國外SAR衛星T/R模塊電源單元設計分析與啟示

張曉峰 李海津 藏潔 田鵬

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

合成孔徑雷達(SAR)衛星通常在低地球軌道運行，具有全天時、全天候的高分辨率大范圍對地觀測能力，被廣泛應用于海洋陸地觀測、地形測繪等領域。SAR天線通常是有源相控陣型天線，由多個相同的陣面組成，每個陣面由幾個輻射子陣面組成，用于發送和接收信號[1]。每個子陣面包括發送器和接收器模塊(T/R模塊)。SAR天線的架構可以是分布式或者集中式。分布式架構中，每個子板面對應一個專用T/R模塊、控制單元和電源單元(PSU)；集中式架構中，一個電源單元為多個發射器/接收器(T/R)模塊供電[2]。由于SAR天線具有脈沖、高峰值功率的工作特點，對T/R模塊電源單元的供電質量、體積、質量等均提出了特殊要求[3-6]：

(1)電源的可靠性設計對于T/R模塊的PSU極為重要。T/R模塊工作在脈沖模式，脈沖重復頻率(PRF)一般在1500 Hz和5000 Hz之間，占空比一般為0～10%。當發射器被激活時，在天線側產生數千瓦的射頻脈沖，T/R模塊會產生大電流，此時在T/R模塊PSU輸入電源線上會存在很大的傳導干擾。這就要求精確設計PSU，避免高脈沖功率對其他有效載荷和航天器上其他關鍵設備造成干擾。另外，大功率脈沖功率也會影響T/R模塊的電能質量，為了保證高質量供電需要對PSU進行嚴格設計，包括對PSU的功率和控制回路進行優化。

(2)SAR衛星在體積分配和熱設計方面對T/R模塊PSU的設計提出了嚴格的限制。PSU必須定制設計適應SAR的天線結構，實現最佳的電氣性能。并且還需要在有限的空間里安裝足夠容量的濾波器實現PRF頻率點的濾波。另外，PSU中印刷電路板的固定點數量和位置也需要嚴格設計以滿足機械和熱設計的約束。

由上述特點可見T/R模塊PSU的約束條件多、設計難度大，因此本文對國外具有代表性的地中海盆地觀測小衛星星座(COSMO-SkyMed)、“哨兵-1”(Sentinel-1)衛星和阿根廷微波對地觀測衛星(SAOCOM-1A)等SAR衛星中的T/R模塊PSU進行了詳細地介紹，對比了關鍵性能參數，分析提煉了T/R模塊PSU的設計要點，可為后續其他SAR衛星T/R模塊PSU的設計提供參考。

1 國外SAR衛星T/R電源設計分析

1.1 COSMO-SkyMed的T/R電源介紹

COSMO-SkyMed包括4顆衛星，是意大利航天局和國防部合作項目，由阿萊尼亞宇航公司(Thales Alenia Space)制造，用于地中海周邊地區的監測和海洋污染治理。搭載了X頻段合成孔徑雷達，分辨率1 m，能夠在任何氣象條件下觀測地球，首顆衛星于2007年6月8日發射。自2007年發射以來，COSMO-SkyMed的瓦片供電單元(TPSU)已經通過飛行認證，并在該星座的4顆衛星上應用。其工作溫度范圍為-35 ℃～+60 ℃。共有320個TPSU安裝在衛星上(每個SAR天線上80個)[7]。以下分析COSMO-SkyMed衛星TPSU的設計方案特點。

1.1.1 COSMO-SkyMed T/R模塊TPSU方案設計

COSMO-SkyMed T/R模塊TPSU的主要技術指標見表1[8]。

表1 COSMO-SkyMed TPSU指標

注：@PRF表示電流在脈沖重復頻率點下的紋波值。

TPSU的功能如圖1所示。TPSU采用集中式供電架構，1個TPSU可以為16個T/R模塊提供電能。如圖1所示，TPSU由以下兩部分組成。

(1)雙降壓變換器，作為主電源，用于為發射器和接收器模塊提供電源。

(2)反激式變換器，作為輔助電源，用于為發射器和接收器數字和模擬電子模塊生成所有內部輔助電源和低功率輔助電壓。

該方案主要的特點有：

(1)該TPSU的設計要點是尺寸和效率，以實現SAR天線空間分配問題的最小化設計。為了實現TPSU的體積、質量最小化設計，TPSU采用印刷電路板加輸出線，集成到SAR天線板結構中。電氣隔離和主母線輸入濾波器位于衛星平臺上的專用SAR天線電源(SAPS)中。此外，由于TPSU尺寸限制，V1和V2上的所有輸出電容濾波器都安裝于射頻模塊中。

(2)為了獲得最大效率，降壓功率變換器采用了同步整流技術。所有控制電路都安裝在厚膜混合物內，厚膜混合物是一種基于多層陶瓷襯底的材料，用來優化熱管理。

(3)V1(發射器)和V2(接收器)電源調節器的控制環路帶寬設計在保證電能質量的前提下，在輸入電流紋波(傳導干擾)和輸出電壓濾波器之間獲得了最佳折衷。

(4)TPSU具有完備的保護功能，主要包括：過流保護可在下游負載故障時保護TPSU或主母線；在負載供電線路中加入熔斷器保護線路；在欠壓恢復后，TPSU將自動啟動，輸出電壓按預定順序定時接通和斷開。

(5)保證機械和熱安全裕度。TPSU采用了八個連接點可確保在規定的振動水平下的機械安全裕度。散熱設計基于任務環境條件，通過特殊設計的固定點和安裝關鍵部件散熱器，實現SAR天線熱控制系統中熱阻最小化。

圖1 COSMO-SkyMed電源單元的功能框圖Fig.1 Functional diagram for PSU in COSMO-SkyMed

1.1.2 COSMO-SkyMed T/R模塊TPSU性能

1)動態性能

測試中V1輸出端安裝的電容為7200 pF，V2輸出端安裝的電容為2400 pF。輸出電壓控制環路帶寬設定為1 kHz。圖2給出了空載時+8.5 V輸出的負載瞬態響應測試結果，動態響應時間10 ms，超調量5%[9]。圖2中，橫坐標為時間刻度為每格5 ms，縱坐標輸出電壓V1刻度為每格0.2 V。由圖2可知，輸出具有較高的動態性能。

2)電磁干擾(EMI)性能

傳導干擾由TPSU的控制環路和TPSU以及SAR天線電源(SAPS)的濾波器兩個方面決定。EMI測試可以評估TPSU對系統中其他設備產生的干擾。EMI測試結果見圖3(TPSU的輸入電源線)和圖4(主母線電源線，SAPS的輸入端)[7]。為了直觀表示，圖3、4中橫坐標采用了對數坐標。

圖2 負載變化時+8.5 V負載模塊輸出波形Fig.2 Load change waveform of +8.5V load module

圖3 TPSU輸入電源線測試結果(差模，頻率范圍0～50 MHz)Fig.3 Input bus of TPSU (differential signal 0～50MHz)

圖4 主母線(SAPS輸入)測試結果(差模，頻率范圍0～50 MHz)

3)尺寸質量性能

TPSU在最大功率130 W下的效率大于81%。TPSU質量為460 g，尺寸參數見表2。

表2 TPSU機械參數

1.2 “哨兵-1”衛星 T/R電源介紹

“哨兵-1”(Sentinel-1)衛星是歐洲航天局哥白尼

計劃(GMES)的地球觀測衛星，Sentinel-1衛星載有C頻段合成孔徑雷達，用于監測海洋環境、地表運動、勘測地表等。Sentinel-1衛星在2014年4月3日由聯盟號火箭發射升空，其PSU于2010年通過認證，溫度范圍為-35℃～+65℃。每個Sentinel-1衛星上采用了28個PSU。以下分析Sentinel-1衛星T/R電源的方案特點。

1.2.1 Sentinel-1 T/R模塊PSU方案設計

Sentinel-1衛星中PSU的主要指標見表3[10]。

表3 Sentinel-1衛星PSU指標

PSU的功能如圖5所示。PSU由兩個主變換單元第一個負責為發送(TX)電源線供電(V1)，由于有隔離的要求采用了推挽電路。第二個為反激電路，負責為接收(RX)電源(V2)供電并提供三路輔助電路電壓，分別是功率部分偏置(V3)，正數字控制電路電源(V4)和負數字控制電路電源(V5)。

Sentinel-1衛星PSU具有如下主要特點如下：

(1)輸入電流紋波要求更為嚴格，峰峰值為50 mA，避免了對其它設備的干擾。

(2)所有輸出均采用了變壓器隔離，具有更強的EMI干擾隔離能力。

(3)PSU安裝在專用機械盒中，具有更強的抗干擾、抗輻照能力。

(4)PSU的輸出存在大的電容濾波器，V1和V2線路上存在放電器電路，以便快速釋放電容電壓。

圖5 Sentinel-1衛星PSU功能框圖Fig. 5 Functional Diagram of PSU for Sentinel-1

1.2.2 T/R模塊PSU性能

1)靜態輸入/輸出性能

為了實現PRF的電壓響應和一次電源側電流紋波的折衷，以V1輸出為例，調節器帶寬設置為500 Hz。PSU的輸入母線電流、輸出電壓和電流的波形如圖6所示[10]，圖6中橫坐標為時間刻度為每格100 ms，縱坐標輸入母線電流紋波刻度為每格0.1 A，輸出電壓V1刻度為每格0.1 V，輸出電流刻度為每格10 A。從測試結果看，主母線輸入側的電流紋波極小，幅值為50 mA。

圖6 輸入輸出波形Fig.6 Input and output waveform

2)動態性能

圖7給出了負載階躍時的動態響應波形，負載從100%到空載再到100%，期間空載持續時間8 ms，從波形中可以看出動態響應時間低于10 ms[10]。圖7中，橫坐標為時間刻度為每格5 ms，縱坐標輸出電壓V1刻度為每格0.2 V，負載開關信號刻度為每格2.5 V。

3)尺寸質量性能

PSU在最大輸出功率點的效率高于82%，PSU的尺寸和質量見表4。

表4 PSU機械參數

1.3 阿根廷微波對地觀測衛星T/R電源介紹

阿根廷微波對地觀測衛星(SAOCOM-1A)是由阿根廷宇航局負責研制的一顆L頻段地球觀測衛星。核心目標是測量土壤濕度、監測洪水淹沒范圍等。實時和存儲模式的空間分辨率10～100 m。SAOCOM-1A已于2018年10月8日發射成功，SAOCOM-1B預計2020年發射。以下分析SAOCOM-1A衛星PSU技術方案的特點[11]。

1.3.1 SAOCOM-1A的T/R模塊PSU方案設計

SAOCOM-1A的PSU主要指標見表5[11]。

圖8給出了SAOCOM-1A的PSU功能框圖，SAOCOM-1A的PSU具有如下主要特點。

(1)PSU只通過一個變換器，實現輸出側的電氣隔離，變壓器副邊的5個低壓穩壓器提供所需的輸出電壓。

(2)V1和V2線路上存在大的濾波電容，因此每個線路上安裝有泄放電路，以便快速釋放這些電壓。此外，電路具有保護單元，當輸出發生短路時受到保護。

(3)雖然SAOCOM-1A的PSU功率較小，但PSU必須滿足輸出電壓動態調節和穩態紋波以及最大傳導發射方面的嚴格要求。EMI的限制主要通過PSU的輸入濾波器來滿足。由于采用了分布式架構，每個T/R模塊有一個PSU，輸入濾波器必須限制在非常緊湊的空間。考慮到存在大量的PSU，選擇了一種解決方案，其中所有PSU電路和控制部分安裝在厚膜混合物，將體積大的輸入濾波器集中留在外面。將1540 pF的輸出濾波電容集中安裝在PSU的V1輸出線路上。

表5 SAOCOM-1A的PSU 指標

圖8 SAOCOM-1A的PSU功能框圖Fig. 8 Functional Diagram of PSU for SAOCOM-1A

1.3.2 SAOCOM-1A的T/R模塊PSU性能

1)靜態輸入/輸出性能

主變換器帶寬、輸入和輸出濾波器尺寸以體積最小化為目標進行折中設計。V1輸出濾波電容3000 pF(PSU中為1540 pF)。電壓控制環路的帶寬設置為1 kHz。輸入電流的特性見圖9[11]，圖9中橫坐標為時間刻度為每格500 μs，縱坐標輸出電壓V1紋波刻度為每格0.5 mV，輸入紋波刻度為每格10 mA，從波形中可以看出輸入電流在PRF頻率下的峰峰值為12 mA。

圖9 輸入電流波形Fig.9 Input and output current waveforms

2)動態性能

發射器開機時的動態波形如圖10所示，開始收到TX ON命令(V1工作在半載)。然后，接收RF ON命令(V1工作在滿載)。圖10中，橫坐標為時間刻度為每格10 ms，縱坐標輸出電壓V1刻度為每格0.5 V，負載電流刻度為每格1 A。從實驗波形中可知，PSU輸出的動態調節時間小于45 ms，V1電壓瞬態范圍保持在9.6～11.3 V，PRF頻率下的V1紋波約為280 mVpp。

3)尺寸質量性能

PSU在額定功率輸出(20.75 W)下的效率高于68.5%。SAOCOM-1A的PSU尺寸和質量見表6。

圖10 TX ON和RF ON時的V1瞬態波形Fig.10 V1 dynamic waveforms under TX ON and RF ON

項目數值尺寸(長,寬,高)/mm135×85×24質量/g350

2 T/R模塊電源需求特點分析

總結上述3個國外典型SAR衛星T/R模塊的PSU，它們的參數對比見表7，通過對比可以得到T/R模塊PSU的特點。

(1)PSU是一種多路輸出電源，需要為多個負載提供功率，具體的輸出要求為：①為發射器提供主功率電源；②為接收器提供主功率電源；③提供T/R模塊的小功率低壓電源；④提供控制邏輯電路的小功率低壓電源；⑤輸出需要安裝可控開關；⑥需要安裝TX/RX輸出電容的泄放電路。

(2)PSU必須根據具體應用場合適應SAR天線配置嚴苛的空間布局要求，優化設計主電路濾波器和主調節器的動態性能，保證輸出電能質量，提升電源單元的EMC性能、降低輸出電壓紋波和輸入電流紋波。

T/R模塊PSU輸出需要具有較小的電壓紋波，保證供電質量。對于大功率輸出，輸出紋波的范圍通常為幾百毫伏，對小功率輸出通常為幾十毫伏。同時，PRF頻率處的輸入電流紋波必須控制在允許范圍，從而避免SAR天線工作期間對其他用電設備產生干擾。

(3)PSU需要提供保護(輸入/輸出過流，輸入欠壓，內部輔電的欠壓/過壓)、遙測(輸入電流/輸出電壓、溫度等)。為了提升EMI性能，通常還需要加入外部同步。

3 T/R模塊電源設計要點

1)輸入電壓選擇及電路拓撲篩選

由于SAR天線峰值功率大，T/R模塊的PSU通常采用不調節母線供電。因此，輸入電壓范圍較寬，其值是蓄電池組電壓范圍，從表7中可以看出3種PSU的輸入范圍接近，通常在38～65 V。

在電路拓撲選擇上，3種SAR中T/R模塊PSU均采用了分布式結構，系統中采用了多個PSU供電，提高了供電的可靠性。因此每個PSU功率比較小(單個PSU功率在200 W以下)，主要選擇小功率下具有較高效率的Buck電路、推挽電路和反激電路等，如圖11所示。由表7可以看出，COSMO-Skymed和Sentinel-1的T/R模塊PSU均采用了兩種拓撲組合，功率較大的采用了Buck電路或推挽電路，而功率較小的部分采用了反激電路。SAOCOM-1A的PSU由于整體功率比較小因而只采用了一個推挽電路。

表7 3種PSU的參數對比

圖11 部分可選電路拓撲Fig. 11 Some options of circuit topology

2)濾波電容設計約束

PSU濾波電容大小主要是由功率器件開關頻率、動態響應指標要求等決定。與一般電源不同，T/R模塊電源為了滿足輸入電流紋波的要求，需要通過輸出電容對脈沖負荷引起的功率波動進行平抑，減小輸入功率的波動，從而避免T/R模塊脈沖工作對一次母線上其他設備的干擾。例如，COSMO-Skymed的V1輸出電容為7200 pF，SAOCOM-1A的V1輸出電容為3000 pF。

由于T/R電源負載脈沖重復頻率較高、占空比較小，通過設置T/R電源的控制環路帶寬小于重復頻率PRF，等效于提高了變換器的輸出阻抗(如圖12所示)，使脈沖功率的輸出主要由電容提供，變換器的控制環路對于脈沖功率造成的輸出電壓波動影響很小，從而降低輸入功率的波動。從表7中可以看出3種T/R電源的控制帶寬均小于PRF。

圖12 輸出阻抗示意圖

脈沖功率輸出的示意如圖13所示。t0～t1階段，輸出功率由輸出電容提供，t1～t2階段，變換器給輸出電容充電。根據能量守恒，脈沖輸出的功率等于電容能量的減少，可以得到：

(1)

式中：D為脈沖功率的占空比(0～10%)，Vo為輸出電壓額定值，Io為最大負載電流，fPRF為PRF頻率，Co為輸出電容，Δvo為允許的輸出電壓波動。

圖13 脈沖功率輸出示意圖Fig.13 Pulse output waveforms

通過簡化式(1)，可以得到輸出電容容值的約束條件為

(2)

對于大電流輸出場合，需要格外注意電容的寄生電阻(ESR)，選取低ESR的電容，通常采用多組并聯形式。

3)多路輸出電源交叉調整率

T/R模塊PSU作為一個典型的多路輸出電源，并且多路之間功率大小差異較大。接收器和發射器支路的功率較大，其他路輔助電源支路功率較小。因此，T/R模塊PSU存在多路輸出交叉調整率問題，同時T/R模塊PSU輸出電能品質要求高，需要在電路設計方案中仔細考慮。

實現多路輸出可以采用單個變換器方案也可以采用多個變換器方案。如果T/R電源采用單個變換器的方案，可以通過高頻變壓器的多抽頭實現多路輸出，由于只能一路作為輸出電壓反饋，這樣會造成其他功率小的支路電壓變換范圍較大。此時，非反饋路需要采用線性穩壓電路或者開關穩壓電路保證輸出穩定。SAOCOM-1A的T/R模塊電源就采用了單獨的支路作閉環反饋，其余支路均采用了線性穩壓電路。這樣只適合于功率比較小的電路，如果功率比較大，系統的損耗將過大。

如果采用多個變換器方案，大功率的支路需要獨立的電壓反饋調節，其他小功率支路可以采用線性穩壓電路，這樣可以保證所有支路均滿足穩壓要求。文中介紹的COSMO-SkyMed的T/R電源，接收器和發射器均采用了一個Buck電路，其余輔助電源支路采用了反激電路供電。Sentinel-1同樣采用了兩個變換器，發射器采用了獨立的推挽電路。接收器與其他輔助供電采用一個反激電路，反激電路中接收器輸出支路采用了獨立的反饋調節，其余支路采用線性穩壓。

4)輸出電容的泄放電路及軟啟動

由于輸出電容的容值很大，因此需要設計泄放電路，在關機后能夠將電容上的多余電量放掉，保證系統安全。Sentinel-1的接收器和發射器支路分別安裝了一個泄放電路。SAOCOM-1A中接收器和發射器支路共用一個泄放電路。另外，電路在啟動時，需要為大的輸出電容設計軟啟動方案。可以通過加入電感等硬件電路，也可以通過軟件方法控制占空比完成軟啟動，抑制啟動時的電流尖峰。

4 啟示

通過對國外COSMO-SkyMed、Sentinel-1、SAOCOM-1A等SAR衛星T/R模塊PSU方案特點的分析總結，為我國SAR衛星T/R模塊電源的研發提供了如下啟示。

1)開展T/R電源功率變換拓撲效率提升研究

SAR天線T/R模塊電源的體積、質量有嚴格的限制，PSU通常沒有大面積的基板來散熱，熱量通常集中在有限數量的固定點處，電源的散熱壓力大。研究高效率的功率變換拓撲，減少功率變換損耗，能夠降低熱控壓力，極大提高電源的功率密度。因此，我國應開展功率變換拓撲效率提升方案研究、包括新型高效率功率變換拓撲研究、新型碳化硅功率器件(SiC)、氮化鎵器件(GaN)應用研究、高效率控制方案研究等，通過多種途徑降低損耗并提升電源的功率密度。隨著SAR衛星功率的增加，效率提升帶來的體積重量優勢將更加明顯。

2)加強T/R電源濾波器優化設計方法研究

濾波器的設計是T/R電源PSU設計的難點，SAR天線T/R模塊的電源單元需要在高功率脈沖操作期間穩定運行，并且必須滿足傳導發射和輸出電壓紋波方面的嚴格要求。因此，需要在有限的可用空間及其他應用需求下，進行輸入和輸出濾波器的優化設計。國外SAR衛星T/R電源通常采用軟件控制策略與硬件電容濾波相結合的方法，實現體積和性能的折中。我國也應開展T/R電源濾波器設計方案的研究，除了探索軟硬件配合的方案外，還應開展新型濾波電源拓撲研究，通過有源濾波等技術減小電容大小，進而減小體積。此外，隨著SAR衛星功率的不斷增加，PSU輸出電流成倍增加，我國也應開展大放電電流低ESR大容量電容的研制。

3)深入開展T/R電源的可靠性研究

電源的可靠性是電源的一個重要的指標，隨著SAR衛星功率的增加，SAR天線供電方案的復雜度不斷增加。國外SAR衛星的T/R模塊電源通常采用分布式架構提升系統的可靠性。但是，分布式架構為系統的保護提出了更大的挑戰，分布式架構中任何模塊的短路故障均有可能造成整個系統的崩潰。因此，PSU電源需要能夠快速隔離故障模塊，使故障影響范圍最小化，以避免天線模塊之間的故障擴散。在分布式電源系統保護方面國內外的研究均比較少，我國需要深入開展電源可靠性研究，探索相應的保護方法，對今后我國研制大功率SAR衛星意義重大。

5 結束語

SAR衛星的T/R模塊電源的設計約束條件多、設計難度大，本文對國外具有代表性的COSMO-SkyMed、Sentinel-1和SAOCOM-1A等SAR衛星中的T/R模塊PSU分別進行了詳細介紹，對比了PSU的主要技術指標、電路拓撲、主要功能、動靜態響應、EMI性能、體積重量等關鍵參數，分析提煉出了T/R模塊PSU關鍵參數的設計思路與要點，包括了輸入電壓選擇、電路拓撲篩選、濾波電容設計、交叉調整率等方面，可為后續其他SAR衛星T/R模塊PSU的設計提供參考。結合我國T/R模塊PSU的研究現狀，提出了我國SAR衛星T/R模塊電源技術需要在以下3個方面進行強化，包括開展功率變換拓撲效率提升研究、加強濾波器優化設計方法研究、并深入開展T/R電源的可靠性研究。通過對以上方面的分析與思考為我國SAR衛星T/R模塊電源的發展提供了建議。