3D微波技术——卫星功放的“退烧药”

+ 贺鹏梓

自从人类进入工业时代，散热就是一个挥之不去的工程难题。蒸汽机、内燃机、电动机、核反应堆概莫能外，信息时代的电子产品同样面临着散热的难题。作为卫星通信行业，地面终端所使用的卫星功率放大器是发热的大户，终端所消耗掉的大部分功率都没有成为无线电波射向太空，而是变成热量或积蓄在功放内部，或散逸到空气中了。

虽然人们早已认识到了这个问题，但在半导体功率放大器时代，由于产品原理和器件性能所限，用电效率一直不能大幅度改善。在当前卫星通信常用的Ku波段上，传统半导体功率放大器的效率一般不会超过15%，由此带来了大量积热，可以夸张的说一句：传统卫星功放一直发着“高烧”。3D微波合成技术的出现，正是解决卫星功放热问题的一剂特效药。

功放积热影响产品性能寿命

或许有人会认为，卫星终端、特别是便携式卫星终端总体上说是一种低功率设备，哪怕效率低一点也可以接受。但事实上，改善卫星功放用电效率具有全局性的意义。一方面在卫星通信作为应急场景下包括供电在内的所有资源均是紧张分配、充分利用的，而更为重要的是高功耗所伴随的高温高热将极大影响功放产品的性能和稳定性。

首先，半导体功放芯片均有一定的工作温度范围，超过范围就会导致损坏，即使在范围之内，温度越高，芯片寿命也会越短。另外，随着功放的持续工作，系统内部积热使得环境温度持续升高，芯片级性能将会表现出输出功率降低、增益降低、噪声恶化等不利现象，影响通信质量。

传统上，人们往往采用改善散热条件的办法来解决问题。包括设计形状复杂的散热器、强制通风等等。这不但增加了设备的体积，也进一步加大了功耗。设法提高功放效率，才是最有效的研究方向。

3 D微波技术带来行业革命

从上世纪90年代开始，贾鹏程博士致力于开发一种真正高效的功率合成技术——3D微波合成技术，其领衔的广州程星通信科技有限公司（以下简称“程星”）近年来推出的40瓦Ku频段卫星功放用电效率达到了25%以上，领先全行业。

图1 3D微波技术发展路线图

表1

图2 功耗270瓦状态下，40瓦 Ku 功放产品的温度梯度图

图3 功耗190瓦状态下，40瓦 Ku 功放产品的温度梯度图

如表1所示，我们对于业界的一些功放产品的输出功率、功耗、效率和热耗进行了对比，其中效率是输出功率和功耗的比值，热耗是功耗减去输出功率再减去风扇的功耗。

40瓦Ku频段卫星功放采用3D微波技术，利用三维天线阵列实现对合成链路的优化，使得所有功放芯片阵列在波导腔体内一次合成，免去了传统BUC多级功率合成中的介质损耗，可以用更少的功放芯片来实现更大的功率输出。这就从根本上降低了功放发热，相对于传统半导体功放，这是一个革命性的进步。

功放功耗的革命，直接带来的效果便是产品温度的降低。

从图2、图3可以看到，在相同的产品结构下，190瓦功耗的功放产品相较于270瓦功耗的功放产品，带来了10℃的温度改善，那究竟这10℃会带来哪些改变呢？

一、产品寿命的改变

功放整机的设计要求内部放芯片的沟道温度不高于150℃，平均寿命时间不低于100万个小时。内部芯片沟道的温度取决于整机结构的温度和芯片相关的温升，而整机结构的温度越低，内部芯片沟道的温度也相应越低。根据实际测量和模型计算，当卫星功放整机工作的环境温度在60℃时，通过3D微波技术改善10℃后，功放芯片的沟道温度也相应降低10℃，根据图3所示曲线，功放芯片的使用寿命将延长50%以上。

二、产品性能的改变

芯片在不同温度下有着不同的性能，就如手提电脑在发热严重时运行速度降低一样，卫星功放在高温环境下，性能表现也同样会大打折扣。大多功放厂家提供的产品，他们的性能指标仅能在常温环境下满足用户需求，而程星产品在解决好功耗问题后，在高温下其性能指标亦能满足需求。程星公司推出的产品，均保证了在极限环境温度下的性能保证，部分产品保证指标甚至高达70℃。

三、使用场景的改变

温度的改善，同样也会带来对卫星系统所在环境适应度的提升。集成商在搭建卫星天线系统时，期望能在最小的空间内集成下卫星通信所需的全部产品。在过去，船载卫星天线为了把卫星功放安置于天线罩内，不得不为卫星天线加装空调降温，这就是由于传统功放的高发热带来的负面效应。程星功放通过3D微波技术的提升，将热辐射功耗降低近一半（由225瓦变为130瓦），有效改善了功放发热对天线罩内的温度影响，程星经过与天线厂家共同研制设计，在一部分船载产品上已经免去了辅助散热系统，结构更为紧凑。

图3

图4 应用程星产品的船载卫星天线