國(guó)外SAR衛(wèi)星T/R模塊電源單元設(shè)計(jì)分析與啟示

張曉峰 李海津 藏潔 田鵬

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

合成孔徑雷達(dá)(SAR)衛(wèi)星通常在低地球軌道運(yùn)行，具有全天時(shí)、全天候的高分辨率大范圍對(duì)地觀測(cè)能力，被廣泛應(yīng)用于海洋陸地觀測(cè)、地形測(cè)繪等領(lǐng)域。SAR天線通常是有源相控陣型天線，由多個(gè)相同的陣面組成，每個(gè)陣面由幾個(gè)輻射子陣面組成，用于發(fā)送和接收信號(hào)[1]。每個(gè)子陣面包括發(fā)送器和接收器模塊(T/R模塊)。SAR天線的架構(gòu)可以是分布式或者集中式。分布式架構(gòu)中，每個(gè)子板面對(duì)應(yīng)一個(gè)專(zhuān)用T/R模塊、控制單元和電源單元(PSU)；集中式架構(gòu)中，一個(gè)電源單元為多個(gè)發(fā)射器/接收器(T/R)模塊供電[2]。由于SAR天線具有脈沖、高峰值功率的工作特點(diǎn)，對(duì)T/R模塊電源單元的供電質(zhì)量、體積、質(zhì)量等均提出了特殊要求[3-6]：

(1)電源的可靠性設(shè)計(jì)對(duì)于T/R模塊的PSU極為重要。T/R模塊工作在脈沖模式，脈沖重復(fù)頻率(PRF)一般在1500 Hz和5000 Hz之間，占空比一般為0～10%。當(dāng)發(fā)射器被激活時(shí)，在天線側(cè)產(chǎn)生數(shù)千瓦的射頻脈沖，T/R模塊會(huì)產(chǎn)生大電流，此時(shí)在T/R模塊PSU輸入電源線上會(huì)存在很大的傳導(dǎo)干擾。這就要求精確設(shè)計(jì)PSU，避免高脈沖功率對(duì)其他有效載荷和航天器上其他關(guān)鍵設(shè)備造成干擾。另外，大功率脈沖功率也會(huì)影響T/R模塊的電能質(zhì)量，為了保證高質(zhì)量供電需要對(duì)PSU進(jìn)行嚴(yán)格設(shè)計(jì)，包括對(duì)PSU的功率和控制回路進(jìn)行優(yōu)化。

(2)SAR衛(wèi)星在體積分配和熱設(shè)計(jì)方面對(duì)T/R模塊PSU的設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)格的限制。PSU必須定制設(shè)計(jì)適應(yīng)SAR的天線結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)最佳的電氣性能。并且還需要在有限的空間里安裝足夠容量的濾波器實(shí)現(xiàn)PRF頻率點(diǎn)的濾波。另外，PSU中印刷電路板的固定點(diǎn)數(shù)量和位置也需要嚴(yán)格設(shè)計(jì)以滿足機(jī)械和熱設(shè)計(jì)的約束。

由上述特點(diǎn)可見(jiàn)T/R模塊PSU的約束條件多、設(shè)計(jì)難度大，因此本文對(duì)國(guó)外具有代表性的地中海盆地觀測(cè)小衛(wèi)星星座(COSMO-SkyMed)、“哨兵-1”(Sentinel-1)衛(wèi)星和阿根廷微波對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星(SAOCOM-1A)等SAR衛(wèi)星中的T/R模塊PSU進(jìn)行了詳細(xì)地介紹，對(duì)比了關(guān)鍵性能參數(shù)，分析提煉了T/R模塊PSU的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，可為后續(xù)其他SAR衛(wèi)星T/R模塊PSU的設(shè)計(jì)提供參考。

1 國(guó)外SAR衛(wèi)星T/R電源設(shè)計(jì)分析

1.1 COSMO-SkyMed的T/R電源介紹

COSMO-SkyMed包括4顆衛(wèi)星，是意大利航天局和國(guó)防部合作項(xiàng)目，由阿萊尼亞宇航公司(Thales Alenia Space)制造，用于地中海周邊地區(qū)的監(jiān)測(cè)和海洋污染治理。搭載了X頻段合成孔徑雷達(dá)，分辨率1 m，能夠在任何氣象條件下觀測(cè)地球，首顆衛(wèi)星于2007年6月8日發(fā)射。自2007年發(fā)射以來(lái)，COSMO-SkyMed的瓦片供電單元(TPSU)已經(jīng)通過(guò)飛行認(rèn)證，并在該星座的4顆衛(wèi)星上應(yīng)用。其工作溫度范圍為-35 ℃～+60 ℃。共有320個(gè)TPSU安裝在衛(wèi)星上(每個(gè)SAR天線上80個(gè))[7]。以下分析COSMO-SkyMed衛(wèi)星TPSU的設(shè)計(jì)方案特點(diǎn)。

1.1.1 COSMO-SkyMed T/R模塊TPSU方案設(shè)計(jì)

COSMO-SkyMed T/R模塊TPSU的主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1[8]。

表1 COSMO-SkyMed TPSU指標(biāo)

注：@PRF表示電流在脈沖重復(fù)頻率點(diǎn)下的紋波值。

TPSU的功能如圖1所示。TPSU采用集中式供電架構(gòu)，1個(gè)TPSU可以為16個(gè)T/R模塊提供電能。如圖1所示，TPSU由以下兩部分組成。

(1)雙降壓變換器，作為主電源，用于為發(fā)射器和接收器模塊提供電源。

(2)反激式變換器，作為輔助電源，用于為發(fā)射器和接收器數(shù)字和模擬電子模塊生成所有內(nèi)部輔助電源和低功率輔助電壓。

該方案主要的特點(diǎn)有：

(1)該TPSU的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是尺寸和效率，以實(shí)現(xiàn)SAR天線空間分配問(wèn)題的最小化設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)TPSU的體積、質(zhì)量最小化設(shè)計(jì)，TPSU采用印刷電路板加輸出線，集成到SAR天線板結(jié)構(gòu)中。電氣隔離和主母線輸入濾波器位于衛(wèi)星平臺(tái)上的專(zhuān)用SAR天線電源(SAPS)中。此外，由于TPSU尺寸限制，V1和V2上的所有輸出電容濾波器都安裝于射頻模塊中。

(2)為了獲得最大效率，降壓功率變換器采用了同步整流技術(shù)。所有控制電路都安裝在厚膜混合物內(nèi)，厚膜混合物是一種基于多層陶瓷襯底的材料，用來(lái)優(yōu)化熱管理。

(3)V1(發(fā)射器)和V2(接收器)電源調(diào)節(jié)器的控制環(huán)路帶寬設(shè)計(jì)在保證電能質(zhì)量的前提下，在輸入電流紋波(傳導(dǎo)干擾)和輸出電壓濾波器之間獲得了最佳折衷。

(4)TPSU具有完備的保護(hù)功能，主要包括：過(guò)流保護(hù)可在下游負(fù)載故障時(shí)保護(hù)TPSU或主母線；在負(fù)載供電線路中加入熔斷器保護(hù)線路；在欠壓恢復(fù)后，TPSU將自動(dòng)啟動(dòng)，輸出電壓按預(yù)定順序定時(shí)接通和斷開(kāi)。

(5)保證機(jī)械和熱安全裕度。TPSU采用了八個(gè)連接點(diǎn)可確保在規(guī)定的振動(dòng)水平下的機(jī)械安全裕度。散熱設(shè)計(jì)基于任務(wù)環(huán)境條件，通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的固定點(diǎn)和安裝關(guān)鍵部件散熱器，實(shí)現(xiàn)SAR天線熱控制系統(tǒng)中熱阻最小化。

圖1 COSMO-SkyMed電源單元的功能框圖Fig.1 Functional diagram for PSU in COSMO-SkyMed

1.1.2 COSMO-SkyMed T/R模塊TPSU性能

1)動(dòng)態(tài)性能

測(cè)試中V1輸出端安裝的電容為7200 pF，V2輸出端安裝的電容為2400 pF。輸出電壓控制環(huán)路帶寬設(shè)定為1 kHz。圖2給出了空載時(shí)+8.5 V輸出的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)測(cè)試結(jié)果，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間10 ms，超調(diào)量5%[9]。圖2中，橫坐標(biāo)為時(shí)間刻度為每格5 ms，縱坐標(biāo)輸出電壓V1刻度為每格0.2 V。由圖2可知，輸出具有較高的動(dòng)態(tài)性能。

2)電磁干擾(EMI)性能

傳導(dǎo)干擾由TPSU的控制環(huán)路和TPSU以及SAR天線電源(SAPS)的濾波器兩個(gè)方面決定。EMI測(cè)試可以評(píng)估TPSU對(duì)系統(tǒng)中其他設(shè)備產(chǎn)生的干擾。EMI測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3(TPSU的輸入電源線)和圖4(主母線電源線，SAPS的輸入端)[7]。為了直觀表示，圖3、4中橫坐標(biāo)采用了對(duì)數(shù)坐標(biāo)。

圖2 負(fù)載變化時(shí)+8.5 V負(fù)載模塊輸出波形Fig.2 Load change waveform of +8.5V load module

圖3 TPSU輸入電源線測(cè)試結(jié)果(差模，頻率范圍0～50 MHz)Fig.3 Input bus of TPSU (differential signal 0～50MHz)

圖4 主母線(SAPS輸入)測(cè)試結(jié)果(差模，頻率范圍0～50 MHz)

3)尺寸質(zhì)量性能

TPSU在最大功率130 W下的效率大于81%。TPSU質(zhì)量為460 g，尺寸參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 TPSU機(jī)械參數(shù)

1.2 “哨兵-1”衛(wèi)星 T/R電源介紹

“哨兵-1”(Sentinel-1)衛(wèi)星是歐洲航天局哥白尼

計(jì)劃(GMES)的地球觀測(cè)衛(wèi)星，Sentinel-1衛(wèi)星載有C頻段合成孔徑雷達(dá)，用于監(jiān)測(cè)海洋環(huán)境、地表運(yùn)動(dòng)、勘測(cè)地表等。Sentinel-1衛(wèi)星在2014年4月3日由聯(lián)盟號(hào)火箭發(fā)射升空，其PSU于2010年通過(guò)認(rèn)證，溫度范圍為-35℃～+65℃。每個(gè)Sentinel-1衛(wèi)星上采用了28個(gè)PSU。以下分析Sentinel-1衛(wèi)星T/R電源的方案特點(diǎn)。

1.2.1 Sentinel-1 T/R模塊PSU方案設(shè)計(jì)

Sentinel-1衛(wèi)星中PSU的主要指標(biāo)見(jiàn)表3[10]。

表3 Sentinel-1衛(wèi)星PSU指標(biāo)

PSU的功能如圖5所示。PSU由兩個(gè)主變換單元第一個(gè)負(fù)責(zé)為發(fā)送(TX)電源線供電(V1)，由于有隔離的要求采用了推挽電路。第二個(gè)為反激電路，負(fù)責(zé)為接收(RX)電源(V2)供電并提供三路輔助電路電壓，分別是功率部分偏置(V3)，正數(shù)字控制電路電源(V4)和負(fù)數(shù)字控制電路電源(V5)。

Sentinel-1衛(wèi)星PSU具有如下主要特點(diǎn)如下：

(1)輸入電流紋波要求更為嚴(yán)格，峰峰值為50 mA，避免了對(duì)其它設(shè)備的干擾。

(2)所有輸出均采用了變壓器隔離，具有更強(qiáng)的EMI干擾隔離能力。

(3)PSU安裝在專(zhuān)用機(jī)械盒中，具有更強(qiáng)的抗干擾、抗輻照能力。

(4)PSU的輸出存在大的電容濾波器，V1和V2線路上存在放電器電路，以便快速釋放電容電壓。

圖5 Sentinel-1衛(wèi)星PSU功能框圖Fig. 5 Functional Diagram of PSU for Sentinel-1

1.2.2 T/R模塊PSU性能

1)靜態(tài)輸入/輸出性能

為了實(shí)現(xiàn)PRF的電壓響應(yīng)和一次電源側(cè)電流紋波的折衷，以V1輸出為例，調(diào)節(jié)器帶寬設(shè)置為500 Hz。PSU的輸入母線電流、輸出電壓和電流的波形如圖6所示[10]，圖6中橫坐標(biāo)為時(shí)間刻度為每格100 ms，縱坐標(biāo)輸入母線電流紋波刻度為每格0.1 A，輸出電壓V1刻度為每格0.1 V，輸出電流刻度為每格10 A。從測(cè)試結(jié)果看，主母線輸入側(cè)的電流紋波極小，幅值為50 mA。

圖6 輸入輸出波形Fig.6 Input and output waveform

2)動(dòng)態(tài)性能

圖7給出了負(fù)載階躍時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形，負(fù)載從100%到空載再到100%，期間空載持續(xù)時(shí)間8 ms，從波形中可以看出動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間低于10 ms[10]。圖7中，橫坐標(biāo)為時(shí)間刻度為每格5 ms，縱坐標(biāo)輸出電壓V1刻度為每格0.2 V，負(fù)載開(kāi)關(guān)信號(hào)刻度為每格2.5 V。

3)尺寸質(zhì)量性能

PSU在最大輸出功率點(diǎn)的效率高于82%，PSU的尺寸和質(zhì)量見(jiàn)表4。

表4 PSU機(jī)械參數(shù)

1.3 阿根廷微波對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星T/R電源介紹

阿根廷微波對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星(SAOCOM-1A)是由阿根廷宇航局負(fù)責(zé)研制的一顆L頻段地球觀測(cè)衛(wèi)星。核心目標(biāo)是測(cè)量土壤濕度、監(jiān)測(cè)洪水淹沒(méi)范圍等。實(shí)時(shí)和存儲(chǔ)模式的空間分辨率10～100 m。SAOCOM-1A已于2018年10月8日發(fā)射成功，SAOCOM-1B預(yù)計(jì)2020年發(fā)射。以下分析SAOCOM-1A衛(wèi)星PSU技術(shù)方案的特點(diǎn)[11]。

1.3.1 SAOCOM-1A的T/R模塊PSU方案設(shè)計(jì)

SAOCOM-1A的PSU主要指標(biāo)見(jiàn)表5[11]。

圖8給出了SAOCOM-1A的PSU功能框圖，SAOCOM-1A的PSU具有如下主要特點(diǎn)。

(1)PSU只通過(guò)一個(gè)變換器，實(shí)現(xiàn)輸出側(cè)的電氣隔離，變壓器副邊的5個(gè)低壓穩(wěn)壓器提供所需的輸出電壓。

(2)V1和V2線路上存在大的濾波電容，因此每個(gè)線路上安裝有泄放電路，以便快速釋放這些電壓。此外，電路具有保護(hù)單元，當(dāng)輸出發(fā)生短路時(shí)受到保護(hù)。

(3)雖然SAOCOM-1A的PSU功率較小，但PSU必須滿足輸出電壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)和穩(wěn)態(tài)紋波以及最大傳導(dǎo)發(fā)射方面的嚴(yán)格要求。EMI的限制主要通過(guò)PSU的輸入濾波器來(lái)滿足。由于采用了分布式架構(gòu)，每個(gè)T/R模塊有一個(gè)PSU，輸入濾波器必須限制在非常緊湊的空間?？紤]到存在大量的PSU，選擇了一種解決方案，其中所有PSU電路和控制部分安裝在厚膜混合物，將體積大的輸入濾波器集中留在外面。將1540 pF的輸出濾波電容集中安裝在PSU的V1輸出線路上。

表5 SAOCOM-1A的PSU 指標(biāo)

圖8 SAOCOM-1A的PSU功能框圖Fig. 8 Functional Diagram of PSU for SAOCOM-1A

1.3.2 SAOCOM-1A的T/R模塊PSU性能

1)靜態(tài)輸入/輸出性能

主變換器帶寬、輸入和輸出濾波器尺寸以體積最小化為目標(biāo)進(jìn)行折中設(shè)計(jì)。V1輸出濾波電容3000 pF(PSU中為1540 pF)。電壓控制環(huán)路的帶寬設(shè)置為1 kHz。輸入電流的特性見(jiàn)圖9[11]，圖9中橫坐標(biāo)為時(shí)間刻度為每格500 μs，縱坐標(biāo)輸出電壓V1紋波刻度為每格0.5 mV，輸入紋波刻度為每格10 mA，從波形中可以看出輸入電流在PRF頻率下的峰峰值為12 mA。

圖9 輸入電流波形Fig.9 Input and output current waveforms

2)動(dòng)態(tài)性能

發(fā)射器開(kāi)機(jī)時(shí)的動(dòng)態(tài)波形如圖10所示，開(kāi)始收到TX ON命令(V1工作在半載)。然后，接收RF ON命令(V1工作在滿載)。圖10中，橫坐標(biāo)為時(shí)間刻度為每格10 ms，縱坐標(biāo)輸出電壓V1刻度為每格0.5 V，負(fù)載電流刻度為每格1 A。從實(shí)驗(yàn)波形中可知，PSU輸出的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間小于45 ms，V1電壓瞬態(tài)范圍保持在9.6～11.3 V，PRF頻率下的V1紋波約為280 mVpp。

3)尺寸質(zhì)量性能

PSU在額定功率輸出(20.75 W)下的效率高于68.5%。SAOCOM-1A的PSU尺寸和質(zhì)量見(jiàn)表6。

圖10 TX ON和RF ON時(shí)的V1瞬態(tài)波形Fig.10 V1 dynamic waveforms under TX ON and RF ON

項(xiàng)目數(shù)值尺寸(長(zhǎng),寬,高)/mm135×85×24質(zhì)量/g350

2 T/R模塊電源需求特點(diǎn)分析

總結(jié)上述3個(gè)國(guó)外典型SAR衛(wèi)星T/R模塊的PSU，它們的參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表7，通過(guò)對(duì)比可以得到T/R模塊PSU的特點(diǎn)。

(1)PSU是一種多路輸出電源，需要為多個(gè)負(fù)載提供功率，具體的輸出要求為：①為發(fā)射器提供主功率電源；②為接收器提供主功率電源；③提供T/R模塊的小功率低壓電源；④提供控制邏輯電路的小功率低壓電源；⑤輸出需要安裝可控開(kāi)關(guān)；⑥需要安裝TX/RX輸出電容的泄放電路。

(2)PSU必須根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)合適應(yīng)SAR天線配置嚴(yán)苛的空間布局要求，優(yōu)化設(shè)計(jì)主電路濾波器和主調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)性能，保證輸出電能質(zhì)量，提升電源單元的EMC性能、降低輸出電壓紋波和輸入電流紋波。

T/R模塊PSU輸出需要具有較小的電壓紋波，保證供電質(zhì)量。對(duì)于大功率輸出，輸出紋波的范圍通常為幾百毫伏，對(duì)小功率輸出通常為幾十毫伏。同時(shí)，PRF頻率處的輸入電流紋波必須控制在允許范圍，從而避免SAR天線工作期間對(duì)其他用電設(shè)備產(chǎn)生干擾。

(3)PSU需要提供保護(hù)(輸入/輸出過(guò)流，輸入欠壓，內(nèi)部輔電的欠壓/過(guò)壓)、遙測(cè)(輸入電流/輸出電壓、溫度等)。為了提升EMI性能，通常還需要加入外部同步。

3 T/R模塊電源設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1)輸入電壓選擇及電路拓?fù)浜Y選

由于SAR天線峰值功率大，T/R模塊的PSU通常采用不調(diào)節(jié)母線供電。因此，輸入電壓范圍較寬，其值是蓄電池組電壓范圍，從表7中可以看出3種PSU的輸入范圍接近，通常在38～65 V。

在電路拓?fù)溥x擇上，3種SAR中T/R模塊PSU均采用了分布式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中采用了多個(gè)PSU供電，提高了供電的可靠性。因此每個(gè)PSU功率比較小(單個(gè)PSU功率在200 W以下)，主要選擇小功率下具有較高效率的Buck電路、推挽電路和反激電路等，如圖11所示。由表7可以看出，COSMO-Skymed和Sentinel-1的T/R模塊PSU均采用了兩種拓?fù)浣M合，功率較大的采用了Buck電路或推挽電路，而功率較小的部分采用了反激電路。SAOCOM-1A的PSU由于整體功率比較小因而只采用了一個(gè)推挽電路。

表7 3種PSU的參數(shù)對(duì)比

圖11 部分可選電路拓?fù)銯ig. 11 Some options of circuit topology

2)濾波電容設(shè)計(jì)約束

PSU濾波電容大小主要是由功率器件開(kāi)關(guān)頻率、動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)要求等決定。與一般電源不同，T/R模塊電源為了滿足輸入電流紋波的要求，需要通過(guò)輸出電容對(duì)脈沖負(fù)荷引起的功率波動(dòng)進(jìn)行平抑，減小輸入功率的波動(dòng)，從而避免T/R模塊脈沖工作對(duì)一次母線上其他設(shè)備的干擾。例如，COSMO-Skymed的V1輸出電容為7200 pF，SAOCOM-1A的V1輸出電容為3000 pF。

由于T/R電源負(fù)載脈沖重復(fù)頻率較高、占空比較小，通過(guò)設(shè)置T/R電源的控制環(huán)路帶寬小于重復(fù)頻率PRF，等效于提高了變換器的輸出阻抗(如圖12所示)，使脈沖功率的輸出主要由電容提供，變換器的控制環(huán)路對(duì)于脈沖功率造成的輸出電壓波動(dòng)影響很小，從而降低輸入功率的波動(dòng)。從表7中可以看出3種T/R電源的控制帶寬均小于PRF。

圖12 輸出阻抗示意圖

脈沖功率輸出的示意如圖13所示。t0～t1階段，輸出功率由輸出電容提供，t1～t2階段，變換器給輸出電容充電。根據(jù)能量守恒，脈沖輸出的功率等于電容能量的減少，可以得到：

(1)

式中：D為脈沖功率的占空比(0～10%)，Vo為輸出電壓額定值，Io為最大負(fù)載電流，fPRF為PRF頻率，Co為輸出電容，Δvo為允許的輸出電壓波動(dòng)。

圖13 脈沖功率輸出示意圖Fig.13 Pulse output waveforms

通過(guò)簡(jiǎn)化式(1)，可以得到輸出電容容值的約束條件為

(2)

對(duì)于大電流輸出場(chǎng)合，需要格外注意電容的寄生電阻(ESR)，選取低ESR的電容，通常采用多組并聯(lián)形式。

3)多路輸出電源交叉調(diào)整率

T/R模塊PSU作為一個(gè)典型的多路輸出電源，并且多路之間功率大小差異較大。接收器和發(fā)射器支路的功率較大，其他路輔助電源支路功率較小。因此，T/R模塊PSU存在多路輸出交叉調(diào)整率問(wèn)題，同時(shí)T/R模塊PSU輸出電能品質(zhì)要求高，需要在電路設(shè)計(jì)方案中仔細(xì)考慮。

實(shí)現(xiàn)多路輸出可以采用單個(gè)變換器方案也可以采用多個(gè)變換器方案。如果T/R電源采用單個(gè)變換器的方案，可以通過(guò)高頻變壓器的多抽頭實(shí)現(xiàn)多路輸出，由于只能一路作為輸出電壓反饋，這樣會(huì)造成其他功率小的支路電壓變換范圍較大。此時(shí)，非反饋路需要采用線性穩(wěn)壓電路或者開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路保證輸出穩(wěn)定。SAOCOM-1A的T/R模塊電源就采用了單獨(dú)的支路作閉環(huán)反饋，其余支路均采用了線性穩(wěn)壓電路。這樣只適合于功率比較小的電路，如果功率比較大，系統(tǒng)的損耗將過(guò)大。

如果采用多個(gè)變換器方案，大功率的支路需要獨(dú)立的電壓反饋調(diào)節(jié)，其他小功率支路可以采用線性穩(wěn)壓電路，這樣可以保證所有支路均滿足穩(wěn)壓要求。文中介紹的COSMO-SkyMed的T/R電源，接收器和發(fā)射器均采用了一個(gè)Buck電路，其余輔助電源支路采用了反激電路供電。Sentinel-1同樣采用了兩個(gè)變換器，發(fā)射器采用了獨(dú)立的推挽電路。接收器與其他輔助供電采用一個(gè)反激電路，反激電路中接收器輸出支路采用了獨(dú)立的反饋調(diào)節(jié)，其余支路采用線性穩(wěn)壓。

4)輸出電容的泄放電路及軟啟動(dòng)

由于輸出電容的容值很大，因此需要設(shè)計(jì)泄放電路，在關(guān)機(jī)后能夠?qū)㈦娙萆系亩嘤嚯娏糠诺?，保證系統(tǒng)安全。Sentinel-1的接收器和發(fā)射器支路分別安裝了一個(gè)泄放電路。SAOCOM-1A中接收器和發(fā)射器支路共用一個(gè)泄放電路。另外，電路在啟動(dòng)時(shí)，需要為大的輸出電容設(shè)計(jì)軟啟動(dòng)方案。可以通過(guò)加入電感等硬件電路，也可以通過(guò)軟件方法控制占空比完成軟啟動(dòng)，抑制啟動(dòng)時(shí)的電流尖峰。

4 啟示

通過(guò)對(duì)國(guó)外COSMO-SkyMed、Sentinel-1、SAOCOM-1A等SAR衛(wèi)星T/R模塊PSU方案特點(diǎn)的分析總結(jié)，為我國(guó)SAR衛(wèi)星T/R模塊電源的研發(fā)提供了如下啟示。

1)開(kāi)展T/R電源功率變換拓?fù)湫侍嵘芯?/p>

SAR天線T/R模塊電源的體積、質(zhì)量有嚴(yán)格的限制，PSU通常沒(méi)有大面積的基板來(lái)散熱，熱量通常集中在有限數(shù)量的固定點(diǎn)處，電源的散熱壓力大。研究高效率的功率變換拓?fù)洌瑴p少功率變換損耗，能夠降低熱控壓力，極大提高電源的功率密度。因此，我國(guó)應(yīng)開(kāi)展功率變換拓?fù)湫侍嵘桨秆芯俊ㄐ滦透咝使β首儞Q拓?fù)溲芯?、新型碳化硅功率器?SiC)、氮化鎵器件(GaN)應(yīng)用研究、高效率控制方案研究等，通過(guò)多種途徑降低損耗并提升電源的功率密度。隨著SAR衛(wèi)星功率的增加，效率提升帶來(lái)的體積重量?jī)?yōu)勢(shì)將更加明顯。

2)加強(qiáng)T/R電源濾波器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究

濾波器的設(shè)計(jì)是T/R電源PSU設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，SAR天線T/R模塊的電源單元需要在高功率脈沖操作期間穩(wěn)定運(yùn)行，并且必須滿足傳導(dǎo)發(fā)射和輸出電壓紋波方面的嚴(yán)格要求。因此，需要在有限的可用空間及其他應(yīng)用需求下，進(jìn)行輸入和輸出濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。國(guó)外SAR衛(wèi)星T/R電源通常采用軟件控制策略與硬件電容濾波相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)體積和性能的折中。我國(guó)也應(yīng)開(kāi)展T/R電源濾波器設(shè)計(jì)方案的研究，除了探索軟硬件配合的方案外，還應(yīng)開(kāi)展新型濾波電源拓?fù)溲芯浚ㄟ^(guò)有源濾波等技術(shù)減小電容大小，進(jìn)而減小體積。此外，隨著SAR衛(wèi)星功率的不斷增加，PSU輸出電流成倍增加，我國(guó)也應(yīng)開(kāi)展大放電電流低ESR大容量電容的研制。

3)深入開(kāi)展T/R電源的可靠性研究

電源的可靠性是電源的一個(gè)重要的指標(biāo)，隨著SAR衛(wèi)星功率的增加，SAR天線供電方案的復(fù)雜度不斷增加。國(guó)外SAR衛(wèi)星的T/R模塊電源通常采用分布式架構(gòu)提升系統(tǒng)的可靠性。但是，分布式架構(gòu)為系統(tǒng)的保護(hù)提出了更大的挑戰(zhàn)，分布式架構(gòu)中任何模塊的短路故障均有可能造成整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。因此，PSU電源需要能夠快速隔離故障模塊，使故障影響范圍最小化，以避免天線模塊之間的故障擴(kuò)散。在分布式電源系統(tǒng)保護(hù)方面國(guó)內(nèi)外的研究均比較少，我國(guó)需要深入開(kāi)展電源可靠性研究，探索相應(yīng)的保護(hù)方法，對(duì)今后我國(guó)研制大功率SAR衛(wèi)星意義重大。

5 結(jié)束語(yǔ)

SAR衛(wèi)星的T/R模塊電源的設(shè)計(jì)約束條件多、設(shè)計(jì)難度大，本文對(duì)國(guó)外具有代表性的COSMO-SkyMed、Sentinel-1和SAOCOM-1A等SAR衛(wèi)星中的T/R模塊PSU分別進(jìn)行了詳細(xì)介紹，對(duì)比了PSU的主要技術(shù)指標(biāo)、電路拓?fù)?、主要功能、?dòng)靜態(tài)響應(yīng)、EMI性能、體積重量等關(guān)鍵參數(shù)，分析提煉出了T/R模塊PSU關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)思路與要點(diǎn)，包括了輸入電壓選擇、電路拓?fù)浜Y選、濾波電容設(shè)計(jì)、交叉調(diào)整率等方面，可為后續(xù)其他SAR衛(wèi)星T/R模塊PSU的設(shè)計(jì)提供參考。結(jié)合我國(guó)T/R模塊PSU的研究現(xiàn)狀，提出了我國(guó)SAR衛(wèi)星T/R模塊電源技術(shù)需要在以下3個(gè)方面進(jìn)行強(qiáng)化，包括開(kāi)展功率變換拓?fù)湫侍嵘芯?、加?qiáng)濾波器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究、并深入開(kāi)展T/R電源的可靠性研究。通過(guò)對(duì)以上方面的分析與思考為我國(guó)SAR衛(wèi)星T/R模塊電源的發(fā)展提供了建議。