CN111049485A - 一种基于hbt功放的高效率星上自闭环功率随动系统 - Google Patents

一种基于hbt功放的高效率星上自闭环功率随动系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于HBT功放的高效率星上自闭环功率随动系统，属于功放功率随动技术领域；包括载荷综合处理器、相控阵发射单元和相控阵发射单元电源；相控阵发射单元包括上变频模块和HBT功率放大器；通过卫星载荷综合处理器实现下行业务量与发射单元功放最佳供电电压之间的反馈机制，提高发射功率大动态范围下功放平均效率，降低整星功耗；发射单元中选用高动/静态电流比的HBT功放芯片，充分利用其低静态电流的优势，进一步提高功率回退和静默状态下功放效率；在调压策略上，保持功放基极电压Vb不变，适时调整集电极电压Vcc，实现了功放的输出功率与卫星业务量的自适应匹配，整个系统形成了功率跟踪的自闭环，从而针对性地实现整星功耗热耗的优化。

Description

一种基于HBT功放的高效率星上自闭环功率随动系统
技术领域
本发明属于功放功率随动技术领域，涉及一种基于HBT功放的高效率星上自闭环功率随动系统。
背景技术
当前，全球低轨卫星通信领域发展如火如荼，为了抢占有限的轨道和频谱资源，SpaceX、AirBus等国外企业纷纷推出以Starlink、OneWeb为代表的数十个规模庞大的低轨卫星系统方案，以期在低轨卫星通信系统组网建设上占得先机。与此同时，我国也正在着力发展以“鸿雁”、“虹云”等为代表的低轨卫星星座，因此快速攻关和解决一系列的关键技术问题迫在眉睫。
低轨通信卫星具有轨道高度低、通信时延短、数据传输速率高、用户终端小型化及频率高效复用等优点，但是也存在着卫星业务量随时间及地域的分布极为不均匀的特点。对于发射波束而言，业务分配不均将导致发射功率动态范围大，发射单元长时间处于功率回退状态甚至是静默状态，这意味着其中的功放在大多数时间将以较低的效率运行。因此，根据低轨卫星在轨业务模型，针对性地进行功耗热耗的优化，提高功放平均效率，降低整星功耗成为急需解决的关键问题。
目前国际上研制成功并投入使用的低轨卫星星座有GlobalStar I代、GlobalStarII代、Iridium系统和Iridium Next系统。从公开文献资料中可以看出，其中一些系统采用了功放电压调整技术来减少回退状态下的功耗，但均采用的是传统基于PHEMT(赝高电子迁移率晶体管)工艺的功放技术，该技术主要存在两点不足：1、电压调整过程中，功放性能尤其是增益会发生较大变化，需要引入额外的增益补偿机制，从而增加了系统设计的复杂度。例如在Iridium Next系统中采用了一个PIN二极管压控衰减器，其电压需要与PHEMT功放漏极电压Vds同步调整以补偿增益变化，整个链路最终增益变化量小于4dB。2、基于PHEMT工艺的功放动/静态电流比大，目前现有技术仅能达到5:1，根据低轨系统方案和应用需求，相控阵天线发射单元在功率回退或静默状态的工况占比较高，此时，发射组件的功耗接近于静态功耗，而拥有较高的静态电流将制约其在降低整星平均功耗上发挥的作用。此外，各系统中针对如何实现功放电压调整自闭环鲜有公开报道。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于HBT功放的高效率星上自闭环功率随动系统，实现功放的输出功率与卫星业务量的自适应匹配，整个系统形成了功率跟踪的自闭环，从而针对性地实现整星功耗热耗的优化。
本发明解决技术的方案是：
一种基于HBT功放的高效率星上自闭环功率随动系统，包括载荷综合处理器、相控阵发射单元和相控阵发射单元电源；其中，相控阵发射单元包括上变频模块和HBT功率放大器；
载荷综合处理器：接收外部卫星传来的下行总业务量P0；对下行总业务量P0进行功率转换，生成中频输入信号和调压控制信号；将中频输入信号发送至上变频模块；将调压控制信号发送至相控阵发射单元电源；
相控阵发射单元电源：接收载荷综合处理器传来的调压控制信号，生成功放最佳供电电压Vcc，采用功放最佳供电电压Vcc对HBT功率放大器供电；
上变频模块：接收载荷综合处理器传来的中频输入信号，对中频输入信号进行上变频处理，生成射频信号，并将射频信号发送至HBT功率放大器；
HBT功率放大器：接收相控阵发射单元电源的供电；接收上变频模块传来的射频信号，对射频信号进行放大处理，生成发射输出功率POUT的射频信号，并将发射输出功率POUT的射频信号发送至外部相控阵天线单元。
在上述的一种基于HBT功放的高效率星上自闭环功率随动系统，所述输出功率POUT与下行总业务量P0存在对应关系，根据业务量P0调整最佳供电电压值Vcc，实现发射输出功率POUT与下行总业务量P0的自适应匹配，实现系统成功率跟踪自闭环。
在上述的一种基于HBT功放的高效率星上自闭环功率随动系统，所述HBT功率放大器动/静态电流比为10:1，将射频信号放大至36dBm时，峰值电流1450mA，静态电流140mA。
在上述的一种基于HBT功放的高效率星上自闭环功率随动系统，调整HBT功率放大器电压的策略为：保持基极电压Vb不变，调整集电极电压Vcc，调压过程中功放静态工作点不变，性能不变，相同输出功率下，电压从+2V调整至+5V过程中，增益变化量为1～2dB。
在上述的一种基于HBT功放的高效率星上自闭环功率随动系统，所述相控阵发射单元电源包括两个独立的隔离电源，两个隔离电源并行为相控阵发射单元提供供电：其中一个隔离电源提供固定电压+5.8V，通过发射单元内部线性稳压电路降至+5V，为HBT功放基极Vb和其他有源器件供电；另一个隔离电源提供可调电压，为HBT功放集电极Vcc供电，电压调整范围为+2V～+5V。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明完整地提出了一种星上自闭环的功放功率随动方法，通过卫星载荷综合处理器实现业务量与功放最佳供电电压之间的反馈机制，提高了功放平均效率，降低了整星功耗。区别于传统在发射单元内部引入检波电路实现功放功率与偏压之间的反馈形式，本发明的方法在不增加发射单元内部电路复杂度的基础上，巧妙地利用卫星载荷处理器在整个系统层面实现功率跟踪自闭环；
(2)本发明发射单元中选用动/静态电流比高达10:1的HBT功放，与传统动/静态电流比仅为5:1的PHEMT功放相比，实现相同的输出能力，HBT的静态电流仅为PHEMT的一半。根据低轨系统应用需求，相控阵天线发射单元在功率回退或静默状态的工况占比较高，此时，发射组件的功耗接近于静态功耗，低静态电流的HBT功放结合电压调整技术在降低整星平均功耗上更具优势；
(3)本发明在调压策略上，保持功放基极电压Vb不变，适时调整集电极电压Vcc，此状态下功放静态工作点不变，增益基本不变。相同输出功率时，调压前后电流基本不变，而随着电压降低，功耗降低，从而达到提高效率的目的。此方法解决了常规PHEMT功放调压方法中功放增益变化，需要系统额外引入补偿机制的问题。
附图说明
图1为本发明自闭环功率随动系统示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明提供一种基于HBT功放的高效率星上自闭环功率随动系统，通过卫星载荷综合处理器实现下行业务量与发射单元功放最佳供电电压之间的反馈机制，提高发射功率大动态范围下功放平均效率，降低整星功耗；发射单元中选用高动/静态电流比的HBT功放芯片，充分利用其低静态电流的优势，进一步提高功率回退和静默状态下功放效率；在调压策略上，保持功放基极电压Vb不变，适时调整集电极电压Vcc，解决了常规调压方法中功放增益变化，需要系统额外引入补偿机制的问题。
如图1所示，高效率星上自闭环功率随动系统，主要包括载荷综合处理器、相控阵发射单元和相控阵发射单元电源；其中，相控阵发射单元包括上变频模块和HBT功率放大器；
载荷综合处理器：接收外部卫星传来的下行总业务量P0；对下行总业务量P0进行功率转换，生成中频输入信号和调压控制信号；将中频输入信号发送至上变频模块；将调压控制信号发送至相控阵发射单元电源。
相控阵发射单元电源：接收载荷综合处理器传来的调压控制信号，生成功放最佳供电电压Vcc，采用功放最佳供电电压Vcc对HBT功率放大器供电；相控阵发射单元电源包括两个独立的隔离电源，两个隔离电源并行为相控阵发射单元提供供电：其中一个隔离电源提供固定电压+5.8V，通过发射单元内部线性稳压电路降至+5V，为HBT功放基极Vb和其他有源器件供电；另一个隔离电源提供可调电压，为HBT功放集电极Vcc供电，电压调整范围为+2V～+5V。
上变频模块：接收载荷综合处理器传来的中频输入信号，对中频输入信号进行上变频处理，生成射频信号，并将射频信号发送至HBT功率放大器。
HBT功率放大器：接收相控阵发射单元电源的供电；接收上变频模块传来的射频信号，对射频信号进行放大处理，生成发射输出功率POUT的射频信号，并将发射输出功率POUT的射频信号发送至外部相控阵天线单元。HBT功率放大器动/静态电流比为10:1，将射频信号放大至36dBm时，峰值电流1450mA，静态电流140mA。调整HBT功率放大器电压的策略为：保持基极电压Vb不变，调整集电极电压Vcc，调压过程中功放静态工作点不变，性能不变，相同输出功率下，电压从+2V调整至+5V过程中，增益变化量为1～2dB。
输出功率POUT与下行总业务量P0存在对应关系，根据业务量P0调整最佳供电电压值Vcc，实现发射输出功率POUT与下行总业务量P0的自适应匹配，实现系统成功率跟踪自闭环。
本发明的工作流程为：
第一步：根据卫星在轨业务模型，确认相控阵发射单元工作模式，主要为各工作模式下发射单元输出功率和工作时长；
第二步：根据相控阵发射单元链路需求，分解RF功率放大器指标要求，包含工作频率，额定输出功率，线性度及效率等，选择满足要求的功率放大器；
第三步：针对步骤一所要求的发射单元工作模式，根据功率放大器的测试结果，通过反复迭代，为各工作模式确定满足输出功率、线性度和效率的功放最佳供电电压值Vcc。
第四步：发射单元增益固定，因此可将步骤三确定的功放输出功率POUT与最佳供电电压Vcc之间的对应关系转换成发射单元中频输入功率PIF与供电电压Vcc的对应关系；
第五步：根据下行总业务量P0，卫星载荷综合处理器内部可将对应的中频输入功率PIF转换成相应的调压控制模拟量Vt输出给相控阵发射单元电源；
第六步：相控阵发射单元电源将得到的调压控制模拟量Vt转换成相应的功放供电电压Vcc，至此，发射功放的偏压Vcc将随业务量P0的调整而调整，从而实现了功放的输出功率与卫星业务量的自适应匹配，整个系统形成了功率跟踪的自闭环。
由于发射单元增益固定，因此可将上述确定的功放输出功率POUT与最佳供电电压Vcc之间的对应关系转换成发射单元中频输入功率PIF与供电电压Vcc的对应关系，而中频输入功率PIF与下行总业务量P0也具有一一对应的关系。因此，根据下行总业务量P0，卫星载荷综合处理器内部可将对应的中频输入功率PIF转换成相应的调压控制模拟量Vt输出给相控阵发射单元电源，电源将得到的调压控制模拟量Vt转换成相应的功放供电电压Vcc，至此，发射功放的偏压Vcc将随业务量P0的调整而调整，从而实现了功放的输出功率与卫星业务量的自适应匹配，整个系统形成了功率跟踪的自闭环。
本发明根据卫星不同时段在轨业务量，卫星载荷综合处理器实时向相控阵发射单元电源发送调节功放电压的指令，实现功放的输出功率与卫星业务量的自适应匹配，整个系统形成了功率跟踪的自闭环，从而针对性地实现整星功耗热耗的优化。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于HBT功放的高效率星上自闭环功率随动系统，其特征在于：包括载荷综合处理器、相控阵发射单元和相控阵发射单元电源；其中，相控阵发射单元包括上变频模块和HBT功率放大器；
载荷综合处理器：接收外部卫星传来的下行总业务量P0；对下行总业务量P0进行功率转换，生成中频输入信号和调压控制信号；将中频输入信号发送至上变频模块；将调压控制信号发送至相控阵发射单元电源；
相控阵发射单元电源：接收载荷综合处理器传来的调压控制信号，生成功放最佳供电电压Vcc，采用功放最佳供电电压Vcc对HBT功率放大器供电；
上变频模块：接收载荷综合处理器传来的中频输入信号，对中频输入信号进行上变频处理，生成射频信号，并将射频信号发送至HBT功率放大器；
HBT功率放大器：接收相控阵发射单元电源的供电；接收上变频模块传来的射频信号，对射频信号进行放大处理，生成发射输出功率POUT的射频信号，并将发射输出功率POUT的射频信号发送至外部相控阵天线单元。
2.根据权利要求1所述的一种基于HBT功放的高效率星上自闭环功率随动系统，其特征在于：所述输出功率POUT与下行总业务量P0存在对应关系，根据业务量P0调整最佳供电电压值Vcc，实现发射输出功率POUT与下行总业务量P0的自适应匹配，实现系统成功率跟踪自闭环。
3.根据权利要求2所述的一种基于HBT功放的高效率星上自闭环功率随动系统，其特征在于：所述HBT功率放大器动/静态电流比为10:1，将射频信号放大至36dBm时，峰值电流1450mA，静态电流140mA。
4.根据权利要求3所述的一种基于HBT功放的高效率星上自闭环功率随动系统，其特征在于：调整HBT功率放大器电压的策略为：保持基极电压Vb不变，调整集电极电压Vcc，调压过程中功放静态工作点不变，性能不变，相同输出功率下，电压从+2V调整至+5V过程中，增益变化量为1～2dB。
5.根据权利要求4所述的一种基于HBT功放的高效率星上自闭环功率随动系统，其特征在于：所述相控阵发射单元电源包括两个独立的隔离电源，两个隔离电源并行为相控阵发射单元提供供电：其中一个隔离电源提供固定电压+5.8V，通过发射单元内部线性稳压电路降至+5V，为HBT功放基极Vb和其他有源器件供电；另一个隔离电源提供可调电压，为HBT功放集电极Vcc供电，电压调整范围为+2V～+5V。
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