室外型S頻段600 W固態(tài)高功放設計與實現

李少波，羅又天

(1.中國電子科技集團公司航天信息應用技術重點實驗室，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；3.北京空間信息中繼傳輸技術研究中心，北京 100094)

室外型S頻段600W固態(tài)高功放設計與實現

李少波1,2，羅又天3

(1.中國電子科技集團公司航天信息應用技術重點實驗室，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；3.北京空間信息中繼傳輸技術研究中心，北京 100094)

針對在執(zhí)行航天測控任務時系統(tǒng)上行鏈路需配備功率放大器的需要，同時對比傳統(tǒng)室內型高功放的優(yōu)缺點，提出一種室外型S頻段室外型600 W固態(tài)高功放的設計方案，詳細闡述了同軸功率合成和均熱板集成散熱，整理了固態(tài)高功放設計過程中的核心技術，結合整機在系統(tǒng)中的應用給出了功放的測試數據并進行了分析。設計的室外型S頻段600 W功率放大器已成功應用于實際工程中。

USB；測控；室外型；功率放大器

0 引言

S頻段統(tǒng)一測控系統(tǒng)(USB)測量精度高、可靠性好[1]，通常配備室內型高功放。室內型高功放具有性能穩(wěn)定、成熟可靠等優(yōu)點，但因其體積較大、整機功耗高等限制了在某些特定場合的應用。當前測控設備的上行遙控信號的傳輸趨于向多載波、高速率和大容量方向發(fā)展[2]。USB系統(tǒng)中上行鏈路高功放作為上行遙控指令發(fā)送的關鍵設備[3]，對高功放可靠性、整機效率、小體積和工作帶寬提出了更高要求[4]。本文在前人研究的基礎上，對比傳統(tǒng)觀的室內型高功放，設計實現了室外型S頻段600 W固態(tài)高功放，其具有室外環(huán)境適應能力強、整機效率高、工作噪音低、電磁兼容性好和可靠性高等特點[5]，可以在實際工程中成熟應用于上行鏈路射頻信號的功率放大。

1 功放整機工作原理

固態(tài)功率放大器具有瞬時帶寬寬、效率高、可靠性高、壽命長、體積小、重量輕和控制方便等特點[6-7]。高輸出功率、高效率和高線性度的固態(tài)功率放大器已廣泛應用于我國統(tǒng)一測控系統(tǒng)中。室外型S頻段600 W功率放大器應用于某S頻段統(tǒng)一測控系統(tǒng)中，安裝在天線維修平臺。固態(tài)高功放總體工作原理如圖1所示。

圖1 功放總體工作原理

電平控制器完成對輸入信號的電平檢測和信號的初級放大，同時可以完成對整個鏈路的衰減控制；驅動放大器完成2條射頻鏈路的中功率放大，并且可以調節(jié)每條鏈路的相位，以保證最終功率合成時在同軸合成端口2路大功率信號的相位一致[8]；末級放大器為可輸出400 W的大功率模塊，以通過同軸功率合成器實現功率信號的合成；合成后的功率信號通過同軸環(huán)形器和耦合器后在機箱面板實現600 W功率信號的輸出；控保單元負責整機內部電壓/電流/溫度/輸出功率值的檢測以及功放ALC功能，同時與本控軟件進行數據交互通信；AC-DC電源模塊為整機提供多路、多種大功率和小功率直流電壓，保證整機正常工作；采用功率管整體焊接在紫銅板以及與均熱板相結合的方式通過大功率、低噪音軸流風機實現功放工作時熱量的耗散[9]；采用密封橡膠圈、防水風機、工作區(qū)與散熱區(qū)完全隔離等多種方式實現整機室外環(huán)境適應性[10]。

2 關鍵技術

2.1 合理增益設計

室外型高功放輸入射頻信號電平設計為-20 dBm，輸出功率信號電平高達57.8 dBm(600 W)，整機增益≥78 dB。功放激勵輸入端口選用低噪聲放大器以保證整機鏈路的噪聲功率譜密度，同時輸入端口增加隔離器以改善輸入駐波。在多級放大鏈路中間串入窄帶收阻濾波器同時合理分配增益和良好匹配輸入/輸出端口[11]，才能消除信號自激并保證輸出信號信噪比。

固態(tài)高功放整機增益設計如圖2所示。

圖2 功放整機增益設計

2.2 緊湊散熱結構

功放熱設計是功放能否穩(wěn)定工作的前提條件[12]。在功放整體熱設計中，采用末級功率管整體焊接在8 mm紫銅板上、末級功率放大器屏蔽盒通過導熱酯緊密貼在均熱板上、合理設計強迫風冷通道等措施[13]，保證在環(huán)境溫度+55 ℃條件下，末級功率管處最高溫度為83 ℃，小于等于末級功率管正常工作最高溫度94 ℃。室外型S頻段600 W固態(tài)高功放熱仿真溫度云圖如圖3所示。

圖3 室外型S頻段600 W固態(tài)高功放熱仿真溫度云圖

3 需要考慮的方面

目前我國USB系統(tǒng)中大部分安裝室內型高功放，少量系統(tǒng)安裝國外進口室外型高功放，且功率值≤500 W。國內尚無室外型S頻段600 W固態(tài)高功放的成熟產品和應用先例[14]，因此在高功放前期設計與研制過程中，需要重點考慮同軸功率輸出、緊湊結構設計和合理散熱2個方面[15]，同時結合使用要求提出最佳解決方案。

① 同軸功率輸出。以往S頻段統(tǒng)一測控系統(tǒng)中的高功放功率發(fā)射饋線采用波導形式，功放設備安裝在室內。S頻段傳輸波導尺寸較大，在某些中心體結構安裝空間受限的USB系統(tǒng)必須采用同軸形式以滿足結構安裝和設備維護空間需求[9]。因此需選用耐功率值≥1 000 W的同軸功率合成器、同軸環(huán)形器、同軸耦合器以及同軸傳輸電纜，同時保證在室外寬溫工作條件下性能指標的一致性。

② 緊湊結構設計和合理散熱形式。傳統(tǒng)S頻段室內型1 000 W高功放采用1個40 U標準機柜實現，室外型S頻段600 W固態(tài)高功放安裝在天線維修平臺，安裝和維護空間受限，需采用結構高度集成、防護密封全面的措施[14]；結構緊湊造成單位面積內散熱量大幅增加，需要在以往強迫風冷[16]措施的基礎上，采用功率熱源安裝在紫銅板上、均熱板快速傳遞熱量等更高效的散熱途徑，以疏散功放工作時的熱量[17]。

4 整機測試數據分析

室外型S頻段600 W固態(tài)高功放在USB系統(tǒng)中，以在線熱備份形式安裝，通過同軸耐功率電纜將功率信號傳輸至中心體發(fā)射饋源網絡。功放整機的參數測試數據如表1所示。

表1 室外型S頻段600 W固態(tài)高功放主要參數測試數據

測試項目測試數據P-1輸出功率/W整機增益/dB幅相變換/((°)/dB)三階交調/dBc帶內群時延變化/ns功率穩(wěn)定性/dB輸出功率信號相噪63778．13．1-31．70．27-0．27/24h～+0．39/24h較輸入信號不惡化

由固態(tài)高功放測試數據可以分析得出，高功放的輸出功率達到了系統(tǒng)所需的功率，同時各項參數測試數據均與國外進口室外型功放相當。相對以往傳統(tǒng)的室內型高功放[18]，室外型S頻段600 W固態(tài)高功放的輸出功率高且整機設計先進、可靠，同時具有結構緊湊、性能優(yōu)良和電磁兼容性好等優(yōu)點[19]。但因天線維修平臺空間受限、功放整機組成復雜以及內部快速可插拔模塊較少，造成系統(tǒng)安裝完畢后功放維修比較困難[20]。在未來系統(tǒng)應用中需要通過優(yōu)化功放內部結構布局[21]、加強功率模塊模塊化設計來提高功放的可維修性。

5 結束語

隨著我國航天事業(yè)的快速發(fā)展，S頻段統(tǒng)一系統(tǒng)作為航天測控任務的主力設備，其測控功能及作用越加重要。S頻段室外型600 W固態(tài)高功放在具備傳統(tǒng)室內型功放性能指標基礎上，同時還具有整機體積小、環(huán)境適應性好和結構安裝方便等先進性優(yōu)勢，完全可以應用到USB系統(tǒng)中。在后續(xù)的功放設計過程中，需要和天伺饋分系統(tǒng)的維修平臺進行整體結構設計，同時著重提高功放的可維修性設計。室外型功放的設計和研制比室內型功放要復雜，應重點考慮高效熱量耗散、整機重量及噪音等因素，需要在后續(xù)工程研制中不斷探索總結，以不斷提升國內室外型功放的設計水平。

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TheDesignandImplementationofOutdoorSBand600WSolid-statePowerAmplifier

LI Shaobo1,2,LUO Youtian3

(1.CETCKeyLaboratoryofSpaceInformationApplicationTechnology,Shijiazhuang050081,China;2.The54thResearchInstituteofCETC,Shijiazhuang050081,China;3.BeijingSpaceInformationRelayandTransmissionTechnologyCenter,Beijing100094,China)

Based on the requirement for the high power amplifier in the up-link of the USB system in implementing the TT&C task,and in comparison with the advantage and disadvantage of traditional indoor power amplifier,this paper introduces the design scheme of the outdoor S band 600 W power amplifier and particularly expatiates the technique of high power synthesizing using coaxial mode and the technique of high integrated radiating.Based on these techniques,the key methods of the power amplifier are described and the testing data embedded in the TT&C system is listed and analyzed.The outdoor 600 W high power amplifier has been successfully applied in some TT&C system.

USB;telemetry & control;outdoor;high power amplifier

2017-03-04

國家高技術研究發(fā)展計劃(“863”計劃)基金資助項目(2013AA122105)

10.3969/j.issn.1003-3106.2018.01.17

李少波,羅又天.室外型S頻段600 W固態(tài)高功放設計與實現[J].無線電工程,2018,48(1):80-82.[LI Shaobo,LUO Youtian.The Design and Implementation of Outdoor S Band 600 W Solid-state Power Amplifier[J].Radio Engineering,2018,48(1)：80-82.]

V556

A

1003-3106(2018)01-0080-03

李少波男，(1986—)，畢業(yè)于北京航空航天大學電子信息工程專業(yè)，碩士，工程師。主要研究方向：航天測控總體設計。

羅又天男，(1989—)，碩士，工程師。主要研究方向：航天測控工程應用。