固态高功放在FY-2E气象卫星中的应用研究

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 引言

  微波固态高功放与电真空功率器件相比具有体积小、工作电压低、频带宽、线性度好、可靠性高、寿命长、结构简单和维护方便等优点受到诸多领域的青睐,在宇宙通信、微波通信、雷达、电子对抗、遥测遥控等电子系统中有着广泛的应用,以完成对微弱信号的放大。为使其在实际应用中具备更高的效率,更好的性能和更低的故障率,本文以其在FY-2E气象卫星中的应用为例,研究了其设计和关键技术,结合实践中的应用,最后提出了几条具有针对性和有效性的保护措施。

  单级放大电路的设计思路

  一般微波功率晶体管放大器的设计主要包括:根据要求的性能指标,进行工作状态确定、输入输出匹配电路设计和偏置电路设计及热设计等。图1示出一个典型的共基极晶体管放大器电路。

 

  FY-2E的功率放大器采用C类工作,饱和输出。一般来说,放大器工作在饱和或接近饱和状态时效率最高。但由于工作在非线性状态下,确定工作点时,除考虑效率外还应顾及非线性失真的要求。在此处输入输出匹配电路[1-3]主要是让负载阻抗与源阻抗相匹配,减少功率反射损耗,增大传输功率、减少噪声干扰、提高频率响应的线性度。设计思路有以下两种选择:1.采用解析法求出电路元件的值。该方法可得到非常精确地结果,适用于计算机仿真;2.利用Smith原图作为图解设计工具。该方法计算量相对少,更加直观,容易验证。偏置电路的作用是提供适当的静态工作点,幷抑制晶体参数的离散性以及温度变化的影响从而保持恒定的工作特性,一般无源偏置网络容易实现,但不如有源偏置网络灵活。其设计考虑包括效率、噪声、对振荡的抑制、独立的电源供电、射频扼流和阻抗匹配。

  FY-2E中固态功放的设计及关键技术

  固态功放性能指标主要有:工作带宽、增益、增益平坦度、稳定性、三阶交调、输入输出电压驻波比(VSWR)等。单级放大器由于工作状态、线性度、工艺等的限制难以满足设计要求,实际应用中一般采用多管并联的方式来合成功率。FY-2E气象卫星地面应用系统中的固态功放是采用4管并联的合成方式(见图2)。

 

  该系统主要由驱动放大器、功率放大器和四路径向波导功率合成器组成。驱动放大器采用1:1热备份形式工作,一旦其中一管子出现问题,能自动切换到另一备份放大器上工作,确保作业的正常进行。驱动放大器通过分路器等分成4路分别推动功放管模块工作,最后由四路径向波导功率合成器合成输出,环形器的作用是防止驻波异常时,反射功率过大而破坏功放管。

       晶体管损坏对功放组件输出的影响

  由于FY-2E系统一年365天,平均每天至少完成28张云图,汛期加密观测时达到48张云图的高作业量。因此,功放系统的稳定可靠性就显得尤为重要。若工作中的晶体管有所损坏,从而使组件增益下降。令其增益变化为W,晶体管数目在此处是4,假设4个晶体管的输出场强等幅相加[4],这样合成器总输出信号的场强为2E,输出信号的功率为。当4路中有n路晶体管损坏时,合成器输出地信号场强为 ,功率为,则增益为。可计算得:当n=1时,增益下降2.5dB;当 n=2时,增益下降6dB;当n=3时,增益下降12dB。系统工作时的总增益我们要求是60dB,由此可见,固态功放管的稳定性是可观的。

  功放组件中晶体管的阻抗匹配

  脉冲工作时,工作在C类状态的晶体管放大器,要经历截止区、线性区和饱和区,其输入输出阻抗是动态变化的,但合成器、传输线的特性阻抗一般都是固定的。因此,要获得良好的阻抗匹配,必须将晶体管的输入输出阻抗在工作频段内进行变换。后端的环形器能将功放组件和天线馈部分隔离,在此,功放管的输出阻抗只需与径向波导合成器输入阻抗匹配即可。常用的晶体管功率放大器匹配网络的设计方法主要有动态阻抗法、大信号S参数法和负载牵引法。

  功放组件的散热设计

  从理论上分析,影响固态功放组件稳定性的因素主要有温度和工作频段[5]。当工作波长和微波电路的馈电线尺寸可以比拟时,很容易引起信号反馈,在放大器工作频段产生自激振荡,并且电源馈电线路中电容、电感也易引起低频信号反馈。由于FY-2E气象卫星工作在S波段,工作波长相对较长,频率稳定性相对较好。而其每天高强度的工作量,即会产生高热量,导致晶体管温度急剧升高。因此,为保证固态功率放大器工作稳定,必须对功放管进行热设计,以确保放大器处于稳定工作的温度范围。目前,功放组件散热工作主要是,将晶体管管芯产生的热量传给晶体管的法兰,再传给散热器,通过风冷系统,产生一定的风压,使周围空气从散热器上带走热量。

  固态高功放在FY-2E中的应用

  FY-2E气象卫星应用系统地面指令与数据接收站(简称CDAS),主要由天线、信道、图像、遥测遥控、测距等分系统组成。信道分系统是其中重要组成部分之一,主要任务是接收卫星原始云图、展宽云图、遥测、三点测距等信号,并发射展宽云图、遥控指令、三点测距等信号。固态功放组件是信道系统的咽喉,它一般也是系统中体积最大、耗电量最多,发热密度最大的设备,由于其工作频段较高(我国气象卫星FY-2系列在S波段),对与前后传输网络是否匹配良好要求高,所以其工作特性将直接影响整个CDAS系统的性能指标。

  运行过程的故障及解决方法

  2009年12月发现所收到的一张卫星云图,如图3所示,出现大量麻点和丢线,误码率为10-3个数量级(正常情况下为≤10-6),而接收的遥测信号AGC电平、给卫星发送的遥控指令、DPL的SSD跟踪均无误,由此可定位为信道部分必有强干扰。再检查信道部分设备的运行情况,发现问题在固态功放,其输出功率为47dBm,反射功率达到43dBm, 根据公式:反射系数 ,驻波,可以计算出驻波比为4.4,已经大大超过了正常值1.3。对于如此大驻波比产生的原因,进行了研究与排查,发现最近天气剧变,温度下降、大雪纷飞、空气湿度大,而充气机启动次数较多,且干燥剂变红失效,判定是波导系统漏气,机房的湿空气不能得到很好地干燥,直接充到天馈线中,而馈线在外遇冷凝结成冰块,致使传输网络阻抗失配,驻波比超标,给接收信号带来强干扰。针对此情况,我们配合设备厂家,对波导内湿空气进行了全部清理、在波导接口处加了密封垫。在处理完后,输出功率为46dBm,反射功率为28dBm,驻波比值正常,接收到的正常云图如图4所示。


        提出的保护措施

  固态功放是对驻波比极为敏感的微波器件,驻波太大会使其工作频段变小、给接收部分带来强干扰并使其饱和,更有甚者烧坏发射机。为防患于未然,笔者将理论研究和自己的工作实践相结合,特提出以下几大重点监管措施。

  固态功放驻波的好与坏,是取决于其与后端馈线网络是否匹配良好造成的。由于馈线大部分长期工作在室外,很容易受环境温度、湿度的变化、及大风天气碰撞而生锈、变形致使反射损耗变大。为此,要保证馈线上铁塔时不能有碰撞,且固定要牢固尽量不要承受过多硬力、固定间距不要太大;且在环境温度、湿度剧变的情况下,加强监督并采取保护措施;要定期检查充气机内干燥剂,防止其变红失效。

  将功放后馈线网络系统纳入监控管理范围,设置监测点,由于馈线充气机一般有遥信接口,可将充气气压、充气次数、充气时间间隔等参量的变化情况进行采集传送到网络监测系统,即可实时监视。

  FY-2E地面应用系统固态功放组件主要由输入/输出组件、功放模块、大电流的电源组件、风冷系统及功放的监视、控制和保护电路几部分组成。可对射频信号输入输出功率取样检测、反射功率取样检测。射频微波管对工作条件要求高,因此必须对环境温度、各功放模块温度、电源电压、输入功率、输出功率、反射功率等参数进行实时监视并实施快速保护。另外,功放工作时功率大、产生热量多,要定期对风冷系统进行巡检,确保系统通风冷却正常。

  结语

  本文通过对固态功放设计思路、关键技术和应用实例的探讨,研究了晶体管损坏对功放组件输出的影响、功放组件中晶体管的阻抗匹配、功放组件的散热设计,结合在实际工作的应用情况,最后提出了几条具有针对性和有效性的保护措施,可以提高固态功放在实际业务中的稳定性、可靠性和高效性。