星載高功率固態(tài)功放關(guān)鍵技術(shù)與實驗研究

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，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)境要求和不可維護性，傳統(tǒng)的固態(tài)發(fā)射技術(shù)還需要針對空間環(huán)境開展更多適應(yīng)性研究。本文介紹了已經(jīng)成功在軌運行的某星載高功率固態(tài)功放的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計和試驗攻關(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

星載高功率固態(tài)功放是一個基于大功率固態(tài)器件的復(fù)雜微波設(shè)備，射頻部分由3級功放級聯(lián)輸出大功率信號，同時還具有可以實現(xiàn)DC變換的供配電單元以及實時監(jiān)測工作狀態(tài)的檢測單元。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、微放電防護設(shè)計、靜電防護設(shè)計以及電磁兼容設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)問題，本文從如下幾方面著手開展研究并取得了成果。

(1) 高功率密度熱設(shè)計

星載高功率固態(tài)功放中各級放大器的核心器件-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50 W，也是需要重點關(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)計上無法采用常規(guī)的水冷或者風(fēng)冷，僅能利用衛(wèi)星安裝板及框架進行熱量的傳導(dǎo)和輻射?；谛l(wèi)星艙內(nèi)工作條件，采用 FLOTHERM 熱分析軟件對整個功放進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)個任務(wù)周期后達到熱平衡時的熱流密度，分析模型適當簡化刪除了一些幾何特征有利于提高熱分析精度，對整個溫度場的分布不會有影響。

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，固態(tài)功放在工作中功率晶體管的最高殼溫已達108° C，通過計算此時功率晶體管的結(jié)溫已達145° C，大大超過Ⅰ級降額的要求，不適用星載應(yīng)用。為了滿足熱設(shè)計要求，需要針對不同熱耗的器件采取不同的措施，通過減小熱阻、增大熱容等手段力爭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

進行熱設(shè)計優(yōu)化后，采用FLOTHERM熱分析軟件對功放再次進行仿真，仿真結(jié)果如圖 3，表 3所示。

(2) 微放電防護設(shè)計

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，③二次電子渡越時間為射頻信號半周期的奇數(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，所以如何有效地進行微放電防護是星載微波功率設(shè)備普遍面對的一道難題。

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)合渡越時間模式，從兩平板間的電子運動方程開始進行分析

對式(1)的末級積分，即可得出電子到達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)生次級電子發(fā)射的時間相位角度，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，避免自由電子的運動和倍增，結(jié)構(gòu)卻無法實現(xiàn)的，或者盡量擴大間隙尺寸，可是卻會增大功放的體積重量，也是星載設(shè)備無法容忍的。

從微放電建立的必要條件進行分析，自由電子在外加射頻場下的運動是導(dǎo)致電子倍增的原因，于是按微波的擴散擊穿控制機理可知

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，加速度和瞬時速度，E0為電場強度，ω為頻率，積分后得出自由電子在電場作用下的運動距離L為：

式中： qe/me為常數(shù) 1.76×1011C/kg。

當自由電子的運動距離L大于星載功放內(nèi)部的間隙尺寸d，且電子渡越時間正好是電場半周期的奇數(shù)倍時，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)計和設(shè)備小型化的限制，難以消除或無限增大，那么自由電子的運動距離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)，運動距離L只與電場強度E0成正比。這樣就可以得出，如果需要降低整個星載固態(tài)功放的微放電風(fēng)險，提高微放電閾值，就是要盡可能地降低功放內(nèi)部的輻射場強E0。

對星載高功率固態(tài)功放進行全面的場仿真，其仿真結(jié)果可見圖 5。因為采用了開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強，該處是多路大功率的耦合點，且無源器件之間的連接存在結(jié)構(gòu)縫隙，微波信號的傳輸連續(xù)性不佳，該處的高場強必然導(dǎo)致自由電子的運動距離增大，是整個功放內(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時，功率傳輸?shù)倪B續(xù)性相當重要，一旦存在較大的間隙就會造成駐波惡化、諧振、失配等現(xiàn)象，于是反射功率和耦合信號在空間疊加造成很高的輻射場強從而很容易發(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，但由于無法采用一體化成形設(shè)計，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500 W的大功率設(shè)備，需要重點優(yōu)化內(nèi)部場強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實現(xiàn)性能的優(yōu)化。設(shè)計中在固態(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，并進行封膠處理。同樣地，對功放內(nèi)部其它需要優(yōu)化的部分也采用了類似的處理方式。

對加裝金屬片后的固態(tài)功放進行場仿真，結(jié)果如圖6和表4所示。

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

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

星載高功率固態(tài)功放內(nèi)部的電信號較復(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，這樣就會存在著各種電磁干擾。固態(tài)功放內(nèi)各級放大器是以微帶電路進行匹配和傳輸，微帶電路上方的開放空間會導(dǎo)致功率信號的空間耦合，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擾，尤其是功率量級最高的末級放大器，大功率的射頻信號與直流電源、數(shù)字控制信號混存，相互之間疊加的干擾顯得尤為嚴重。

此外，由于衛(wèi)星天線時常暴露在空間環(huán)境下，太空中的沉降粒子會使得天線表面充電至高電位，當累積到一定程度之后，充電電壓超過介質(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)千伏高壓電通過饋電網(wǎng)絡(luò)直接導(dǎo)入固態(tài)功放，對固態(tài)功放將是毀滅性的打擊，星載高功率固態(tài)功放的電磁兼容問題必須重點關(guān)注。

基于以上這些問題，在整個功放的電磁兼容設(shè)計中特別考慮了以下幾點：

(1) 接地

圖5 星載高功率固態(tài)功放場仿真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)計中，微波電路和低頻電路是要區(qū)別對待的。微波電路對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)計中對微波電路全面采用多點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，同時對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，實際選取約10～25 mm。低頻電路的接地方式主要采用單點接地，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，空間輻射出來的微波信號將在腔體內(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衰減空間中的耦合信號減輕諧振，此外還需要通過合理的腔體設(shè)計來進一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)，解決電路諧振的問題[5]。為了解決空間耦合信號，星載高功率固態(tài)功放內(nèi)的各級放大器均放置在相對獨立的腔體中，腔體采用導(dǎo)電性良好的金屬材料制作，各個腔體不共用蓋板，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分布為：

對固態(tài)功放而言，內(nèi)部放大鏈中各個腔體內(nèi)都存在電場、磁場的分量，這些分量與諧振腔模式下分布場的幅相一致時，就發(fā)生了諧振，對應(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。

通過式(10)就可以計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離諧振頻率，再配合吸波材料的使用，模擬開放空間的場邊界條件，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。對星載高功率固態(tài)功放來說，空間中帶電粒子注入天線形成誘導(dǎo)電流，隨后經(jīng)過饋網(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，脈寬可達數(shù)微秒，在脈沖接收回路中激起的瞬態(tài)過程中伴隨著幅度衰減形成振鈴波，其衰減振蕩特性與整個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，對誘導(dǎo)電流最敏感的就是微波功率晶體管，為了保護微波功率晶體管不受靜電效應(yīng)損傷，設(shè)計必要的低損耗放電回路是必要的。

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

當誘導(dǎo)電流從天線導(dǎo)入后，在星載高功率組件內(nèi)部存在兩個放電回路?；芈?中的電流通過電感短路到地，回路2中的電流被微波功率晶體管后端的隔直電容阻斷，不會對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被擊穿。該放電回路的設(shè)計可以有效保護微波功率晶體管不受靜電放電效應(yīng)的影響，經(jīng)試驗驗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 試驗驗證

3.1 檢測方法

根據(jù)上述手段設(shè)計出的星載高功率固態(tài)功放，其熱設(shè)計、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、運輸?shù)榷紩绊懽罱K產(chǎn)品的狀態(tài)，因此，必須對固態(tài)功放進行全面的空間環(huán)境試驗驗證。

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

根據(jù)需要驗證的試驗種類，搭建了完整的真空環(huán)境試驗驗證系統(tǒng)。在這個驗證系統(tǒng)中，采用高壓冷陰極自由電子源來激發(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)測系統(tǒng)實時監(jiān)測。另外通過在固態(tài)功放上粘貼熱電偶的方式檢測各個關(guān)鍵器件的工作溫度，并利用耦合信號監(jiān)測固態(tài)功放的全溫電性能穩(wěn)定性，確認電磁兼容設(shè)計的有效性。該試驗?zāi)軌蚩己撕万炞C星載高功率固態(tài)功放的真空環(huán)境適應(yīng)性，試驗框圖如圖9所示。

3.2 試驗結(jié)果

星載高功率固態(tài)功放在真空試驗中的熱設(shè)計實測數(shù)據(jù)見表5，微放電驗證數(shù)據(jù)見表6，電磁兼容性驗證數(shù)據(jù)見表7。

4 結(jié)論

本文從熱設(shè)計、微放電防護設(shè)計、電磁兼容設(shè)計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)射機隨整星開展應(yīng)用。

表5 固態(tài)功放真空環(huán)境試驗數(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)境試驗數(shù)據(jù)3Tab.7 Vacuum enviroment experiment data 3 of solid state PA

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