室外型S频段600 W固态高功放设计与实现

2018-12-26李少波罗又天

无线电工程 2018年1期

李少波，罗又天

(1.中国电子科技集团公司航天信息应用技术重点实验室，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.北京空间信息中继传输技术研究中心，北京 100094)

室外型S频段600W固态高功放设计与实现

李少波1,2，罗又天3

针对在执行航天测控任务时系统上行链路需配备功率放大器的需要，同时对比传统室内型高功放的优缺点，提出一种室外型S频段室外型600 W固态高功放的设计方案，详细阐述了同轴功率合成和均热板集成散热，整理了固态高功放设计过程中的核心技术，结合整机在系统中的应用给出了功放的测试数据并进行了分析。设计的室外型S频段600 W功率放大器已成功应用于实际工程中。

USB；测控；室外型；功率放大器

0 引言

S频段统一测控系统(USB)测量精度高、可靠性好[1]，通常配备室内型高功放。室内型高功放具有性能稳定、成熟可靠等优点，但因其体积较大、整机功耗高等限制了在某些特定场合的应用。当前测控设备的上行遥控信号的传输趋于向多载波、高速率和大容量方向发展[2]。USB系统中上行链路高功放作为上行遥控指令发送的关键设备[3]，对高功放可靠性、整机效率、小体积和工作带宽提出了更高要求[4]。本文在前人研究的基础上，对比传统观的室内型高功放，设计实现了室外型S频段600 W固态高功放，其具有室外环境适应能力强、整机效率高、工作噪音低、电磁兼容性好和可靠性高等特点[5]，可以在实际工程中成熟应用于上行链路射频信号的功率放大。

1 功放整机工作原理

固态功率放大器具有瞬时带宽宽、效率高、可靠性高、寿命长、体积小、重量轻和控制方便等特点[6-7]。高输出功率、高效率和高线性度的固态功率放大器已广泛应用于我国统一测控系统中。室外型S频段600 W功率放大器应用于某S频段统一测控系统中，安装在天线维修平台。固态高功放总体工作原理如图1所示。

图1 功放总体工作原理

电平控制器完成对输入信号的电平检测和信号的初级放大，同时可以完成对整个链路的衰减控制；驱动放大器完成2条射频链路的中功率放大，并且可以调节每条链路的相位，以保证最终功率合成时在同轴合成端口2路大功率信号的相位一致[8]；末级放大器为可输出400 W的大功率模块，以通过同轴功率合成器实现功率信号的合成；合成后的功率信号通过同轴环形器和耦合器后在机箱面板实现600 W功率信号的输出；控保单元负责整机内部电压/电流/温度/输出功率值的检测以及功放ALC功能，同时与本控软件进行数据交互通信；AC-DC电源模块为整机提供多路、多种大功率和小功率直流电压，保证整机正常工作；采用功率管整体焊接在紫铜板以及与均热板相结合的方式通过大功率、低噪音轴流风机实现功放工作时热量的耗散[9]；采用密封橡胶圈、防水风机、工作区与散热区完全隔离等多种方式实现整机室外环境适应性[10]。

2 关键技术

2.1 合理增益设计

室外型高功放输入射频信号电平设计为-20 dBm，输出功率信号电平高达57.8 dBm(600 W)，整机增益≥78 dB。功放激励输入端口选用低噪声放大器以保证整机链路的噪声功率谱密度，同时输入端口增加隔离器以改善输入驻波。在多级放大链路中间串入窄带收阻滤波器同时合理分配增益和良好匹配输入/输出端口[11]，才能消除信号自激并保证输出信号信噪比。

固态高功放整机增益设计如图2所示。

图2 功放整机增益设计

2.2 紧凑散热结构

功放热设计是功放能否稳定工作的前提条件[12]。在功放整体热设计中，采用末级功率管整体焊接在8 mm紫铜板上、末级功率放大器屏蔽盒通过导热酯紧密贴在均热板上、合理设计强迫风冷通道等措施[13]，保证在环境温度+55 ℃条件下，末级功率管处最高温度为83 ℃，小于等于末级功率管正常工作最高温度94 ℃。室外型S频段600 W固态高功放热仿真温度云图如图3所示。

图3 室外型S频段600 W固态高功放热仿真温度云图

3 需要考虑的方面

目前我国USB系统中大部分安装室内型高功放，少量系统安装国外进口室外型高功放，且功率值≤500 W。国内尚无室外型S频段600 W固态高功放的成熟产品和应用先例[14]，因此在高功放前期设计与研制过程中，需要重点考虑同轴功率输出、紧凑结构设计和合理散热2个方面[15]，同时结合使用要求提出最佳解决方案。

① 同轴功率输出。以往S频段统一测控系统中的高功放功率发射馈线采用波导形式，功放设备安装在室内。S频段传输波导尺寸较大，在某些中心体结构安装空间受限的USB系统必须采用同轴形式以满足结构安装和设备维护空间需求[9]。因此需选用耐功率值≥1 000 W的同轴功率合成器、同轴环形器、同轴耦合器以及同轴传输电缆，同时保证在室外宽温工作条件下性能指标的一致性。

② 紧凑结构设计和合理散热形式。传统S频段室内型1 000 W高功放采用1个40 U标准机柜实现，室外型S频段600 W固态高功放安装在天线维修平台，安装和维护空间受限，需采用结构高度集成、防护密封全面的措施[14]；结构紧凑造成单位面积内散热量大幅增加，需要在以往强迫风冷[16]措施的基础上，采用功率热源安装在紫铜板上、均热板快速传递热量等更高效的散热途径，以疏散功放工作时的热量[17]。

4 整机测试数据分析

室外型S频段600 W固态高功放在USB系统中，以在线热备份形式安装，通过同轴耐功率电缆将功率信号传输至中心体发射馈源网络。功放整机的参数测试数据如表1所示。

表1 室外型S频段600 W固态高功放主要参数测试数据

测试项目测试数据P-1输出功率/W整机增益/dB幅相变换/((°)/dB)三阶交调/dBc带内群时延变化/ns功率稳定性/dB输出功率信号相噪63778．13．1-31．70．27-0．27/24h～+0．39/24h较输入信号不恶化

由固态高功放测试数据可以分析得出，高功放的输出功率达到了系统所需的功率，同时各项参数测试数据均与国外进口室外型功放相当。相对以往传统的室内型高功放[18]，室外型S频段600 W固态高功放的输出功率高且整机设计先进、可靠，同时具有结构紧凑、性能优良和电磁兼容性好等优点[19]。但因天线维修平台空间受限、功放整机组成复杂以及内部快速可插拔模块较少，造成系统安装完毕后功放维修比较困难[20]。在未来系统应用中需要通过优化功放内部结构布局[21]、加强功率模块模块化设计来提高功放的可维修性。

5 结束语

随着我国航天事业的快速发展，S频段统一系统作为航天测控任务的主力设备，其测控功能及作用越加重要。S频段室外型600 W固态高功放在具备传统室内型功放性能指标基础上，同时还具有整机体积小、环境适应性好和结构安装方便等先进性优势，完全可以应用到USB系统中。在后续的功放设计过程中，需要和天伺馈分系统的维修平台进行整体结构设计，同时着重提高功放的可维修性设计。室外型功放的设计和研制比室内型功放要复杂，应重点考虑高效热量耗散、整机重量及噪音等因素，需要在后续工程研制中不断探索总结，以不断提升国内室外型功放的设计水平。

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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

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

10.3969/j.issn.1003-3106.2018.01.17

李少波,罗又天.室外型S频段600 W固态高功放设计与实现[J].无线电工程,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

1003-3106(2018)01-0080-03