X频段室外型400 W功率放大器设计与实现

2017-03-02李少波戚开南

无线电工程 2017年3期

李少波，戚开南

(1.中国电子科技集团公司航天信息应用重点实验室，河北石家庄 050081；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081；3.电磁散射重点实验室，北京 100854)

李少波1,2，戚开南3

基于在执行航天测控X频段TT&C任务时上行链路需配备功率放大器的需要，给出了X频段室外型400 W功率放大器的设计方案，详细阐述了大功率整机合成技术和高效散热技术，明确了功放研制过程中的关键技术，结合系统测试给出了功放的测试数据并进行了分析。利用该方法设计的X频段室外型400 W功率放大器已成功应用在实际工程中。测试结果表明，功放的性能指标满足系统要求。

X频段；测控任务；室外型；功率放大器

0 引言

随着航天技术的快速发展，对测控设备的通信速率和测量精度要求日益增高。与传统的S频段相比，使用X频段作为测控设备的工作频率，其在较远作用距离、较低信噪比下所带来的测量精度的提高是显著的[1-2]。同时，现代测控设备的上行信号传输正向多载波、高速率和大容量方向快速发展。作为测控设备上行链路的重要部件，测控系统对上行链路中高功放的瞬时工作带宽、线性度、可靠性和整机效率等要求日趋严格[2]。本文设计实现的X频段室外型400 W功率放大器输出功率高，相频特性优良，整机噪音低，并且具备优异的电磁兼容特性，在实际工程中能实现上行链路射频信号的功率放大。

1 设计原理

X频段室外型400 W功放安装于天线叉臂，接收上行链路的X频段上行小信号，经功率放大后输出至天线馈源网络。功放总体工作原理如图1所示。

X频段室外型400 W功率放大器主要由激励级、80 W功率模块(共8路)、二进制波导功率合成网络(共3级)、微波网络(含耦合、滤波和开关切换等)、监控单元、散热模块和密封防护装置等组成。激励级采用低噪声放大器以保证功放整机输出功率信号具有较低的噪声功率谱密度[3]；8路80 W功率模块工作原理相同，均由2路60 W功率放大模块通过3 dB电桥合成而得；三级二进制功率合成网络将8路等幅等相功率信号进行合成后输出；后续耦合/滤波/开关切换等微波组件实现与天伺馈分系统天线馈源网络的连接；监控单元负责总体各部件的状态采集及开/闭环功率设置，同时实现与上位机通信；大功率线性电源为总体各模块提供多路加去电时序受控的直流电压；强迫风冷散热装置与功率模块底部预埋热管相结合实现大热量疏散；全密封防护装置实现整机室外工作的防雨和防尘等功能[4-5]。

图1 室外型功放总体工作原理

2 需要解决的问题

X频段室外型400 W高功放的安装方式对其六性要求更加严格，必须在保证性能指标满足系统要求的前提下完善六性设计方案、着重考虑室外恶劣环境下的大功率散热问题。同时，随天线俯仰角度的变化高功放的多个结构角度将直接面临防雨的苛刻要求，对结构的全密封防护要求更加严格。在高功放总体设计与研制过程中，主要解决的主要问题有：

① 大功率整机合成：应当采用模块级别合成方式提高功放的重用程度；同时需要通过高精度幅相调整和联动保护技术提高功放的保障性、可靠性及可维修性[6]；

② 联合控制保护：在整机研制过程中，必须通过过激保护、过驻波保护和过热保护等控保模块提高功放安全性、可靠性；

③ 高效散热：需要使用Icepack热设计仿真软件对功放散热方案进行仿真，优先选用强迫风冷与预埋热管相结合的方式实现高效散热[7]；

④ 全密封防护：功放安装在室外，需要通过采用扁平结构设计以降低设备重心增强随天线转动的结构稳定性能[8-9]；同时通过增强水密特性、增设安装吊环等技术提高功放的安全性和环境适应性。

3 关键技术

3.1 大功率合成技术

采用8路等功率合成的功率放大器，当其中x路功率模块性能下降或无输出时会引起合路器的失配[10]。此时整机输出功率降为：

Pout=P*(8-x)2/64。

设计中采用的三级二进制波导功率合成网络如图2所示。

图2 室外型功放功率合成网络

为保证有任一功率模块失效时室外型功放输出性能下降不严重，采用裕量设计的形式保证功率放大器的输出性能。在三级二进制波导功率合成网络中，合成效率随合成级数的增加递减[3]。设计中实测合成效率>85%，因此实际理论功率输出可达P=80×8×0.85=544 W。即便存在某一模块性能下降或失效，实际输出功率可达P1=544*(8-1)2/64=416.5 W，仍可保证测控任务的正常执行。

3.2 高效散热技术

单个80W功率模块所含的2个末级功率管的最大沟道温度均约为172 ℃，其输入驱动信号功率为15W，最大输出功率为60W，直流输入功率为10V/14A。由此可知单个功率管的功率耗散约为：10×14 W-60 W+15 W=95 W。根据功率管数据手册，其热阻以0.87 ℃/W计算，其满功率工作时最小温升为95 W×0.87 ℃/W=82.65 ℃。保证末级功率管正常工作的前提是结温小于其最大沟道温度[4]，则盒体散热板的最高温度应保证小于172 ℃-82.65 ℃=89.35 ℃，留有一定裕量按照89 ℃进行热设计仿真[11]。

由功放的工作原理可知，单个80W功率模块直流电源消耗约为400W(含模块内部各个功率管)，大功率电源的效率实测约为90%，则8个功率模块在散热结构上需要耗散的热量约为：8×(400-80)/0.9≈2 850W，以3 000W进行热设计仿真。

在室外型功放热设计仿真时，采用7个大风量、高转速直流风扇，通过合理设计风道及功率管底部预埋热管等方式进行仿真。在高温55 ℃的工作环境下，室外型功放热设计仿真热源温度云图如图3所示。由仿真结果可知，盒体散热板的最高温度为88.7 ℃，小于89 ℃，满足末级功率管正常工作要求。

图3 室外型功放热设计仿真热源温度云图

在结构实现上，整机结构主要分为3层：上层放置8路80W功率屏蔽盒，以一字排开的方式排布，方便调试、拆卸及维修；下层放置大功率线性电源；中间为散热层，内置散热片，其中一侧放置风机，另一侧为出风口，风机向内吹风进行强迫风冷散热。同时在80W功率屏蔽盒功率管底部预埋热管，在水平面上将热量均匀散开以增大散热面，再在竖直方向对热量进行传导与散耗，最终实现功放的高效散热。

4 测试结果分析

功放设计面向工程应用，安装在实际系统中。功放采用220V交流电源供电，输入输出接插件均采用标准接口。X频段室外型400W功放的主要性能指标测试数据如表1所示。

表1 X频段室外型400 W功放的主要性能指标测试数据

表1的测试数据表明，功放的输出功率达到了国内现有同类设备的水平，同时具备优良的电磁兼容特性，并且在室外恶劣环境条件下具备正常工作能力。与以往成熟的X频段功放相比较，在电磁兼容性、环境适应性及整机结构等方面具有一定的优势。但在系统满功率工作时噪音超标，原因主要在于所选用的风扇噪音较大，同时高速风流通过高密散热翅片造成共振；在热设计过程中合体散热板的最高升温裕量较小，容易造成极端高温条件下整机性能下降。在后续研制过程中需要通过优化设计进一步降低整机噪音和提高热设计性能。

5 结束语

随着深空探测任务的深入进行，X频段的航天测控设备将会逐步成为测控任务的主力设备，同时X频段功率放大器的重要作用将会日益凸显。室外型400 W功率放大器在保证系统上行EIRP的同时，又凭借其高效率和小体积优势将在未来X频段测控设备中越趋重要。在进行室外型功放设计时，尤其要注意到满功率工作时功放的噪音超标问题，需要进一步在结构设计方面优化风道、合理选择散热风扇和散热方案。X频段室外型400 W功率放大器的研制过程是复杂的，需要考虑的其他因素还有很多，如整机噪音控制和高效热设计，只能在工程研制中不断探索总结。

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李少波男，(1986—)，硕士，工程师。主要研究方向：航天测控。

戚开南男，(1986—)，硕士，工程师。主要研究方向：电磁微波技。

The Design and Implementation of X Band Outdoor 400 W Power Amplifier

LI Shao-bo1,2,QI Kai-nan3

(1.CETCKeyLaboratoryofSpaceInformationApplicationTechnology,ShijiazhuangHebei050081,China;2.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;3.ScienceandTechnologyonElectromagneticScatteringLaboratory,Beijing100854,China)

Based on the requirement of the high power amplifier for the up-link of the whole system when implementing TT&C task of X band,this paper introduces the design scheme of the X band outdoor 400 W power amplifier and particularly expatiates the technique of high power synthesizing and the technique of high efficiency radiating.Based on these techniques,the key methods of the power amplifier are described and testing data embedded in the whole TT&C system are listed and analyzed.The high power amplifier has been successfully equipped in some TT&C system based on these methods and test data has proved the function of the amplifier.

X band;TT&C task;outdoor;power amplifier

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.03.13

李少波,戚开南.X频段室外型400 W功率放大器设计与实现[J].无线电工程,2017,47(3):51-53.

2016-11-08

国家高技术研究发展计划(“863”计划)基金资助项目(2013AA122105)。

V556

1003-3106(2017)03-0051-03