星用C频段50W固态功率放大器设计

陈伟伟，王 程，杨 章，罗 聃，刘家玮，杨 飞，汪 蕾

(中国空间技术研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

星载固态功率放大器是微波有源技术产品中最具代表性的产品之一，广泛应用于军用、民用卫星。随着卫星有效载荷技术的不断发展，系统对固态功率放大器也提出了更高的要求。尤其是通信卫星，要求固态功率放大器实现大功率输出的同时，兼顾线性度好、效率高、体积小等优点。在以往功能相对简单、转发器数量较少的卫星系统中，可通过简单地增加功率部件数量并结合功率合成的方式来实现较大的功率输出。但由于输出需要进行功率合成，部件产品的体积和设计复杂度也随之提高。因此，大功率固态功率放大器的研制尤为重要。近年来，随着国内微波功率器件技术的不断发展[1-5]，国产固放组件的研制也取得了很大的进步[6-7]。

文章基于国产氮化镓微波功率器件，对C频段射频电路进行集成化设计，实现固放产品的多功能、高功率、小体积，并通过优化高功率器件散热设计、电源电路设计等设计技术，实现固放产品的高可靠应用。

1 方案设计

C频段50W固态功率放大器由射频电路和电源电路两部分组成。射频电路主要将输入的射频信号进行多级放大，实现固放大功率输出，并具备过激励保护、数字增益控制、温度补偿等功能，同时提供整机输出功率遥测、增益档位遥测以及温度遥测等遥测信号。电源电路主要将输入的一次母线电压进行电压转换，为射频提电路提供必要的供电电压，并具备欠压保护、过流保护等功能，同时提供整机开关机遥测、母线电流遥测等遥测信号。

1.1 射频电路设计

C频段固态功率放大器射频电路原理框图如图1所示，主要有增益放大、中功率放大以及高功率放大三部分构成。增益放大部分将低噪声放大、数字增益控制、过激励自动控制(ALC)以及温度补偿等功能集成一个模块中，具有高集成、小型化、多功能的特点。增益放大模块包含四级低噪声放大器和一级低功率放大器，实现模块90dB的增益放大以及20dBm的低功率输出。模块中的数控衰减芯片可以响应外部输入的增益加减指令，实现固放的增益数控功能。模块中包含四级电调衰减芯片，前两级电调衰减芯片与模块末级的功率检波芯片相结合，用于实现射频电路的过激励自动控制(ALC)功能；后两级电调衰减芯片与整机中的热敏电阻相结合，实现整机的增益温度补偿功能。中功率放大器以及高功率放大器均采用国产氮化镓内匹配功率器件。中功率放大器内部由两级放大器芯片组成，实现20dB的增益放大以及10W的中功率输出。高功率放大器内部采用大栅宽氮化镓管芯进行多胞合成，实现60W的高功率输出，功率附件效率达45%。

1.2 热设计

氮化镓微波功率器件功率具有高功率、高效率等优点[8-10]，但由于氮化镓管芯功率密度较高，如果不能保证良好的散热，很容易导致芯片热烧毁。改善大功率器件散热主要从降低器件本身热阻以及改善整机散热途径两方面着手。为了降低器件本身热阻，本文采用热导率较高的铜钼铜材料作为管壳底座，采用可伐材料作为管壳边框。在芯片载焊时，将氮化镓管芯采用金锡焊料直接焊接到管壳上，将芯片热量有效地导入管壳。由于管壳底座面积较大，可采用螺钉紧固或载焊的方式将器件固定在整机中，将热量进一步散出。

图2 高功率器件红外热像仪测试结果

为了对器件热设计进行验证，对研制完成的末级高功率器件进行红外热像仪测试，测试结果如图2所示。器件测试条件为动态测试，器件的工作电压为28V，动态工作电流为4.4A，饱和输出功率约60W。红外热像仪的衬底温度为70℃，此时测得器件的最高结温为135℃。器件结壳热阻的计算公式为Rc=(Tj-Tc)/(Pdc-Pout)，其中Rc为器件结壳热阻，Tj为器件结温，Tc为管壳温度，Pdc为直流功耗，Pout为输出功率，将测试数据代入上述公式可求得器件的结壳热阻约为1.03℃/W，证明器件本身具备较好的散热能力。

图3 固放整机热仿真结果

在整机热设计方面，借助FLOTHERM软件进行整机热仿真，合理设计整机布局，在保证整机良好的散热的情况下，兼顾整机重量。C频段50W固放热仿真结果表明，功率管正下方机壳厚度对整机散热影响较大，其余区域影响相对减小。因此，在实际设计时固放机壳中功率管正下方区域维持原始厚度，其余区域背面掏空达到整机减重的目的。图3给出了C频段50W固放优化后的整机热仿真结果，仿真温度按照卫星实际工作的最高温度55℃进行设置，即在固放底板温度为55℃、外部辐射温度边界也为55℃条件下进行稳态计算。从图3可以看出，固放中高功率器件处温度最高，器件壳温约为76℃。根据图2中器件结温测试结果可知，在器件饱和功率输出条件下，器件的结壳温升约为65℃。由此可以计算出，在固放最高工作温度下，末级高功率器件的最高结温约为141℃。氮化镓微波功率器件额定结温为225℃，一级降额工作结温为160℃，C频段50W固放满足宇航应用要求。

图4 C频段固放电源电路原理框图

1.3 电源电路设计

图4给出了C频段50W固放电源电路设计框图。电源电路设有输入保护电路、开关机控制及欠压保护电路、浪涌抑制电路及EMI滤波器。输入保护电路实现电源故障时与一次母线的隔离，保护母线的安全。+28V、+6V和-5V三路电源采用三个独立的DC/DC变换器，+28V、+6V内部包含辅助供电电路、控制电路、功率电路以及输出整流滤波电路。其中辅助供电电路用于提供DC/DC变换器所需的功率。电源的功率变换采用变压器实现能量转换，输入和输出进行磁隔离。PWM控制为电源的控制核心，完成输出电压精确调节、动态响应、过流保护等功能。输出整流滤波电路用于滤除低频杂波，从而为射频电路提供稳定的直流电压输出。-5V由于输出电流较小，采用成熟的辅助供电电路结合低压差二次稳压的设计方案。此外，电源电路中还设有时序控制电路，用于保证-5V电压和+28V、+6V电压的上电顺序。射频电路中的微波功率器件要求栅极电压开启后才能加载漏极电压，否则将导致器件烧毁，因此时序控制电路尤为重要。测试结果表明，按照该方案设计的电源电路转换效率达到90%，且输出电压具有较好的稳定性。

2 测试结果

研制完成的C频段50W固态功率放大器实物图如图5所示，整机的外形尺寸为185mm×157mm×96mm，重量约为2.0Kg。C频段50W固态功率放大器射频输入为SMA，射频输出为WR112型波导口，低频连接器为J6W-37型连接器。C频段50W固态功率放大器工作频段为7.2GHz～7.8GHz，输出功率大于50W，功率增益范围为60dB～90dB，可通过发送增益加减指令进行增益调节。

图5 C频段50W固态功率放大器实物图

图6给出了在最小增益状态下输出功率随输入功率的变化曲线，当输入功率为-13dBm时，固放输出功率为47.0dBm(50W)，增益为60dB，功率附件效率约为35%。C频段50W固态功率放大器详细性能指标如表1所示，固放在额定输出功率下三阶交调小于-15dBc，具有较好的线性度，非常适用于通信卫星。固放输入输出驻波小于1.3:1，杂波抑制大于60dBc，额定母线电压为100V，可适应的安全母线电压范围为93V～110V。

图6 固放输出功率以及功率附件效率随输入功率变化曲线

表1 C频段50W固态功率放大器性能指标

图7 固放温度循环试验结果

为了对C频段50W固态功率放大器进行可靠性验证，开展了力学试验、热真空试验以及温度循环试验等环境试验。图7给出了固放温度循环试验结果，试验条件为高温+70°C，低温-35°C，试验过程中产品处于饱和输出状态。从图中可以看出，固放输出功率在常温下约为47.4dBm，高低温下各浮动0.2dB，在试验温度范围内满足大于50W的功率要求。在累积约370小时的温循试验过程中，产品输出功率稳定，表现出较高的可靠性，满足宇航应用要求。

3 结束语

文章介绍了一款星载C频段50W固态功率放大器的设计，其具有集成度高、功率大、效率高、体积小等优势，固放饱和输出功率大于50W，功率附件效率大于35%，功率增益60dB～90dB，且具有数字增益控制、过激励保护以及温度补偿等功能。所设计的产品饱和点三阶交调约为-15dBc，线性度较好，非常适用于通信卫星。固放在370小时的温循试验过程中，输出功率稳定，性能可靠，满足宇航应用要求。