CN102611396A - 一种微波固态功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微波固态功率放大器，该功率放大器在-45℃～+65℃环境温度范围工作，用于完成星地间通信任务中信标信号和遥测信号的放大，且固态功率放大器采用多级放大器级联，所述功率放大器包含：依次串联连接的前置放大器、驱动功率放大器和末级功率放大器；微波信号输入端与所述前置放大电路的输入端相连；所述各个放大器电路的射频输入和输出端分别连接微带隔离器；所述微波信号输入端与前置放大器输入端之间以及所述前置放大器的输出端与所述驱动功率放大器的输入端之间分别接入一个X波段腔体带通滤波器。所述前置功率放大电路还包含依次串联连接的小信号放大器和高增益微波集成功率放大器。

Description

一种微波固态功率放大器

技术领域

本发明涉及深空探测器YH-1火星探测器的X波段发射机中的功率放大器，用于完成星地间通信任务中信标信号和遥测信号的放大，具体涉及一种微波固态功率放大器。

背景技术

中俄联合探测火星项目2007年立项启动，中国研发首颗深空探测器YH-1火星探测器。火星与地球相距3.0～3.5亿公里，YH-1火星探测器测控数传分系统要实现在如此超远通信距离的深空环境下与地球的有效通信。下行链路主要完成探测器工程遥测参数和科学探测数据的下行传输任务；配合地面甚长基线干涉测量网(VLBI)完成测定轨任务，为地面测量站提供星-地之间的高稳定频率标准信号。

X波段发射机主要功能包括：1)为实现地面VLBI(甚长基线干涉仪)跟踪测轨，提供满足频率指标要求的信号；2)将工程遥测参数、科学探测数据直接送到天线系统，发往地面下行接收站；3)为星上有效载荷进行X波段掩星试验提供星-地之间的信号源。

X波段发射机具有四种工作模式：单频点、双频点、三频点信标和数据传输。四种工作模式下的下行信号采用时分方式交替发射，不同工作模式通过控制指令进行切换。X波段发射机作为信标机使用时，停止数据传输。

由于通信距离达到3.0～3.5亿公里，下行通信链路有巨大的信号衰减和传输时延等特点，X波段固态功率放大器作为X波段发射机的一部分，实现对下行链路传送的射频信号功率的放大，达到通信链路需要的发射功率，便于星地间通信的建立。

X波段发射机作为信标机使用时，如果发送三频点信号，将发射三个无调制载波，每个频点的功率为0.9W。

当需要发送双频点信号及进行火星与地球之间掩星试验时，X波段发射机将发射两个无调制载波，每个频点的功率为2W。

X波段发射机用于数据传输时，总信号功率大于10W；数传时，信号有残留载波分量，功率为2.0W，该频点也可用于VLBI测试。

国际电联(ITU)组织将空间飞行器对地球进行数据传输等星地通信系统的工作频段做了严格界定。星地通信系统通常采用的S频段、X频段以及Ka频段的工作带宽有明确的划分和应用要求，对带外频谱辐射幅度遮罩(MASK)上限给出了严格的限制要求。特别是深空通信链路中，X波段星地链路通信带宽为8400～8450MHz，可用带宽仅为50MHz，要保证星上通信系统对地球站发射信号的带外频谱辐射幅度约束在相应Mask上限内，需要在星上下行发射机的系统设计上予以保证。据此，现有技术的星载数传发射机仅考虑在微波功率放大器输出端，即本发明末级功率放大器输出端增加一个可耐受大功率的微波腔体带通滤波器，限制带外频谱辐射幅度。另外一种方法是采取在发射机数据调制电路单元对调制信号进行成型滤波以降低信号带外辐射，这种方法对较低码速率效率低，也会增加电路的复杂度。

前述在微波功率放大器输出端增加一个腔体带通滤波器的方法，有两方面缺陷；一方面由于腔体滤波器有一定差损，会降低发射机的有效输出功率，因此需要微波放大器输出更大功率，降低了整机的效率，同时增加微波功率放大器稳定工作对热平衡方面设计的复杂度；另外，在空间应用中，腔体滤波器的耐受微波功率需要比通过功率大6dB余量(本发明微波固态功率放大器输出功率大于11W，腔体滤波器需要耐受大于50W的微波功率)，否则会出现微放电现象造成损坏，影响微波放大器的工作稳定性。而耐受50W微波功率的腔体滤波器的输入输出端连接器只能采用波导连接器，不仅体积大且设计的复杂度增加。

发明内容

本发明的目的在于，为克服现有技术的微波固态功率放大器的工作频段带外频谱有效抑制复杂造成整机不能轻小型化及效率低、长时间加电工作稳定性设计难度大等缺陷，本发明提供一种微波固态功率放大器。

为实现上述目的，本发明提供了一种微波固态功率放大器，该功率放大器在-45℃～+65℃环境温度范围工作，用于完成星地间通信任务中信标信号和遥测信号的放大，所述功率放大器包含：

依次串联连接的前置放大器、驱动功率放大器和末级功率放大器；微波信号输入端通过第一X波段腔体带通滤波器与所述前置放大器的输入端相连；所述前置放大器的输出端与所述驱动功率放大器的输入端之间通过第二X波段腔体带通滤波器相连；所述各级放大器电路的射频输入和输出端分别连接微带隔离器。

上述技术方案中，所述前置放大器进一步包含：依次串联连接的小信号放大器和高增益微波集成功率放大器；且所述前置放大器的输出端为所述高增益微波集成功率放大器的输出端。

优化的，所述末级功率放大器还经过一段50欧姆匹配微带线与其输出端的微带隔离器相连接。

所述小信号放大器、驱动功率放大器和末级功率放大器采用微波砷化镓金属半导体场效应管作为功放管。

进一步优化的，所述微波固态功率放大器采用电源变换电路为各单元供电，所述电路变换单元包含：DC/DC电源二次变换电路和加电顺序控制电路；所述DC/DC电源二次变换电路将母线电压变换为各电路单元的工作电压，为各电路单元提供-5.0V和+9.5V工作电压；所述加电顺序控制电路用于控制当-5.0V供电输入到所述小信号放大器、驱动功率放大器和末级功率放大器电路后，延迟一定时间后才输入+9.5V的供电，使功放管先加上栅极负电压，后加上漏极正电压。所述DC/DC电源二次变换电路与所述末级功率放大器在该微波固态功率放大器上的安装位置相距较远。

上述技术方案中，所述微带隔离器采用永磁材料组件，且根据组件包含的各单件的磁偶极子磁矩大小和方向，用对称布置的方法，部分或全部相互抵消剩磁。所述永磁材料组件具体为六个铁氧体隔离器，所述六个铁氧体隔离器成对匹配安装，所述匹配安装为对应于每级功率放大器的输入端的微带隔离器的磁场为反向、输出端的微带隔离器的磁场为正向，实现微带隔离器的剩磁尽可能相互抵消。

所述第一X波段腔体带通滤波器和第二X波段腔体带通滤波器的输入输出端连接器采用标准的SMA型射频连接器。

与现有技术相比本发明的技术优势为：

本发明在微波固态功率放大器的输入端设计了一个带通滤波器，以及在前置放大器输出端和驱动功率放大器输入端之间设计了一个带通滤波器，这两处微波功率相对较小(输入端信号幅度-1dBmW、前置放大器输出功率30dBmW)，腔体滤波器不会发生微放电现象，滤波器耐受功率最大仅需4W即可，由此滤波器设计简单，输入输出端连接器采用标准的SMA型射频连接器即可，能实现小型化。测试结果表明，本发明中的微波固态功率放大器将射频调制信号放大后，X波段50MHz带宽外，特别是7.1GHz(深空探测地球对卫星通信上行链路工作频段)频段范围频谱幅度达到了ITU组织规定的幅度范围，保证下行系统工作不干扰星上接收机正常工作。本发明中的技术设计克服了现有技术设计缺陷，进一步实现了微波固态功率放大器轻小型化。

本发明中的微波固态功率放大器内部将热耗较大的末级功率放大器、DC/DC变换模块的固定位置尽可能拉开距离，避免热耗集中在小区域。另外，选用高增益、高效率微波集成功率放大器作为信号放大器，减少放大器的级数，提高了整机效率。

本发明中，微波功率放大器由前置放大器、驱动功率放大器及末级功率放大器组成，其中前置放大器由小信号放大器和微波集成放大器组成，整机共由四个微波放大器组成。为保证每一级放大器稳定工作，在每一个微波放大器的输入、输出端设计了50Ω微带隔离器(一种铁氧体永磁材料三端口器件)，使得每一级放大器输入输出端的匹配稳定，不影响其他放大器的输入输出端口匹配，保证了每级功率放大器的工作稳定性。由此，微波功率放大器整机工作稳定性高。

附图说明

图1是本发明的X波段微波固态功率放大器的系统框图；

图2是本发明的X波段固态放大电路中各级功率放大管及滤波器的级联框图；

图3是本发明X波段固态功率放大器的输出幅频特性。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的描述。

本发明公开一种X波段固态功率放大器(SSPA：Solid State Power Amplifier)技术。放大器由多级信号放大电路组成，总质量＜800.0g，体积为160×140×20mm³；在-45℃～+65℃环境温度范围工作，输出功率＞10W(40.0dBm)。该放大器已用于国内首次研制的深空探测器YH-1火星探测器的X波段发射机中，完成星地间通信任务中信标信号和遥测信号的放大。

本发明公开一种高效率微波固态功率放大器(SSPA)，专用于深空探测飞行器(轨道高度大于200万公里的卫星)或地球轨道小卫星。放大器总质量＜800.0g，体积为160×140×20mm³。该微波固态放大器的信号放大部分采用多级放大器级联工作来达到要求的增益。整个放大链路由前置放大器(包括小信号放大器和高增益微波集成功率放大器)、驱动功率放大器和末级功率功率放大器构成。其中小信号放大器、驱动功率放大器和末级功率放大器选用微波砷化镓金属半导体场效应管(GaAs-MESFET：GaAs-MEtal-Semiconductor Field-Effect Transistor)，高增益功率放大器选用微波集成电路(MMIC：Monolithic Microwave Integrated Circuit)放大器。为了实现对带外频谱的有效抑制，在微波信号输入端以及前置放大器和驱动功率放大器之间设计了两个X波段腔体带通滤波器。各级电路集成装配在一套铝合金结构中。放大器工作环境温度在-45℃～+65℃范围，工作频率在8300～8450MHz频带内输入信号电平在+1.0～-2.0dBm范围，输出功率＞10W(40.0dBm)。

本发明的设计描述：该放大器专用于深空探测小卫星或近地轨道小卫星下行通信系统末端的信号放大。该微波固态放大器的信号放大部分采用多级放大器级联工作来达到要求的增益。整个放大链路由前置放大器(包括小信号放大器和预功率放大器)、驱动功率放大器和末级功率放大器构成。其中小信号放大器、驱动功率放大器和末级功率放大器选用微波砷化镓金属半导体场效应管(GaAsMESFET：GaAs-Metal-SemiconductorField-EffectTransistor)，前置功率放大器选用高增益微波集成电路(MMIC：Monolithic Microwave Integrated Circuit)放大器。放大器工作环境温度在-45℃～+65℃范围，工作频率在8300～8450MHz频带内输入信号电平为+1.0～-2.0dBm时，输出功率＞10W(40.0dBm)，带内增益波动＜0.5dB；外部直流24～35V供电，功耗＜50W。放大器的射频输入、输出端分别设计了高性能微带隔离器，不仅能在测试阶段保护放大器，也能保证放大器的工作稳定性。放大器射频输入、输出匹配电路采用宽带微带电路。放大器微波信号输入、输出端口驻波比小于1.5∶1。放大器提供输出功率和内部温度监测两路遥测电压模拟量，便于地面监测设备的工作情况。

【关键技术】

(1)稳定性和抗干扰

为了消除发射机(输出功率≥10W)带外旁瓣对星上接收机或地面系统造成的干扰，不仅在固态功率放大器的射频信号输入端设置了X波段腔体带通滤波器，而且在前置放大器和驱动功率放大器之间也设计了X波段腔体带通滤波器，更好地实现了对带外频谱幅度的有效抑制。选用腔体滤波器组件的目的是其具有体积小、Q值高、插损低、温度性能好等特点。根据已调信号的频域特点及系统对带外抑制的要求，腔体带通滤波器幅频特性的中心频率选为载波频率。

(2)热设计

微波功率器件是主要发热器件，在1平方厘米(cm²)面积上发热量达到30W，及时使发热量均匀分布并传导到铝合金结构外部非常关键。设计时将微波功放管直接固定在设备的底板上，所有大功耗器件均和结构紧密安装在一起，器件底部和结构接触面间涂导热硅脂或贴铟箔，降低功放管与底板、底板与结构体安装板间的接触热阻。另外考虑在微波功放管区域平面的结构安装板(通常是卫星舱板)内埋植高效导热管，进一步提高热交换效率。

(3)电源变换电路

放大器内部设计了DC/DC电源二次变换电路，将卫星母线电压转换为放大器各单元工作需要的正电压和负电压。为了确保功率放大器可靠工作，也设计了为各级微波放大器先输入负压后再输入正电压的加电顺序控制电路。

二次电源变换电路完成将母线电压变换为发射机各电路单元需要的工作电压，为各电路单元提供-5.0V和+9.5V工作电压。功放单元需要-5.0V、+9.5V两路工作电压，小信号功率放大器、驱动功率放大器和末级功率放大器的偏置电压有加电顺序的要求。一般-5.0V供电输入到功放电路后延迟一定时间+9.5V供电才输入，使微波功率放大器先加上栅极负电压，后加上漏极正电压，确保了各级放大器的可靠安全工作。

供电输入接口插座与DC/DC模块的输入端之间设置一个隔离区。在隔离区内，专门设计一个电源滤波器，用于抑制DC/DC电源变换模块对外辐射、传导的干扰。

(4)电磁兼容特点

各级功率放大器电路均安装在一个铝合金腔体结构中，结构体具有适当的电磁屏蔽功能；同时，针对各级功率放大器的偏置输入均通过EMI滤波电容，适当滤除了对外电磁辐射。

为了满足星载设备剩磁设计要求，固态功率放放大器单元必须选用的如铁氧体微带隔离器等永磁材料组件，使用时根据单件的磁偶极子磁矩大小和方向，用对称布置的方法，设法部分或全部相互抵消剩磁。如本功率放大器单元中使用的六个铁氧体隔离器设计为成对匹配安装，如每级功率放大器的输入端隔离器的磁场为反向、输出端隔离器为正向，可以实现微带隔离器的剩磁尽可能相互抵消。

放大器的特点：

固态功率放大管直接固定在铝合金腔体结构的底板上。设备底板与卫星舱板全接触，主要以热传导的形式完成热交换。电路单元设计时，将发热量较大的DC/DC模块和末级功率放大器的放置位置进行了合理设计，便于固态功放整机加电工作后热平衡均匀分布。

不同电路单元间用金属隔板墙屏蔽，便于优化系统内部电磁兼容性。

通过优化的结构设计、充分的热设计和电磁兼容性设计考虑，既实现了放大器轻小型化、高效率，也保证了工作可靠性，满足功耗、体积严格受限的小卫星中星地通信系统的应用需求。

图1描述了X波段固态放大器的系统框图。功率放大器的供电和遥测输入输出端口、微波信号输入和输出端口均分布在同一侧面。放大器系统包括供电和遥测输入输出接口及滤波电路、二次电源变换单元包括DC/DC变换电路和加电顺序电路、微波固态功率放大电路等电路单元。

其中，DC/DC变换电路和加电顺序电路完成将母线电压变换为固态放大器各电路单元需要的工作电压，为各电路单元提供-5.0V和+9.5V的工作电压。

图2描述了X波段固态放大电路中各级功率放大器及滤波器等的级联框图。功率放大单元主要由四个微波GaAsFET功率放大器、两个带通腔体滤波器、六个微带隔离器以及一个微波检波二极管和信号输入输出端两个SMA型连接组件组成。前置功放由一个小信号放大器将外部输入经限带滤波后幅度约-2.0dBm的微波信号放大10dB，再经一个增益为25dB的微波集成放大器(MMIC)放大后，进一步进行限带滤波经驱动功率放大器和末级功率放大器后输出幅度大于10W的微波信号。放大器的工作频率覆盖范围8.4～8.5GHz。放大器输入、输出段设计了宽带微带线匹配电路，各级放大器输入、输出微带端均接入50Ω微带隔离器，稳定了输入输出端的驻波比和简化了匹配电路。各级功率放大器栅极、漏极偏压隔直电容选择高等级、高Q值、高耐压电容。各级放大器的栅极偏置电压均由-5V分压获得，漏极偏置电压为+9.5V。

在末级功率放大器的输出端设计了微波检波电路，通过微带耦合，微波检波管输出与射频信号成线性关系的直流电压，该电压输出到遥测输出接口电路。放大器的微波信号输入、输出端均有SMA型射频连接器和外部连接。

图3描述了X波段固态功率放大器的输出幅频特性。在-45℃～+65℃温度范围，输入信号为0dBm时，8390～8450MHz频带内功率放大器加电工作输出功率均大于10W，带内增益平坦度ΔG＜0.5dB。

需要说明的是，以上介绍的本发明的实施方案而并非限制。本领域的技术人员应当理解，任何对本发明技术方案的修改或者等同替代都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种微波固态功率放大器，该功率放大器在-45℃～+65℃环境温度范围工作，用于完成星地间通信任务中信标信号和遥测信号的放大，所述功率放大器包含：

依次串联连接的前置放大器、驱动功率放大器和末级功率放大器；微波信号输入端通过第一X波段腔体带通滤波器与所述前置放大器的输入端相连；所述前置放大器的输出端与所述驱动功率放大器的输入端之间通过第二X波段腔体带通滤波器相连；

所述各级放大器电路的射频输入和输出端分别连接微带隔离器。

2.根据权利要求1所述的微波固态功率放大器，其特征在于，所述前置放大器进一步包含：依次串联连接的小信号放大器和高增益微波集成功率放大器；且所述前置放大器的输出端为所述高增益微波集成功率放大器的输出端。

3.根据权利要求1所述的微波固态功率放大器，其特征在于，所述末级功率放大器还经过一段50欧姆匹配微带线与其输出端的微带隔离器相连接。

4.根据权利要求2所述的微波固态功率放大器，其特征在于，所述小信号放大器、驱动功率放大器和末级功率放大器采用微波砷化镓金属半导体场效应管作为功放管。

5.根据权利要求4所述的微波固态功率放大器，其特征在于，所述微波固态功率放大器采用电源变换电路为各单元供电，所述电路变换单元包含：DC/DC电源二次变换电路和加电顺序控制电路；

所述DC/DC电源二次变换电路将母线电压变换为各电路单元的工作电压，为各电路单元提供-5.0V和+9.5V工作电压；

所述加电顺序控制电路用于控制当-5.0V供电输入到所述小信号放大器、驱动功率放大器和末级功率放大器电路后，延迟一定时间后才输入+9.5V的供电，使功放管先加上栅极负电压，后加上漏极正电压。

6.根据权利要求4所述的微波固态功率放大器，其特征在于，针对各级功率放大器场效应管的偏置电源输入均通过EMI滤波电容滤除对外电磁辐射。

7.根据权利要求4所述的微波固态功率放大器，其特征在于，所述DC/DC电源二次变换电路与所述末级功率放大器在该微波固态功率放大器上的安装位置相距较远。

8.根据权利要求1所述的微波固态功率放大器，其特征在于，所述微带隔离器采用永磁材料组件，且根据组件包含的各单件的磁偶极子磁矩大小和方向，用对称布置的方法，部分或全部相互抵消剩磁。

9.根据权利要求8所述的微波固态功率放大器，其特征在于，所述永磁材料组件具体为六个铁氧体隔离器，所述六个铁氧体隔离器成对匹配安装，所述匹配安装为对应于每级功率放大器的输入端的微带隔离器的磁场为反向、输出端的微带隔离器的磁场为正向，实现微带隔离器的剩磁尽可能相互抵消。

10.根据权利要求1所述的微波固态功率放大器，其特征在于，所述第一X波段腔体带通滤波器和第二X波段腔体带通滤波器的输入输出端连接器采用标准的SMA型射频连接器。

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