星用小型化Ku频段8W固态功率放大器设计

陈伟伟，殷 康，胡 宽，李 磊，李 晶，杨 飞，汪 蕾

(中国空间技术研究院西安分院, 西安 710000)

0 引言

随着低轨星座、高通量卫星等技术的快速发展，对固态功率放大器提出了迫切的需求。例如美国太空探索技术公司(SpaceX)提出的第二期Starlink星座，需要部署7 518颗低轨卫星，以实现全球无缝连续覆盖[1]。在卫星研制模式上，新一代通信卫星需同时具备低成本、轻型化、短周期的特点[2-3]，从而实现快速组网以及更新换代。近年来我国微波功率器件技术，尤其是氮化镓技术，取得了较快的发展[4-5]，星载固态功率放大器的国产化工作也取得了较为显著的成果[6-12]。但是，我国较为成熟的星载固态功率放大器主要集中在X波段以下，而国际上关于Ku频段至V频段的星载固态功率放大器已有较多报道[13-14]。因此，攻克高频固态功率放大器设计技术，开发更高频率、更高性能的星载固态功率放大器，对于推动我国卫星技术的发展具有重要意义。

此外，传统的星载固态功率放大器主要采用分立功率器件级联形式进行设计，产品体积较大，文献[6]中报道的X频段10W固态功率放大器重量约为1.5Kg。本文采用高集成化设计方法，实现了固态功率放大器的小型化，所研制的Ku频段8W固态功率放大器重量仅为770g，相对传统的分立器件单机，体积缩小了近1/2，满足卫星型号“快、智、廉”的应用需求。

1 设计方法

Ku频段8W固态功率放大器包括射频电路和电源电路两部分，射频电路主要是通过多级放大器芯片级联，实现高增益、大功率输出，电源电路主要是为射频电路提供稳定的直流供电，实现整机的稳定工作。

1.1 射频电路设计

Ku频段固态功率放大器射频电路原理框图如图1所示，主要包括输入隔离器、高功率模块、输出隔离器以及低频控制板4部分。其中高功率模块为该电路的核心，内部集成了所有的射频功能。射频输入信号经过输入隔离器进入高功率模块，经过电调衰减芯片1后进入第一级低噪声放大器芯片进行信号放大，放大后的信号进入检波芯片，检波芯片会产生检波电压，通过低频控制电路的处理后输入给模块前端的电调衰减芯片1，实现射频电路的过激励自动控制(automatic level control，ALC)；检波芯片的输出信号经过第二级低噪声放大器芯片再次进行信号放大，然后进入电调衰减芯片2，该电调衰减器的控制电压与低频控制板上的温度补偿电路相连，实现射频电路在温度变化时的增益自动补偿功能；电调衰减芯片2的输出信号进入驱动放大器芯片，将信号放大至中等功率，然后经过固定衰减器芯片后进入功率放大器芯片，对信号进行高功率放大，实现8W的功率输出。低频控制板除具备ALC电路和温度补偿电路外，还具备功率检波电路和温度遥测电路，为射频电路提供功率遥测和温度遥测信号。此外，低频控制板还具备偏置电路功能，为高功率模块提供所有的工作电压。

图1 Ku频段固放射频电路原理框图Fig.1 Schematic diagram of Ku-band SSPA RF circuits

Ku频段固态功率放大器结构示意图如图2所示，该设计创新性地将所有射频功能集中在了高功率模块中，与传统的分立器件级联单机相比，具有以下优点：首先，集成化的设计方法使得单机体积大大缩小；其次，该设计显著降低了级间差损，提高了整机效率；再次，该设计将所有射频功能集成在单个模块中，并将模块通过平行封焊工艺进行密封，实现了射频电路和低频电路的隔离，显著提高了整机的可靠性；此外，该设计使得固态功率放大器的装配难度大大降低，具有低成本、批量化的优点。

图2 Ku频段固放射频电路结构模型图Fig.2 Structure model of Ku-band SSPA RF module

1.2 结构设计

Ku频段固态功率放大器内部最为核心的部件为高功率模块，该模块同时集成了增益放大器和功率放大功能，总增益达到50dB，而末级功率芯片具有高功率、大电流的特点，若电路稳定性不好，很容易造成末级芯片烧毁。为了提高功率模块稳定性，本文将管壳分为前后两个腔体，前腔放置低噪声放大器芯片和驱动放大器芯片，后腔放置末级功率芯片，将增益较高的中小功率芯片和末级大功率芯片分开，降低电路自激风险。同时对高功率模块的空间隔离度进行了仿真，仿真模型中的陶瓷过渡片与实际电路一致，提高了仿真的准确性。图3给出了模块空间隔离度仿真结果，从图3可以看出，在使用频率11.5～12.5GHz范围，管壳各个端口的隔离度均在40dB以上，具有较好的空间隔离效果，能够保证电路的稳定工作。此外，从图3可以看出，模块的腔体谐振频率在22.9GHz，在谐振频率附件模块隔离度急剧变差，因此模块内部选用的放大器芯片均为窄带芯片，超过工作带宽范围后增益迅速下降，在22.9GHz所有放大器芯片的增益几乎降至0dB，从而避免了空间谐振引起模块自激的风险。

图3 高功率模块空间隔离度仿真结果Fig.3 Spatial isolation simulation of the high power module

此外，为了提高整机的稳定性，在射频盒体内部增加了活动隔墙设计。在整机装配时首先将低频控制板载焊至机壳上，然后安装隔离器以及高功率模块，最后安装活动隔墙。活动隔墙在安装螺钉处与低频控制板接触共地，其余采用悬空设计，在不影响功率模块供电的情况下，提高了整机隔离度，有利于固态功率放大器的紧凑型设计。

1.3 热设计

微波功率芯片的结温直接影响其工作寿命，功率模块内部的末级功率芯片采用高功率砷化镓微波单片集成电路，芯片输出功率12W，尺寸仅为3.2mm×4.0mm×0.7mm，具有较高的热流密度。为了实现功率芯片的良好散热，模块底座采用热导率较高的钨铜材料，钨铜合金热导率约为190W/mK，具有较好的散热性能。模块边框采用易于成型的可伐材料，并与底座烧结为一体。同时，功率芯片的载焊采用熔点较高的金锡焊料(约为280℃)，防止芯片工作时底面温度过高引起焊料的融化，提高电路可靠性。在整机热设计方面，功率模块采用背孔安装的方式安装在射频盒体上，射频盒体底部为厚度20mm的实体铝材料，从而保证了功率模块热量的快速扩散，改善功率模块散热。

采用FLOTHERM软件对Ku频段固态功率放大器进行了热仿真，仿真时整机边界温度按照星上实际工作的最高温度55℃设置，功率模块内部热源按照芯片工作时的实际热耗进行设置。图4给出了整机的热仿真结果，从图4可以看出，温度最高点位于功率芯片正下方，约为65℃，热量以功率芯片为中心向周围逐渐扩散。功率芯片结温可以按照公式Tj=Tc+Rc×(Pdc-Pout)进行计算，其中Tj为芯片结温，Tc为芯片壳温，由仿真结果可知为65℃，Rc为芯片热阻，芯片单独测试结果为1.8℃/W，Pdc为芯片直流功耗，约为34W，Pout为芯片输出功率，约为12W，代入公式可得到芯片的结温为104.6℃，砷化镓微波功率器件额定工作结温为170℃，一级降额工作结温为110℃，Ku频段8W固态功率放大器满足宇航应用要求。

图4 固放热仿真结果Fig.4 Thermal analysis results of the SSPA

1.4 电源电路设计

图5给出了Ku频段8W固放电源电路设计原理图。电源电路主要由功率变换电路和控制电路组成。图5中“输入滤波”“功率主电路”“多路输出变压器”“整流滤波”组成了功率变换电路。“脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)电路”“保护电路”“无负压关机”“辅助电源”“遥控”和“遥测” 电路构成控制电路。电源电路采取的拓扑及控制方式为BC类设计，为适应28V母线工作要求，功率变换部分采用复合式“降压+推挽”拓扑结构。采用N沟道MOSFET代替P沟道开关管减小变换器开关损耗，输出级尽量采用同步整流技术减小整流损耗。控制电路的核心部分PWM设在功率变压器初级，与输入回线共地。这种共地方式的优点是驱动电路、过流保护和欠压保护的设计和调试简单方便。电源电路将输入的28V一次母线电压转换为-5V、+5V和+8.5V三路二次电压，提供给射频电路，同时响应外部输入的开关机指令，控制二次电压的开启和关断，并提供电流遥测和开关机状态遥测。测试结果表明，电源电路转换效率达到88%，纹波电压低于200mV，具有较好的抗干扰特性和较高的稳定性。

图5 Ku频段固放电源电路原理框图Fig.5 Schematic diagram of Ku-band SSPA power supply circuits

2 测试结果

图6给出了研制完成的Ku频段8W固态功率放大器实物图，由于采用了集成化设计，产品的本体外形尺寸约为67mm×126mm×110mm，重量仅为770g。Ku频段8W固态功率放大器射频输入、输出均为SMA，低频输入为37针低频连接器，低频连接器同时包含了母线输入、开关机指令输入以及遥测输出，方便与卫星分系统的对接。图7给出了产品的功率曲线，在12.5GHz，产品增益约为45dB，输出功率大于8W，整机效率约为22%。表1给出了Ku频段8W固态功率放大器详细性能指标，产品在工作频率11.5～12.5GHz范围内可提供8W的输出功率，驻波小于1.3:1，杂波小于-60dBc，三阶交调约为-13dBc。产品安全母线电压范围为23～30V，可满足28V母线型卫星平台的使用。

图6 Ku频段8W固态功率放大器实物图Fig.6 Photo of Ku-band 8W SSPA

图7 固放输出功率以及功率附件效率随输入功率变化曲线Fig.7 Change of the output power and power added efficiency with input power

表1 Ku频段8W固态功率放大器性能指标Tab.1 Performance of the Ku-band 8W SSPA

星载固态功率放大器可靠性至关重要，本文对所研制的Ku频段8W固态功率放大器进行了温度循环试验，试验最高温度为+60℃，最低温度为-25℃，温度范围远高于产品在卫星上的实际使用温度范围。从图8可以看出，产品常温输出功率约为39.5dBm，高温输出功率约为39.0dBm，低温输出功率约为40.0dBm，在试验温度范围内满足大于8W的功率要求。产品在累积150h的温度循环试验中，表现出了较高的一致性和可靠性。该产品目前已成功实现在轨应用，在轨性性能稳定。

图8 固放温度循环试验结果Fig.8 Temperature cycling test results of the SSPA

3 结论

本文介绍了一款星载Ku频段8W固态功率放大器，通过采用高集成化的设计方法，将固态功率放大器的体积缩小近1/2，产品重量仅为770g。产品工作频率11.5～12.5GHz，饱和输出功率大于8W，整机效率大于22%，母线电压范围为23～30V。产品从射频电路设计、结构设计、热设计以及电源电路设计等方面实现了产品的高可靠，并通过地面环境试验对产品的可靠性进行了验证。目前该产品已实现在轨应用，对于推动我国星载固态功率放大器的国产化进程具有重要意义。