3D微波技術
——衛星功放的“退燒藥”

+ 賀鵬梓

自從人類進入工業時代，散熱就是一個揮之不去的工程難題。蒸汽機、內燃機、電動機、核反應堆概莫能外，信息時代的電子產品同樣面臨著散熱的難題。作為衛星通信行業，地面終端所使用的衛星功率放大器是發熱的大戶，終端所消耗掉的大部分功率都沒有成為無線電波射向太空，而是變成熱量或積蓄在功放內部，或散逸到空氣中了。

雖然人們早已認識到了這個問題，但在半導體功率放大器時代，由于產品原理和器件性能所限，用電效率一直不能大幅度改善。在當前衛星通信常用的Ku波段上，傳統半導體功率放大器的效率一般不會超過15%，由此帶來了大量積熱，可以夸張的說一句：傳統衛星功放一直發著“高燒”。3D微波合成技術的出現，正是解決衛星功放熱問題的一劑特效藥。

功放積熱影響產品性能壽命

或許有人會認為，衛星終端、特別是便攜式衛星終端總體上說是一種低功率設備，哪怕效率低一點也可以接受。但事實上，改善衛星功放用電效率具有全局性的意義。一方面在衛星通信作為應急場景下包括供電在內的所有資源均是緊張分配、充分利用的，而更為重要的是高功耗所伴隨的高溫高熱將極大影響功放產品的性能和穩定性。

首先，半導體功放芯片均有一定的工作溫度范圍，超過范圍就會導致損壞，即使在范圍之內，溫度越高，芯片壽命也會越短。另外，隨著功放的持續工作，系統內部積熱使得環境溫度持續升高，芯片級性能將會表現出輸出功率降低、增益降低、噪聲惡化等不利現象，影響通信質量。

傳統上，人們往往采用改善散熱條件的辦法來解決問題。包括設計形狀復雜的散熱器、強制通風等等。這不但增加了設備的體積，也進一步加大了功耗。設法提高功放效率，才是最有效的研究方向。

3 D微波技術帶來行業革命

從上世紀90年代開始，賈鵬程博士致力于開發一種真正高效的功率合成技術——3D微波合成技術，其領銜的廣州程星通信科技有限公司（以下簡稱“程星”）近年來推出的40瓦Ku頻段衛星功放用電效率達到了25%以上，領先全行業。

圖1 3D微波技術發展路線圖

表1

圖2 功耗270瓦狀態下，40瓦 Ku 功放產品的溫度梯度圖

圖3 功耗190瓦狀態下，40瓦 Ku 功放產品的溫度梯度圖

如表1所示，我們對于業界的一些功放產品的輸出功率、功耗、效率和熱耗進行了對比，其中效率是輸出功率和功耗的比值，熱耗是功耗減去輸出功率再減去風扇的功耗。

40瓦Ku頻段衛星功放采用3D微波技術，利用三維天線陣列實現對合成鏈路的優化，使得所有功放芯片陣列在波導腔體內一次合成，免去了傳統BUC多級功率合成中的介質損耗，可以用更少的功放芯片來實現更大的功率輸出。這就從根本上降低了功放發熱，相對于傳統半導體功放，這是一個革命性的進步。

功放功耗的革命，直接帶來的效果便是產品溫度的降低。

從圖2、圖3可以看到，在相同的產品結構下，190瓦功耗的功放產品相較于270瓦功耗的功放產品，帶來了10℃的溫度改善，那究竟這10℃會帶來哪些改變呢？

一、產品壽命的改變

功放整機的設計要求內部放芯片的溝道溫度不高于150℃，平均壽命時間不低于100萬個小時。內部芯片溝道的溫度取決于整機結構的溫度和芯片相關的溫升，而整機結構的溫度越低，內部芯片溝道的溫度也相應越低。根據實際測量和模型計算，當衛星功放整機工作的環境溫度在60℃時，通過3D微波技術改善10℃后，功放芯片的溝道溫度也相應降低10℃，根據圖3所示曲線，功放芯片的使用壽命將延長50%以上。

二、產品性能的改變

芯片在不同溫度下有著不同的性能，就如手提電腦在發熱嚴重時運行速度降低一樣，衛星功放在高溫環境下，性能表現也同樣會大打折扣。大多功放廠家提供的產品，他們的性能指標僅能在常溫環境下滿足用戶需求，而程星產品在解決好功耗問題后，在高溫下其性能指標亦能滿足需求。程星公司推出的產品，均保證了在極限環境溫度下的性能保證，部分產品保證指標甚至高達70℃。

三、使用場景的改變

溫度的改善，同樣也會帶來對衛星系統所在環境適應度的提升。集成商在搭建衛星天線系統時，期望能在最小的空間內集成下衛星通信所需的全部產品。在過去，船載衛星天線為了把衛星功放安置于天線罩內，不得不為衛星天線加裝空調降溫，這就是由于傳統功放的高發熱帶來的負面效應。程星功放通過3D微波技術的提升，將熱輻射功耗降低近一半（由225瓦變為130瓦），有效改善了功放發熱對天線罩內的溫度影響，程星經過與天線廠家共同研制設計，在一部分船載產品上已經免去了輔助散熱系統，結構更為緊湊。

圖3

圖4 應用程星產品的船載衛星天線