段)，對(duì)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(jí)(正常情況下為≤10-6)，而接收的遙測(cè)信號(hào)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(duì)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(dòng)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(hào)帶來強(qiáng)干擾。針對(duì)此情況，我們配合設(shè)備廠家，對(duì)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。

提出的保護(hù)措施

固態(tài)功放是對(duì)駐波比極為敏感的微波器件，駐波太大會(huì)使其工作頻段變小、給接收部分帶來強(qiáng)干擾并使其飽和，更有甚者燒壞發(fā)射機(jī)。為防患于未然，筆者將理論研究和自己的工作實(shí)踐相結(jié)合，特提出以下幾大重點(diǎn)監(jiān)管措施。

固態(tài)功放駐波的好與壞，是取決于其與后端饋線網(wǎng)絡(luò)是否匹配良好造成的。由于饋線大部分長(zhǎng)期工作在室外，很容易受環(huán)境溫度、濕度的變化、及大風(fēng)天氣碰撞而生銹、變形致使反射損耗變大。為此，要保證饋線上鐵塔時(shí)不能有碰撞，且固定要牢固盡量不要承受過多硬力、固定間距不要太大;且在環(huán)境溫度、濕度劇變的情況下，加強(qiáng)監(jiān)督并采取保護(hù)措施;要定期檢查充氣機(jī)內(nèi)干燥劑，防止其變紅失效。

將功放后饋線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)納入監(jiān)控管理范圍，設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，由于饋線充氣機(jī)一般有遙信接口，可將充氣氣壓、充氣次數(shù)、充氣時(shí)間間隔等參量的變化情況進(jìn)行采集傳送到網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，即可實(shí)時(shí)監(jiān)視。

FY-2E地面應(yīng)用系統(tǒng)固態(tài)功放組件主要由輸入/輸出組件、功放模塊、大電流的電源組件、風(fēng)冷系統(tǒng)及功放的監(jiān)視、控制和保護(hù)電路幾部分組成?？蓪?duì)射頻信號(hào)輸入輸出功率取樣檢測(cè)、反射功率取樣檢測(cè)。射頻微波管對(duì)工作條件要求高，因此必須對(duì)環(huán)境溫度、各功放模塊溫度、電源電壓、輸入功率、輸出功率、反射功率等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視并實(shí)施快速保護(hù)。另外，功放工作時(shí)功率大、產(chǎn)生熱量多，要定期對(duì)風(fēng)冷系統(tǒng)進(jìn)行巡檢，確保系統(tǒng)通風(fēng)冷卻正常。

結(jié)語

本文通過對(duì)固態(tài)功放設(shè)計(jì)思路、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用實(shí)例的探討，研究了晶體管損壞對(duì)功放組件輸出的影響、功放組件中晶體管的阻抗匹配、功放組件的散熱設(shè)計(jì)，結(jié)合在實(shí)際工作的應(yīng)用情況，最后提出了幾條具有針對(duì)性和有效性的保護(hù)措施，可以提高固態(tài)功放在實(shí)際業(yè)務(wù)中的穩(wěn)定性、可靠性和高效性。