引言

微波固態(tài)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(jié)構(gòu)簡單和維護方便等優(yōu)點受到諸多領(lǐng)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(tǒng)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(wèi)星中的應用為例，研究了其設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)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(shè)計思路

一般微波功率晶體管放大器的設(shè)計主要包括：根據(jù)要求的性能指標，進行工作狀態(tài)確定、輸入輸出匹配電路設(shè)計和偏置電路設(shè)計及熱設(shè)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(tài)時效率最高。但由于工作在非線性狀態(tài)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(shè)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(jié)果，適用于計算機仿真;2.利用Smith原圖作為圖解設(shè)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?shù)撵o態(tài)工作點，幷抑制晶體參數(shù)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(wǎng)絡(luò)容易實現(xiàn)，但不如有源偏置網(wǎng)絡(luò)靈活。其設(shè)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(tài)功放的設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)

固態(tài)功放性能指標主要有：工作帶寬、增益、增益平坦度、穩(wěn)定性、三階交調(diào)、輸入輸出電壓駐波比(VSWR)等。單級放大器由于工作狀態(tài)、線性度、工藝等的限制難以滿足設(shè)計要求，實際應用中一般采用多管并聯(lián)的方式來合成功率。FY-2E氣象衛(wèi)星地面應用系統(tǒng)中的固態(tài)功放是采用4管并聯(lián)的合成方式(見圖 2)。

該系統(tǒng)主要由驅(qū)動放大器、功率放大器和四路徑向波導功率合成器組成。驅(qū)動放大器采用1:1熱備份形式工作，一旦其中一管子出現(xiàn)問題，能自動切換到另一備份放大器上工作，確保作業(yè)的正常進行。驅(qū)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(huán)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(tǒng)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(yè)量。因此，功放系統(tǒng)的穩(wěn)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(shù)目在此處是4，假設(shè)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?？捎嬎愕茫寒攏=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(tǒng)工作時的總增益我們要求是60dB，由此可見，固態(tài)功放管的穩(wěn)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(tài)的晶體管放大器，要經(jīng)歷截止區(qū)、線性區(qū)和飽和區(qū)，其輸入輸出阻抗是動態(tài)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(nèi)進行變換。后端的環(huán)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(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方法主要有動態(tài)阻抗法、大信號S參數(shù)法和負載牽引法。

功放組件的散熱設(shè)計

從理論上分析，影響固態(tài)功放組件穩(wěn)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(chǎn)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(wèi)星工作在S波段，工作波長相對較長，頻率穩(wěn)定性相對較好。而其每天高強度的工作量，即會產(chǎn)生高熱量，導致晶體管溫度急劇升高。因此，為保證固態(tài)功率放大器工作穩(wěn)定，必須對功放管進行熱設(shè)計，以確保放大器處于穩(wěn)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(chǎn)生的熱量傳給晶體管的法蘭，再傳給散熱器，通過風冷系統(tǒng)，產(chǎn)生一定的風壓，使周圍空氣從散熱器上帶走熱量。

固態(tài)高功放在FY-2E中的應用

FY-2E氣象衛(wèi)星應用系統(tǒng)地面指令與數(shù)據(jù)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(tǒng)組成。信道分系統(tǒng)是其中重要組成部分之一，主要任務(wù)是接收衛(wèi)星原始云圖、展寬云圖、遙測、三點測距等信號，并發(fā)射展寬云圖、遙控指令、三點測距等信號。固態(tài)功放組件是信道系統(tǒng)的咽喉，它一般也是系統(tǒng)中體積最大、耗電量最多，發(fā)熱密度最大的設(shè)備，由于其工作頻段較高(我國氣象衛(wèi)星FY-2系列在S波段)，對與前后傳輸網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)的性能指標。

運行過程的故障及解決方法

2009年12月發(fā)現(xiàn)所收到的一張衛(wèi)星云圖，如圖3所示，出現(xiàn)大量麻點和丟線，誤碼率為10-3個數(shù)量級(正常情況下為≤10-6)，而接收的遙測信號AGC電平、給衛(wèi)星發(fā)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(shè)備的運行情況，發(fā)現(xiàn)問題在固態(tài)功放，其輸出功率為47dBm，反射功率達到43dBm， 根據(jù)公式：反射系數(shù) ，駐波，可以計算出駐波比為4.4，已經(jīng)大大超過了正常值1.3。對于如此大駐波比產(chǎn)生的原因，進行了研究與排查，發(fā)現(xiàn)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(shù)較多，且干燥劑變紅失效，判定是波導系統(tǒng)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(jié)成冰塊，致使傳輸網(wǎng)絡(luò)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(shè)備廠家，對波導內(nèi)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(tài)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(fā)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(jié)合，特提出以下幾大重點監(jiān)管措施。

固態(tài)功放駐波的好與壞，是取決于其與后端饋線網(wǎng)絡(luò)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(huán)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(huán)境溫度、濕度劇變的情況下，加強監(jiān)督并采取保護措施;要定期檢查充氣機內(nèi)干燥劑，防止其變紅失效。

將功放后饋線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)納入監(jiān)控管理范圍，設(shè)置監(jiān)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(shù)、充氣時間間隔等參量的變化情況進行采集傳送到網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)，即可實時監(jiān)視。

FY-2E地面應用系統(tǒng)固態(tài)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(tǒng)及功放的監(jiān)視、控制和保護電路幾部分組成?？蓪ι漕l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(huán)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(shù)進行實時監(jiān)視并實施快速保護。另外，功放工作時功率大、產(chǎn)生熱量多，要定期對風冷系統(tǒng)進行巡檢，確保系統(tǒng)通風冷卻正常。

結(jié)語

本文通過對固態(tài)功放設(shè)計思路、關(guān)鍵技術(shù)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(shè)計，結(jié)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(tài)功放在實際業(yè)務(wù)中的穩(wěn)定性、可靠性和高效性。