深空探測用X波段固態放大器設計

車佳 黃碩 劉宇 張亮

(上海航天電子技術研究所,上海 201109)

深空探測用X波段固態放大器設計

車佳 黃碩 劉宇 張亮

(上海航天電子技術研究所,上海 201109)

為適應深空探測中的初期下行鏈路建立需要,滿足任務中對測控數傳分系統的功能、指標需求,提出一種新型的X波段固態放大器設計方案。本固放可實現0.5W/10W功率切換輸出,且功耗較低。同時,固放內部包含DC-DC電源電壓轉換電路,實現一體化設計。本固放具有信號功率放大、抑制帶外雜波等功能,可與X頻段應答機配合完成下行X頻段信號的發射,與地面測控站一起構成X頻段下行鏈路。

深空探測 X頻段固放 切換輸出功率 小型化

本文將提出一種新型的X波段固態放大器設計方案。本固放可實現0.5W/10W功率切換輸出，且功耗較低。同時，固放內部包含DC-DC電源電壓轉換電路，實現一體化設計。該款固態功放將應用于某型號深空探測測控、數傳分系統中。

1 技術要求

X波段固態放大器主要性能指標見表1所示。

2 任務分析及電路組成

固態放大器主要實現以下功能：(1)接收輸入信號，送入固放進行功率放大；(2)通過遙控指令對固放電源開關進行控制；(3)通過遙控指令對固放的輸出功率進行選擇，選擇0.5W或10W輸出。

3 固放設計關鍵技術

3.1 小型化微波鏈路設計技術

微波放大鏈路部分主要由輸入隔離器、輸出隔離器、驅動放大器與功率放大模塊組成。末級功率放大部分采用我所自研的功率放大模塊，該模塊主要功能為微波信號的功率放大，器件為一路輸入、兩路輸出的結構形式，兩路微波功率輸出可獨立加電。器件采用微組裝工藝技術(MCM)進行設計，具有小型化、高集成等優點。

3.2 輸出功率切換技術

表1 固態放大器電氣性能要求表

表2 功率放大模塊單路測試數據(Vd＝7V,Vg＝-0.65V,Id靜態＝1.90A)

圖1 微波放大鏈路設計

由于在深空探測過程中，在單機內氣壓未完全釋放時，單機輸出高功率可能會引起低氣壓放電等現象，損壞內部設備，因此在單機內氣壓未完全釋放時，設置單機輸出功率為0.5W，防止設備損壞。繼電器在得到固放開機遙控指令后進行電源模塊的開關控制，在得到切換0.5W/10W遙控指令后進行DC-DC電源轉換電路輸出電壓的切換，通過繼電器的切換，電源模塊可將一次母線的28V電壓轉換成0.5W/10W輸出功率時微波鏈路中各級放大管的工作電壓，繼而完成輸出功率切換實現。

4 固放設計方案

微波功率放大鏈路為固放的必須電路部分，它將實現微波信號功率放大。微波放大鏈路見圖1所示。

0.5W工作模式：輸入信號功率P=0～5dBm，經隔離器、壓控衰減器后，微波信號進入驅動放大進行放大；放大后的信號進入末級功率放大模塊，設置功率模塊的兩路漏壓一路關閉，一路開通，模塊放大后輸出功率為28dBm。經隔離器的衰減后，最終鏈路輸出功率為27.5dBm(0.56W)，滿足指標要求。

5 測試驗證與指標復算

本固放中，主要的功率器件為末級自研功率放大模塊，方案中，對該模塊進行電壓降額設計，第一可降低芯片工作結溫，第二可以減少整機的功耗。

對該放大模塊中單路組件進行漏級電源拉偏測試，按器件熱阻為4℃/W計算，測試數據見表2所示。

從測試結果中可以看出：(1)當單路功率組件的漏極為+7V，輸入功率為2dBm時，輸出功率38.3dBm，再通過后續的合成器，功率放大模塊可以輸出41dBm的功率；(2)當單路功率組件的漏極為+4V，輸入功率為-8dBm時，輸出功率31.5dBm，再通過后續電路，功率放大模塊可以輸出28dBm的功率。

因此，通過電源轉換模塊調整功率放大模塊的漏極電壓，從+7V調整到+4V，可以實現固放輸出功率在10W和0.5W之間切換的功能，并且在切0.5W時固放的功耗明顯降低。

6 結語

本文提出一種新型的X波段固態放大器設計方案，固放可實現0.5W/10W功率切換輸出，且功耗較低。同時，固放內部包含DCDC電源電壓轉換電路，實現一體化設計。通過對自研功率放大模塊進行電源拉偏測試，進一步驗證設計方案的合理性和可行性。各項指標均符合分系統技術指標要求，可用于深空探測X波段固態功放的研制工作。

[1]Raymond Basset High-Power GaAs FET Device Bias Considerations, Fujitsu application note number 110.

[2]Vincent, J.B. A 16W solid state MMIC X-band amplifier for TWT replacement. IEEE. 1996,2：749-752.

[3]Kai Chang. Microwave solid-state circuits and applications.New York：John Wiley & Sons,Inc.1994.

車佳(1976—),男,四川資中人,碩士,高級工程師,1999年畢業于北京航天航空大學電子工程專業,現任上海航天電子技術研究所副總工程師,主要研究方向雷達接收機、頻率綜合器、宇航測控應答機、數傳發射機、數據處理。