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引言 微波固態高功放與電真空功率器件相比具有體積小、工作電壓低、頻帶寬、線性度好、可靠性高、壽命長、結構簡單和維護方便等優點受到諸多領域的青睞，在宇宙通信、微波通信、雷達、電子對抗、遙測遙控等電子系統中有著廣泛的應用，以完成對微弱信號的放大。為使其在實際應用中具備更高的效率，更好的性能和更低的故障率，本文以其在FY-2E氣象衛星中的應用為例，研究了其設計和關鍵技術，結合實踐中的應用，最后提出了幾條具有針對性和有效性的保護措施。 單級放大電路的設計思路 一般微波功率晶體管放大器的設計主要包括：根據要求的性能指標，進行工作狀態確定、輸入輸出匹配電路設計和偏置電路設計及熱設計等。圖1示出一個典型的共基極晶體管放大器電路。 
FY-2E的功率放大器采用C類工作，飽和輸出。一般來說，放大器工作在飽和或接近飽和狀態時效率最高。但由于工作在非線性狀態下，確定工作點時，除考慮效率外還應顧及非線性失真的要求。在此處輸入輸出匹配電路[1-3]主要是讓負載阻抗與源阻抗相匹配，減少功率反射損耗，增大傳輸功率、減少噪聲干擾、提高頻率響應的線性度。設計思路有以下兩種選擇：1.采用解析法求出電路元件的值。該方法可得到非常精確地結果，適用于計算機仿真;2.利用Smith原圖作為圖解設計工具。該方法計算量相對少，更加直觀，容易驗證。偏置電路的作用是提供適當的靜態工作點，幷抑制晶體參數的離散性以及溫度變化的影響從而保持恒定的工作特性，一般無源偏置網絡容易實現，但不如有源偏置網絡靈活。其設計考慮包括效率、噪聲、對振蕩的抑制、獨立的電源供電、射頻扼流和阻抗匹配。 FY-2E中固態功放的設計及關鍵技術 固態功放性能指標主要有：工作帶寬、增益、增益平坦度、穩定性、三階交調、輸入輸出電壓駐波比(VSWR)等。單級放大器由于工作狀態、線性度、工藝等的限制難以滿足設計要求，實際應用中一般采用多管并聯的方式來合成功率。FY-2E氣象衛星地面應用系統中的固態功放是采用4管并聯的合成方式(見圖2)。
該系統主要由驅動放大器、功率放大器和四路徑向波導功率合成器組成。驅動放大器采用1:1熱備份形式工作，一旦其中一管子出現問題，能自動切換到另一備份放大器上工作，確保作業的正常進行。驅動放大器通過分路器等分成4路分別推動功放管模塊工作，最后由四路徑向波導功率合成器合成輸出，環形器的作用是防止駐波異常時，反射功率過大而破壞功放管。 晶體管損壞對功放組件輸出的影響 由于FY-2E系統一年365天，平均每天至少完成28張云圖，汛期加密觀測時達到48張云圖的高作業量。因此，功放系統的穩定可靠性就顯得尤為重要。若工作中的晶體管有所損壞，從而使組件增益下降。令其增益變化為W，晶體管數目在此處是4，假設4個晶體管的輸出場強等幅相加[4]，這樣合成器總輸出信號的場強為2E，輸出信號的功率為。當4路中有n路晶體管損壞時，合成器輸出地信號場強為 ，功率為，則增益為。可計算得：當n=1時，增益下降2.5dB;當 n=2時，增益下降6dB;當n=3時，增益下降12dB。系統工作時的總增益我們要求是60dB，由此可見，固態功放管的穩定性是可觀的。 功放組件中晶體管的阻抗匹配 脈沖工作時，工作在C類狀態的晶體管放大器，要經歷截止區、線性區和飽和區，其輸入輸出阻抗是動態變化的，但合成器、傳輸線的特性阻抗一般都是固定的。因此，要獲得良好的阻抗匹配，必須將晶體管的輸入輸出阻抗在工作頻段內進行變換。后端的環形器能將功放組件和天線饋部分隔離，在此，功放管的輸出阻抗只需與徑向波導合成器輸入阻抗匹配即可。常用的晶體管功率放大器匹配網絡的設計方法主要有動態阻抗法、大信號S參數法和負載牽引法。 功放組件的散熱設計 從理論上分析，影響固態功放組件穩定性的因素主要有溫度和工作頻段[5]。當工作波長和微波電路的饋電線尺寸可以比擬時，很容易引起信號反饋，在放大器工作頻段產生自激振蕩，并且電源饋電線路中電容、電感也易引起低頻信號反饋。由于FY-2E氣象衛星工作在S波段，工作波長相對較長，頻率穩定性相對較好。而其每天高強度的工作量，即會產生高熱量，導致晶體管溫度急劇升高。因此，為保證固態功率放大器工作穩定，必須對功放管進行熱設計，以確保放大器處于穩定工作的溫度范圍。目前，功放組件散熱工作主要是，將晶體管管芯產生的熱量傳給晶體管的法蘭，再傳給散熱器，通過風冷系統，產生一定的風壓，使周圍空氣從散熱器上帶走熱量。 固態高功放在FY-2E中的應用 FY-2E氣象衛星應用系統地面指令與數據接收站(簡稱CDAS)，主要由天線、信道、圖像、遙測遙控、測距等分系統組成。信道分系統是其中重要組成部分之一，主要任務是接收衛星原始云圖、展寬云圖、遙測、三點測距等信號，并發射展寬云圖、遙控指令、三點測距等信號。固態功放組件是信道系統的咽喉，它一般也是系統中體積最大、耗電量最多，發熱密度最大的設備，由于其工作頻段較高(我國氣象衛星FY-2系列在S波段)，對與前后傳輸網絡是否匹配良好要求高，所以其工作特性將直接影響整個CDAS系統的性能指標。 運行過程的故障及解決方法 2009年12月發現所收到的一張衛星云圖，如圖3所示，出現大量麻點和丟線，誤碼率為10-3個數量級(正常情況下為≤10-6)，而接收的遙測信號AGC電平、給衛星發送的遙控指令、DPL的SSD跟蹤均無誤，由此可定位為信道部分必有強干擾。再檢查信道部分設備的運行情況，發現問題在固態功放，其輸出功率為47dBm，反射功率達到43dBm， 根據公式：反射系數 ，駐波，可以計算出駐波比為4.4，已經大大超過了正常值1.3。對于如此大駐波比產生的原因，進行了研究與排查，發現最近天氣劇變，溫度下降、大雪紛飛、空氣濕度大，而充氣機啟動次數較多，且干燥劑變紅失效，判定是波導系統漏氣，機房的濕空氣不能得到很好地干燥，直接充到天饋線中，而饋線在外遇冷凝結成冰塊，致使傳輸網絡阻抗失配，駐波比超標，給接收信號帶來強干擾。針對此情況，我們配合設備廠家，對波導內濕空氣進行了全部清理、在波導接口處加了密封墊。在處理完后，輸出功率為46dBm，反射功率為28dBm，駐波比值正常，接收到的正常云圖如圖4所示。
提出的保護措施 固態功放是對駐波比極為敏感的微波器件，駐波太大會使其工作頻段變小、給接收部分帶來強干擾并使其飽和，更有甚者燒壞發射機。為防患于未然，筆者將理論研究和自己的工作實踐相結合，特提出以下幾大重點監管措施。 固態功放駐波的好與壞，是取決于其與后端饋線網絡是否匹配良好造成的。由于饋線大部分長期工作在室外，很容易受環境溫度、濕度的變化、及大風天氣碰撞而生銹、變形致使反射損耗變大。為此，要保證饋線上鐵塔時不能有碰撞，且固定要牢固盡量不要承受過多硬力、固定間距不要太大;且在環境溫度、濕度劇變的情況下，加強監督并采取保護措施;要定期檢查充氣機內干燥劑，防止其變紅失效。 將功放后饋線網絡系統納入監控管理范圍，設置監測點，由于饋線充氣機一般有遙信接口，可將充氣氣壓、充氣次數、充氣時間間隔等參量的變化情況進行采集傳送到網絡監測系統，即可實時監視。 FY-2E地面應用系統固態功放組件主要由輸入/輸出組件、功放模塊、大電流的電源組件、風冷系統及功放的監視、控制和保護電路幾部分組成。可對射頻信號輸入輸出功率取樣檢測、反射功率取樣檢測。射頻微波管對工作條件要求高，因此必須對環境溫度、各功放模塊溫度、電源電壓、輸入功率、輸出功率、反射功率等參數進行實時監視并實施快速保護。另外，功放工作時功率大、產生熱量多，要定期對風冷系統進行巡檢，確保系統通風冷卻正常。 結語 本文通過對固態功放設計思路、關鍵技術和應用實例的探討，研究了晶體管損壞對功放組件輸出的影響、功放組件中晶體管的阻抗匹配、功放組件的散熱設計，結合在實際工作的應用情況，最后提出了幾條具有針對性和有效性的保護措施，可以提高固態功放在實際業務中的穩定性、可靠性和高效性。 參考文獻： [1] Reinhold L, Pavel B. RF Circuit Design:Theory and Applications[M]. Beijing:Science Press [2] Inder B, Prakash B. Microwave Solid State Circuit Design[M].New York: McGraw-Hill, 1988 [3] 黃香馥.微波固體電路[M].成都: 成都電訊工程學院出版社,1987 [4] 趙海洋.微波固態功放組件及其幅相特性影響分析和研究[D].南京理工大學碩士學位論文, 2008 [5] 裴任彤.S波段微波固態功率放大器的研制[D].電子科技大學碩士學位論文,2003 作者：馮慶玉 夏景林 國家衛星氣象中心(北京 100055) 杜汪洋 裝備指揮技術學院 裝備采辦系 時間：2010-06-21 |
