深空探測(cè)用X波段固態(tài)放大器設(shè)計(jì)

車佳 黃碩 劉宇 張亮

(上海航天電子技術(shù)研究所,上海 201109)

深空探測(cè)用X波段固態(tài)放大器設(shè)計(jì)

車佳 黃碩 劉宇 張亮

(上海航天電子技術(shù)研究所,上海 201109)

為適應(yīng)深空探測(cè)中的初期下行鏈路建立需要,滿足任務(wù)中對(duì)測(cè)控?cái)?shù)傳分系統(tǒng)的功能、指標(biāo)需求,提出一種新型的X波段固態(tài)放大器設(shè)計(jì)方案。本固放可實(shí)現(xiàn)0.5W/10W功率切換輸出,且功耗較低。同時(shí),固放內(nèi)部包含DC-DC電源電壓轉(zhuǎn)換電路,實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)。本固放具有信號(hào)功率放大、抑制帶外雜波等功能,可與X頻段應(yīng)答機(jī)配合完成下行X頻段信號(hào)的發(fā)射,與地面測(cè)控站一起構(gòu)成X頻段下行鏈路。

深空探測(cè) X頻段固放 切換輸出功率 小型化

本文將提出一種新型的X波段固態(tài)放大器設(shè)計(jì)方案。本固放可實(shí)現(xiàn)0.5W/10W功率切換輸出，且功耗較低。同時(shí)，固放內(nèi)部包含DC-DC電源電壓轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)。該款固態(tài)功放將應(yīng)用于某型號(hào)深空探測(cè)測(cè)控、數(shù)傳分系統(tǒng)中。

1 技術(shù)要求

X波段固態(tài)放大器主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1所示。

2 任務(wù)分析及電路組成

固態(tài)放大器主要實(shí)現(xiàn)以下功能：(1)接收輸入信號(hào)，送入固放進(jìn)行功率放大；(2)通過(guò)遙控指令對(duì)固放電源開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制；(3)通過(guò)遙控指令對(duì)固放的輸出功率進(jìn)行選擇，選擇0.5W或10W輸出。

3 固放設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 小型化微波鏈路設(shè)計(jì)技術(shù)

微波放大鏈路部分主要由輸入隔離器、輸出隔離器、驅(qū)動(dòng)放大器與功率放大模塊組成。末級(jí)功率放大部分采用我所自研的功率放大模塊，該模塊主要功能為微波信號(hào)的功率放大，器件為一路輸入、兩路輸出的結(jié)構(gòu)形式，兩路微波功率輸出可獨(dú)立加電。器件采用微組裝工藝技術(shù)(MCM)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有小型化、高集成等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 輸出功率切換技術(shù)

表1 固態(tài)放大器電氣性能要求表

表2 功率放大模塊單路測(cè)試數(shù)據(jù)(Vd＝7V,Vg＝-0.65V,Id靜態(tài)＝1.90A)

圖1 微波放大鏈路設(shè)計(jì)

由于在深空探測(cè)過(guò)程中，在單機(jī)內(nèi)氣壓未完全釋放時(shí)，單機(jī)輸出高功率可能會(huì)引起低氣壓放電等現(xiàn)象，損壞內(nèi)部設(shè)備，因此在單機(jī)內(nèi)氣壓未完全釋放時(shí)，設(shè)置單機(jī)輸出功率為0.5W，防止設(shè)備損壞。繼電器在得到固放開(kāi)機(jī)遙控指令后進(jìn)行電源模塊的開(kāi)關(guān)控制，在得到切換0.5W/10W遙控指令后進(jìn)行DC-DC電源轉(zhuǎn)換電路輸出電壓的切換，通過(guò)繼電器的切換，電源模塊可將一次母線的28V電壓轉(zhuǎn)換成0.5W/10W輸出功率時(shí)微波鏈路中各級(jí)放大管的工作電壓，繼而完成輸出功率切換實(shí)現(xiàn)。

4 固放設(shè)計(jì)方案

微波功率放大鏈路為固放的必須電路部分，它將實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)功率放大。微波放大鏈路見(jiàn)圖1所示。

0.5W工作模式：輸入信號(hào)功率P=0～5dBm，經(jīng)隔離器、壓控衰減器后，微波信號(hào)進(jìn)入驅(qū)動(dòng)放大進(jìn)行放大；放大后的信號(hào)進(jìn)入末級(jí)功率放大模塊，設(shè)置功率模塊的兩路漏壓一路關(guān)閉，一路開(kāi)通，模塊放大后輸出功率為28dBm。經(jīng)隔離器的衰減后，最終鏈路輸出功率為27.5dBm(0.56W)，滿足指標(biāo)要求。

5 測(cè)試驗(yàn)證與指標(biāo)復(fù)算

本固放中，主要的功率器件為末級(jí)自研功率放大模塊，方案中，對(duì)該模塊進(jìn)行電壓降額設(shè)計(jì)，第一可降低芯片工作結(jié)溫，第二可以減少整機(jī)的功耗。

對(duì)該放大模塊中單路組件進(jìn)行漏級(jí)電源拉偏測(cè)試，按器件熱阻為4℃/W計(jì)算，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2所示。

從測(cè)試結(jié)果中可以看出：(1)當(dāng)單路功率組件的漏極為+7V，輸入功率為2dBm時(shí)，輸出功率38.3dBm，再通過(guò)后續(xù)的合成器，功率放大模塊可以輸出41dBm的功率；(2)當(dāng)單路功率組件的漏極為+4V，輸入功率為-8dBm時(shí)，輸出功率31.5dBm，再通過(guò)后續(xù)電路，功率放大模塊可以輸出28dBm的功率。

因此，通過(guò)電源轉(zhuǎn)換模塊調(diào)整功率放大模塊的漏極電壓，從+7V調(diào)整到+4V，可以實(shí)現(xiàn)固放輸出功率在10W和0.5W之間切換的功能，并且在切0.5W時(shí)固放的功耗明顯降低。

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種新型的X波段固態(tài)放大器設(shè)計(jì)方案，固放可實(shí)現(xiàn)0.5W/10W功率切換輸出，且功耗較低。同時(shí)，固放內(nèi)部包含DCDC電源電壓轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)自研功率放大模塊進(jìn)行電源拉偏測(cè)試，進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理性和可行性。各項(xiàng)指標(biāo)均符合分系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)要求，可用于深空探測(cè)X波段固態(tài)功放的研制工作。

[1]Raymond Basset High-Power GaAs FET Device Bias Considerations, Fujitsu application note number 110.

[2]Vincent, J.B. A 16W solid state MMIC X-band amplifier for TWT replacement. IEEE. 1996,2：749-752.

[3]Kai Chang. Microwave solid-state circuits and applications.New York：John Wiley & Sons,Inc.1994.

車佳(1976—),男,四川資中人,碩士,高級(jí)工程師,1999年畢業(yè)于北京航天航空大學(xué)電子工程專業(yè),現(xiàn)任上海航天電子技術(shù)研究所副總工程師,主要研究方向雷達(dá)接收機(jī)、頻率綜合器、宇航測(cè)控應(yīng)答機(jī)、數(shù)傳發(fā)射機(jī)、數(shù)據(jù)處理。