高功率放大器件在導航衛星中的應用和發展

魏彥江，王海龍，敬小東，官朝暉

(中國電子科技集團公司 第二十九研究所，成都 610036)

0 引言

人造衛星將有用的信號從衛星傳輸到地面進行接收，都需要采用功率放大器件將信號進行放大，并通過天線進一步放大信號和確定方位，使傳輸信號具有從太空傳輸到地面所需要的能量。導航衛星的信號傳輸也是一樣，通過載荷分系統發射子系統的功率放大器件和天線進行信號放大，以滿足地面接收系統對信號功率大小的要求。具有功率放大作用的器件很多，目前國際上主要采用以下2大類器件：一種是固態功率放大器件；一種是電真空功率放大器件。在導航衛星中使用的固態功率放大器件主要是基于砷化鎵(GaAs)或氮化鎵(GaN)功率管為主，而在導航衛星中使用的電真空放大器件是以空間行波管放大器為主。

本文主要介紹了目前導航衛星上使用的行波管放大器和固態功率放大器的現狀，對比優缺點，提出優勢互補的發展觀點。

1 電真空功率放大器件

1.1 發展現狀

空間行波管放大器作為導航衛星實現微波功率末級放大器件，由于其本身極高的技術難度和巨額的投入要求，目前全球只有美國L-3公司、法國THALES公司、德國的TESAT公司、日本的NEC公司、俄羅斯的ALMAZ公司等極少數國家能夠研制和生產，并且各個國家對空間行波管放大器的技術均有嚴格的控制措施，可見其在空間使用方面具有很高的價值。

以導航衛星普遍采用的L、S波段空間行波管放大器為例，文獻[1-4]簡單介紹了幾大公司的典型空間TWT(行波管)和EPC(高壓電源)產品參數，如表1及表2所示。

表1 空間TWT典型產品參數

表2 空間EPC典型產品參數

從表1及表2可以看出，L-3和THALES公司的空間TWT研制水平比較領先。文獻[5]指出目前空間EPC的研制主要以L-3和TESAT公司為主，同時空間TWTA目前壽命經過多年的發展，可以保證在15年以上，甚至達到20年，可靠性很高。

文獻[6]指出我國空間行波管放大器研制起步比較晚，20世紀70年代開始摸索，90年代才真正開始空間行波管放大器的研制。經過多年的發展，目前也積累了一定的研制能力，實現了多個頻段空間行波管放大器的國產化，以導航衛星用空間行波管放大器為例，主要產品典型參數如表3及表4所示。

表3 空間TWT典型產品參數

表4 空間EPC典型產品參數

從導航衛星用空間行波管放大器的國內外對比來看，我國空間行波管放大器還有很大的提升空間，相比L-3、THALES等公司還有一定差距。

1.2 應用與發展

空間行波管放大器在導航衛星中使用已經有近40年的歷史了，目前主要是使用L波段、S波段、C波段和Ka波段，從美國全球定位系統(global positioning system，GPS)、俄羅斯格洛納斯衛星導航系統(global navigation satellite system，GLONASS)、歐洲伽利略衛星導航系統(Galileo navigation satellite system，Galileo)到中國北斗衛星導航系統(BeiDou navigation satellite system，BDS)，在導航信號末級功率放大器件上均使用了空間行波管放大器，從最初的幾十瓦功率，到現在接近200 W功率，功率和效率要求不斷提高。

我國L波段空間行波管放大器目前已經接近國際水平，采用4級降壓收集極極大地提高了行波管的效率，使得行波管放大器整機效率達到52 %以上。目前在軌運行的L波段空間行波管放大器輸出功率150 W以上，設計在軌壽命達到15年以上。圖1是某典型L波段行波管放大器產品，和進口行放對比參數如表5所示。

項目國產行放進口行放功率/W150150增益/dB4550帶寬/MHz5050雜波/dBc5560AM/PM轉換/((°)dB-1)44噪聲系數/dB3534效率/(%)5255壽命/年1515冷卻方式傳導傳導

從表5中可以看出，國產行放在技術指標上和進口行放相比，基本上可以達到進口行放水平。目前我國在L波段行波管放大器研制上已經突破連續200 W功率、效率大于55 %的水平，設計壽命超過15年。

作者認為基于導航衛星用的空間行波管放大器未來需要在以下幾點有所發展：

1)更大的輸出功率：從目前的150向200甚至250 W發展；

2)更高的效率：從目前的55 %向60 %～65 %發展；

3)更高的工作頻段：充分發揮行波管在高頻段所擁有的寬帶、大功率和高效率的優勢，順應系統向X、Ku甚至Ka以上頻段發展的要求；

4)更長的壽命：不斷提高行波管放大器的可靠性，未來需要提供20年以上壽命的行波管放大器；

5)更加優秀的線性化特性：能夠在三階交調、飽和AM/PM和相移指標上更加具備線性化特性，減小失真和信號損失；

6)發展小型化行波管放大器：針對可觀的市場前景，加大MPM(微波功率模塊)的研發力度；

7)發展功率可變型行波管放大器：能夠在軌實現功率調節，適應不同在軌工作模式的變化，改變輸出功率大小，并保證效率最大化；

8)發展一拖多的行波管放大器：即單臺高壓電源負載多只行波管，例如單臺高壓電源帶2只行波管工作，可以節省衛星安裝空間，并使空間功率合成變得易于實現。

9)發展寬帶空間行波管放大器并具有工作頻率可變化特征：能夠和寬帶天線完成匹配，根據空間任務的不同，改變工作頻段，完成導航和通信的多任務模式。

2 固態功率放大器件

電真空功率放大器件在導航衛星中已經使用了很多年，以GaAs第二代半導體為代表的固態功放在導航衛星中也占據了一席之地；早期的GPS II也使用了固態功率放大器，隨著以GaN為代表的寬禁帶第三代半導體的出現，固態功率放大器迎來了高速發展期。寬禁帶半導體具有擊穿電場高、禁帶寬度大、功率密度大、工作效率高、熱導率高，適合高溫工作環境及抗輻射能量強的特點，迅速成為替代GaAs作為導航衛星首選的固態功率放大器件。全球四大衛星導航系統均開始了GaN固態功率放大器的研制，我們也成功研制出我國導航衛星用高功率GaN固態功率放大器，已經成功應用于我國北斗導航系統中。

2.1 發展現狀

長期以來，衛星有效載荷已廣泛使用GaAs器件來作為衛星有效載荷發射系統的末級功率放大器件。近幾年來，隨著GaN為標志的第三代半導體的出現，星載固態功放有了飛躍發展，在輸出功率和效率上已基本達到行波管放大器水平，目前已經逐漸應用到導航衛星中，具有極其巨大的發展潛力。

文獻[7]和文獻[8]簡單介紹了目前研制GaN功率管的國外公司主要有Nitronix公司、THALES公司、Northrup-Grumman公司、CREE公司、Triquint公司、RFMD公司、Fujitsu/Eudyna公司等，器件技術參數如表6所示。

表6 國外GaN功率管典型產品參數

從表6可以看出，國外GaN功率管的技術水平在L波段窄帶情況下，輸出功率在100 W左右，增益在14 dB左右，效率已達到60 %以上。

文獻[9]、文獻[10] 和文獻[11]提到第三代半導體器件在國內起步較晚，2010年開始投入組建了相關研發設備，進行技術攻關。經過幾年的大力發展，目前從管芯、單片到封裝器件均有系列產品。主要產品典型參數如表7所示。

表7 國產空間GaN功率管典型產品參數

從表7可以看出，在導航衛星常用的L波段，我國GaN功率管的技術水平已和國外器件不相上下，多款器件已應用到工程項目中，未來發展空間廣闊。

2.2 應用與發展

GaN寬禁帶半導體的出現，打破了空間行波管放大器在導航衛星領域的主導地位，目前包括以GPS為代表的全球4大衛星導航系統以及日本、印度等國家的區域衛星導航系統均提出研制并使用基于GaN的固態功率放大器。2012年以來，我國也加大了基于寬禁帶半導體器件的固態功率放大器的研制工作，并且取得了可喜的成績，在大功率、高效率、高可靠性等方面獲得了技術突破，目前研制的某高功率固態功率放大器已經成功應用于北斗導航系統中。

文獻[9]中提到圖2所示是某L波段固態功率放大器產品，其和同工作頻段某L波段行波管放大器對比參數如表8所示。

表8 L波段固態功放和行放產品參數對比

從表8中可以看出，固態功率放大器在參數上除了輸出功率和效率外，其他參數都優于行波管放大器，尤其在線性化指標上更是行波管放大器所不能及的，體積和重量也比行放小很多，更適合在衛星上安裝。

所以從目前發展來看，采用寬禁帶半導體器件的固態功率放大器在導航衛星的L波段上已經具備替代行波管放大器的實力，未來固態功率放大器還會在S波段和C波段等工作頻段逐漸提高其工作效率，以達到和行波管放大器相當的水平。另外在Ka波段上，由于Ka波長短、器件尺寸小，雖然固態功率管單個器件的輸出功率和效率不高，但可考慮采用T/R相控陣體制，利用空間功率合成來獲取更高的有效全向輻射功率(effective isotropic radiated power，EIRP)，也具有很好的發展前景。

作者認為基于導航衛星用的空間固態功率放大器未來需要在以下幾點有所發展：

1)提高輸出功率：從目前的150向200 W發展；

2)提高工作效率：從目前的50 %向60 %發展；

3)改善功率管散熱技術：優化熱源和減小熱阻，能夠更好地使功率管可靠工作，并且提高工作效率；

4)擴展工作頻段：在L波段產品基礎上，擴展S波段和C波段產品，并在Ka波段向T/R相控陣發展；

5)提高可靠性：對寬禁帶半導體管芯在材料、工藝等方面的優化持續改進，提高管芯可靠性。

3 導航衛星可以固放和行放優勢互補

固態功率放大器和行波管功率放大器各有優缺點，主要表現在以下幾方面：

1)固態功放在輸出功率和效率上相比行波管放大器略小，合成功率會犧牲效率；

2)行波管放大器在三階交調、諧波、雜波、AM/PM轉換等非線性副特性上相比固態功率放大器處于劣勢；

3)行波管放大器是寬帶器件，可以跨倍頻程頻段工作，固態功率放大器要兼顧效率，則最優工作在窄帶頻段；

4)固態功率放大器相比行波管放大器在體積重量上占優，有利于衛星的小型化布局；

5)固態功率放大器在抗輻照方面相比行波管放大器真空器件需要更多的優化設計；

6)固態功率放大器在可靠性上相比行波管放大器有優勢，行波管放大器的高壓電源要重點關注高壓打火問題，行波管重點關注空間微小放電問題，另外，陰極壽命是行波管放大器壽命的主要影響因素，要選用高可靠長壽命陰極，并防止陰極中毒、行波管真空度下降的風險。

基于行波管放大器和固態功率放大器目前的發展現狀，本文提出導航衛星上可以采用固態功率放大器和行波管放大器共存、優勢互補的設計理念。在冗余設計上，可以采用固態功率放大器和行波管放大器互為主備份的設計思路，提高發射鏈路的可靠度。隨著固態功率放大器的不斷成熟，將逐漸在導航衛星使用上占據主導地位；而空間行波管放大器由于其寬帶特性和高效率優勢，并不會完全退出這一領域。目前行波管放大器和固態功率放大器在高軌道、長壽命方面尚沒有實測數據，設計2種功率放大器有利于導航衛星的高可靠性以及獲取寶貴的可靠性數據。

可以預測未來導航衛星發展會多元化，不會單一地完成導航、授時功能，會兼具星間鏈路的定位、通信和對地中繼、通信功能，這相當于將現有的通信衛星和中繼衛星進行了融合，以有效利用導航衛星的全球組網和軌道優勢。未來多元化的導航衛星系統要求鏈路具有更高的功率和更寬的工作帶寬以承載更多的載波信號和消除空間鏈路的信號衰減，要求具備更優的線性化能力來消除失真對通信的影響，并具備從L波段到Ka波段的多頻段工作能力。當然，實現這些功能還需要很長一段時間，取決于固態功率放大器和行波管放大器的技術發展以及衛星載荷能力的不斷提高。

4 結束語

本文簡要介紹了目前導航衛星上使用的固態功率放大器和行波管放大器2種主要高功率放大器件，指出2種放大器件各有優缺點，并且提出了在導航衛星使用中，可以優勢互補、共同發展的思路。為研究未來高功率放大器件在導航衛星使用方面的發展提供參考。

[1] WILSON J D，KRAWCZYK R，SIMONS R N，et al.Space-qualified travelling wave tube[EB/OL].(2010-03-01)[2017-01-28].https：//ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=20100009688.

[2] FEICHT J R，LOI K N，MENNINGER W L，et al.Space qualified 140 watt linearized L-band helix TWTA[EB/OL].(2015-11-23)[2017-01-28].http：//www2.l-3com.com/eti/pdf/white_papers/Feicht_IVEC_2012_16.4_Lband_LTWTA.pdf.

[3] PIRO F，JOER J P，FRYSIRAS I.Use of flexible LCTWTA for communication satellites [C]//The Institute of Electrical and Electronic Engineers(IEEE).Proceedings of 2013 IEEE 14th International Vacuum Electronics Conference(IVEC).Paris：IEEE，2013：1-2.DOI：10.1109/IVEC.2013.6571003.

[4] CUIGNET E，FAYT P，TONELLO E.Very high efficiency travelling wave tube amplifier [EB/OL].(2012-10-25)[2017-01-28].http：//www.freepatentsonline.com/y2012/0268201.html.

[5] CUIGNET E，TONELLO E，MAYNARD J，et al.Very high efficiency dual flexible TWTA，a flexible concept allowing to deal with performances and schedule constraints of telecommunication payloads[C]//The Institute of Electrical and Electronic Engineers(IEEE).Proceedings of 2013 IEEE 14th International Vacuum Electronics Conference(IVEC).Paris：IEEE，2013：1-2.DOI：10.1109/IVEC.2013.6570951.

[6] 官朝暉.行波管技術現狀與發展趨勢[J].真空電子技術，2011(6)：41-43.

[7] 孫世滔.GaN高效率功率放大器研究[D].合肥：合肥工業大學，2014.

[8] 武小坡，趙海洋，奚松濤.星載高功率固態功放關鍵技術與實驗研究[J].雷達學報，2014，3(3)：288-294.

[9] 敬小東，鐘世昌，邱鋼，等.基于國產GaN HEMT器件的星載高效固放設計[J].固體電子學研究與進展，2015(5)：438-443.

[10] KAZIMIERCZUK M K.RF power amplifiers[M].2nd ed.New Jersey：John Wiley & Sons，Inc.，2014：145-184.

[11] 張秋，程子秦，周欽沅.氮化鎵微波功率器件研究動態(上)[J].信息技術與標準化，2012(4)：60-63.