星用高性能高可靠微波放大器單機研制

桂勇鋒， 丁德志， 金來福， 陳該青， 馬 駿， 鄒永慶

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088 )

0 引 言

隨著航天技術突飛猛進的發展，衛星系統已經廣泛應用到各個領域。作為衛星系統的核心，衛星有效載荷的技術和質量水平決定著衛星系統的發展水平。通信衛星有效載荷主要分為天線和轉發器兩個分系統。微波放大器是兩個分系統共同的核心部件，主要類型有電真空型的行波管放大器和半導體型固態放大器；由于微波半導體型固態放大器具有體積小、質量輕、線性度好、工作壽命長、可靠性高等優點，使用愈加廣泛，尤其是在相控陣有效載荷系統中[1-3]。

新一代通信衛星有效載荷系統的工作壽命要求已從早期的6～8年增加到12年及以上，基于無慣性掃描的相控陣技術已逐步開始應用。基于多通道T/R組件的相控陣系統具有很強的系統冗余性和容錯性，一定數量的T/R組件性能下降甚至失效，并不嚴重影響系統功能和指標，僅會少許影響相控陣天線的增益和副瓣電平。但作為T/R組件前端公共支路的微波功率放大器，是可靠性鏈路上的一個物理失效單點，其性能、壽命、可靠性直接關系到整個相控陣系統乃至載荷的功能實現、性能指標和可靠性。系統一般要求該微波放大器單機12年壽命末期可靠度優于0.99，實現這個難點技術指標需要架構、單元電路、核心器件選型和環境適應性分析與試驗等全方面的精心設計和試驗驗證，因此，研制高性能長壽命高可靠的微波固態放大器技術和產品具有十分重要的應用意義和推廣價值。

本文針對裝備系統需求，將設計一款S波段微波放大器單機，實現對S波段連續波信號的激勵放大和遙控遙測，并完成一次母線100 V電壓到射頻單元所需5 V電壓的變換；通過突破單機高可靠架構設計技術、保護電路設計技術、穩定性設計技術和高效散熱技術等關鍵技術，以實現放大器單機的高性能、長壽命和高可靠。

本文首先簡要介紹單機設計要求；其次，重點圍繞可靠性要求闡述單機架構和主電路設計、保護電路設計、穩定性電路設計、結構和熱設計等；最后，給出實物測試及環境試驗結果。

1 單機設計

系統要求本單機能直接接受外來100 V母線電壓、28 V線包電壓和微波激勵信號，實現S波段微波信號的放大，工作帶寬內增益起伏≤0.2 dB、輸入輸出駐波≤1.35、重量≤1.24 kg；要求設備能地球同步軌道在軌工作12年，且12年末期可靠度優于0.998。本節首先確定本單機冗余架構設計并進行可靠性預計、分配和應力下的數據計算，其次重點針對供電安全和激勵過載開展保護電路設計，再次開展防止自激和腔體效應、EMC(電磁兼容)等穩定性電路設計；最后，闡述了單機結構設計、熱設計、布線設計和制造工藝設計等。

1.1 單機架構和主電路設計

根據可靠性相關理論計算模型[4-6]可知，若單機直接采用單通道串聯架構設計，根據失效率對可靠度轉換公式(1)和可靠性串聯模型公式(2)，可知，12年末期可靠度優于0.998相當于要求單機總失效率應小于70 fit(1 fit=10-9/h)，現一個常規微波有源器件的失效率就有幾十fit，單通道串聯架構對元器件失效率的要求遠超出當前實際元器件及電路設計水平[7]。但若采用旁路模型架構即雙通道冷備架構設計，根據公式(3)，可知單機12年末期可靠度優于0.998，等價于單機單通道(主或備份通道)12年末期可靠度優于0.938 8；再根據公式(1)，即要求單通道失效率≤600 fit，通過元器件精心設計以及電路優化設計有望實現單通道此失效率要求。

R(t)=e-λt

(1)

式中，λ為失效率，t為工作時間，R(t)為對應的可靠度。

(2)

式中，λi為第i個組成單元的失效率，t為工作時間，Ri(t)為第i個組成單元的可靠度，R(t)為m個組成單元組成的串聯系統的可靠度。

Rs(t)=(1+λt)e-λt

(3)

式中，λ為單通道失效率，t為工作時間，Rs(t)為雙通道冷備系統的可靠度。

如圖1所示，本單機采用雙通道冷備設計,同時為提高單元電路可靠性和電磁兼容性，采用模塊化設計。如圖2所示，整個單機設計成兩個模塊：1個電源模塊和1個射頻模塊，每個模塊分別含有互為冷備的兩個子單元，兩個模塊之間通過電纜傳輸低頻信號。電源模塊將衛星供配電單元提供的100 V母線電壓變換為射頻模塊所需的5 V電壓；28 V電壓用于電源模塊內磁保持繼電器線包使用，以控制100 V母線輸入的通道加斷電；主備兩路電源單元，分別獨立輸入100 V母線和28 V線包電壓，兩種電壓均兩路，每路雙點雙線，這樣可實現主備完全獨立和故障隔離；與此同時，電源模塊響應開關機遙控指令并提供輸出電壓狀態遙測模擬量。射頻模塊主要包括微波放大單元和電源分配及遙測單元，可實現有源器件的射頻供電以及射頻功率的過載保護、激勵放大和輸出功率遙測。因此，放大器單機含有2個主/備相同的通道放大器，兩路放大器之間具有完全故障隔離功能，任何一路放大器的任何故障不會影響另一路正常工作。

圖1 放大器單機組成架構框圖

圖2 放大器單機結構外形示意圖

本文在保證技術指標實現的前提下，著重考慮電路設計的可靠性、安全性和穩定性。如圖3(a)所示，電源模塊電路設計主要包括輸入電流保護和浪涌電流抑制電路、輸入濾波器(EMI)電路、功率變換電路、輔助電源和輸出保護電路的設計[8]。如圖3(b)所示，射頻模塊電路設計主要包括隔離電路、限幅放大電路、激勵放大、耦合遙測電路和電源分配電路設計[9]，其中核心的微波放大器采用高可靠的固態GaAs FET器件。結合星用元器件現狀調研，首先根據系統分配的單機失效數指標，對本單機內部各單元電路進行了失效數指標分配；然后，再根據單元電路失效數指標，合理選用或規范要求具體的元器件；最后，根據實際應力下各元器件失效率和元器件計數可靠性預計法[7]，在公式(4)中計算可得在軌50 ℃工作條件下本單機單通道的失效率為

λP=(125.16+109.40) fit=234.56 fit

(4)

單機單通道失效率為234.56 fit(其中射頻通道125.16 fit，電源通道109.40 fit)，滿足小于600 fit指標要求。與此同時，也針對其他可靠性指標開展設計，單機所有元器件降額設計均按照GJB/Z35—93《元器件降額準則》[10]執行，均符合I級降額要求；本單機所有元器件輻射總劑量設計余量都大于2.5，也滿足抗電離總劑量要求。

(a) 單機電源模塊主電源單元的原理框圖

1.2 單機保護電路設計

射頻過載保護電路設計。實際工作中，單機會存在同頻信號或者外來信號的干擾；為防止信號過大堵塞本單機通道甚至燒毀放大器以及后級單機，應進行過載保護電路設計，對輸入信號動態范圍進行壓縮以保護后級微波有源器件。過載保護電路的實現方式主要有ALC(自動電平控制)電路、對數放大電路和限幅放大電路三種方式。ALC電路動態范圍大，閉環自動調節，在可控范圍內理論上不會引入非線性失真；但電路實現結構比較復雜，調試量大，器件多會帶來可靠性的下降，閉環穩定性建立的技術風險以及環路穩定時間限制了應用場合。對數放大電路具有大動態范圍、大帶寬、能實現瞬時動態壓縮等優點，但其缺點也很明顯，結構復雜、實現成本高，而且由于它的輸入輸出呈對數關系，輸出信號有很大的非線性失真。微波限幅放大電路在信號處理中可以把很寬動態范圍內的微波輸入信號放大和壓縮為很小動態范圍的微波輸出信號，減小了輸入信號波動對輸出信號的影響，方便后級電路對信號的處理。相對而言，在本單機輸入動態不是很大的前提下，限幅放大電路的方案比較適宜，因為結構簡單、容易實現、包含器件少、可靠性高。如圖4所示，本文設計的限幅放大電路采用非飽和限幅方式，頻帶寬，易級聯使用；脈沖恢復時間快(約50 ns)；限幅與放大互補電路結構，增益、限幅輸出全溫范圍內起伏小于0.5 dB。

圖4 限幅放大電路原理框圖

電源保護電路設計。為提高單機工作可靠性和安全性，單機設計有輸入過流、輸出過流和輸出過壓保護電路，當單機發生短路故障時，電源模塊自動進入保護模式；故障消除后，電源模塊自動恢復正常。在電源模塊輸入端設置熔斷器作為輸入保護，在電源短路的情況下，母線提供的能量能夠完全熔斷熔斷器，使電源與母線斷開，防止對一次母線構成危害，并且能夠耐住開機浪涌電流的沖擊。熔斷器選型確定后，需進行篩選匹配，以保證熔斷器工作電流均衡；在出現后部電路短路的情況下，衛星一次母線完全可以提供熔斷器并聯后所需的快速熔斷電流。電源輸出過流保護電路設計思路是當負載電流小于設置的過流點時，電源處于恒電壓工作模式；當負載電流大于設置的過流點時，輸出電壓可隨著過流程度的加劇而逐漸降低。如圖5(a)所示，過流保護電路是通過電流取樣變壓器采集原邊電流，經整流、濾波、電流/電壓轉化后接入控制芯片的電流采樣端。當原邊電流超過設定的電流時，通過逐個脈沖的封鎖來達到過流保護的目的。過流保護值設置為1.4倍額定電流；過流消除后可恢復，不會產生自激。通過FMEA(故障模式及影響)分析，針對可能產生過壓的幾種模式進行設計，分別對采樣電阻、調節器電阻進行多個并聯使用，來確保輸出電壓不會因為這些單個電阻的開路而產生過高的電壓，達到過壓保護的目的。與此同時，采用電源電路二次電源輸出遙測設計、微波輸出弱耦合檢波模擬量遙測設計(如圖5(b)所示)，為單機環境試驗、聯調和在軌系統診斷提供遙測數據。

(a) 輸出過流保護電路原理圖

1.3 單機穩定性電路設計

防微波自激和腔體效應設計。自激的存在會妨礙有用信號的傳輸，影響單機的正常工作。防腔體效應也是單機穩定性電路設計中一個重要環節，品質因子Q值高的本征頻率點會導致單機工作不穩定。從Q值的定義式(5)可知，Q值越低，振蕩衰減越快。當Q值達到一個較低的值，腔體的本征諧振特性對單機正常工作頻點的電性能影響很小。

(5)

本單機主要從降低腔體內部輻射、提高腔體本征頻率、降低帶內本振頻率Q值等幾個角度來進行分析和設計，電源模塊和射頻模塊均設計成獨立的封閉金屬盒體結構，兩模塊相互屏蔽；射頻模塊的主單元和備單元之間用隔墻分開，提高兩單元之間隔離度；這樣通過合理布局、合適腔高、優化放大器級聯匹配等設計措施來避免腔體效應和自激。采用HFSS仿真軟件進行腔體和基板的聯合建模仿真，仿真結果表明，帶內本征頻率Q值很低，均在幾百以下，無自激和腔體效應風險。

EMC設計。鑒于目前國標對于EMC是以試驗作為考核要求的，尚未建立起EMC設計上的指標體系；因而，本文在設計中更多的是根據相關標準、規范和工程經驗[11]，提出單機產品級、模塊級、電路級、元器件級的一些EMC有效防護設計措施，主要包括接地設計、濾波設計、布局和布線設計和屏蔽設計。其中，接地設計很關鍵，如圖6所示，一次電源100 V母線回線與二次電源母線回線隔離，隔離電阻大于1 MΩ；一次電源100 V母線正線及回線與機殼絕緣，28 V線包及回線與機殼絕緣、遙控及回線與機殼絕緣，絕緣電阻大于1 MΩ；二次電源母線回線、遙測地、射頻地均與機殼相通。單機最后通過了要求的9項EMC試驗，充分驗證了上述設計的合理性和有效性。

圖6 單機接地網絡示意圖

1.4 單機結構及熱設計

結構設計中，主要是提高設備結構剛、強度，以達到承受各種惡劣力學環境，特別是發射階段的沖擊、振動等環境；同時，采取減重措施，殼體底部及四周挖有不同形式的減重槽，最終實現單機重量小于1.24 kg。

熱設計直接關系到電子設備的壽命和可靠性，必須采取合適的散熱措施使單機內元器件工作溫度滿足Ⅰ級降額要求[12]。單機主要散熱途徑是器件熱量傳導到機箱殼體上，機殼上的熱量再通過安裝板傳導到安裝平臺上，即把單機的底座安裝面作為傳導散熱面。單機殼體和底板材料采用導熱良好的鋁合金，射頻模塊和電源模塊采取一體化結構設計，安裝面粗糙度優于3.2 μm，平面度優于0.1 mm/100 mm×100 mm，有效減少了單機對外接觸熱阻；設備外殼涂溫控黑漆，半球發射率≥0.85。

單機內中等熱耗(0.1～0.3 W)的元器件，采用表貼焊接工藝，焊接在印制板和微帶板焊盤上，通過焊盤大面積覆銅，并下方多布接地通孔，將熱傳導到殼體上；電源模塊中的肖特基二極管和MOS管，通過導熱凸臺和導熱墊將熱量傳導到殼體。熱耗大于0.3 W的放大器，先通過280 ℃AuSn共晶焊料將放大器焊接在高導熱的鉬銅載體上；再通過微帶板開腔，用183 ℃的PbSn焊料將鉬銅載體直接焊在殼體上；這樣既實現了低熱阻設計，又滿足了高釬透率的良好接地要求。微帶板介電常數3.38，厚0.81 mm，雙面覆銅，銅箔厚度35 μm。電源板選用FR-4，厚1.6 mm，銅箔厚度70 μm；板上通過增加金屬化孔和大面積覆銅層來增強導熱能力。采用FLOTHRERM軟件工具進行了單機的熱仿真，仿真數據表明，在軌工作最高溫度50 ℃時，射頻模塊中放大器最高溝道溫度96.8 ℃，符合GaAs功率器件Ⅰ級降額(低于100 ℃)要求；電源模塊中三極管最高結溫66.9 ℃，符合硅功率器件Ⅰ級降額(低于90 ℃)要求，因此，單機使用的元器件在軌工作溝道溫度或結溫符合Ⅰ級降額要求，熱設計符合要求。

單機采用的工藝主要包括表面組裝工藝、電子元器件搪錫工藝、手工焊接工藝、固封工藝、印制電路板三防工藝、機械加工工藝、單機裝配工藝、單機裝聯工藝、導電氧化工藝等。這些工藝方法廣泛應用于航空、航天產品，技術成熟，狀態穩定，能支撐本單機實物研制。

圖7 放大器單機實物圖

2 測試和試驗結果

根據上述設計，開展了單機的投產、齊套、裝配、測調和環境試驗，并最終交付。單機實物如圖7所示。圖8和表1給出了主要指標的常溫測試結果，其中，工作帶寬6 MHz內帶內增益起伏≤0.081 dB、駐波≤1.27、P-1輸出≥19.1 dBm，本體尺寸155.3 mm×81.9 mm×95.2 mm，重量1.207 kg；且主備份通道幅度一致性優于±0.075 dB、相位一致性優于±2°；實測結果符合設計預期，滿足設計輸入要求，體現了本單機指標上的高性能。單機封蓋后通過了高溫浸泡老煉試驗、力學環境試驗、熱真空試驗、熱循環試驗、溫度循環老煉試驗、EMC試驗(含ESD)等一系列鑒定和驗收試驗，試驗過程中也通過了啟動、帶載、電壓拉偏、激勵過載等情形下的全指標測試，充分驗證了本單機的工作穩定性和長壽命高可靠性；最終實現了單機零歸零、指標零超差、星載環境試驗零故障的正樣交付；隨整機成功發射后，在軌工作一直正常、穩定。

(a) 主通道實測增益曲線

表1 單機主要技術指標實測結果及符合性表

3 結束語

本文介紹的放大器單機通過突破高可靠單機架構設計技術，大動態輸入過載保護設計技術、電源及射頻通道安全性等保護電路設計技術，微波電路防腔體效應、EMC等穩定性電路設計技術，單機高效散熱技術等關鍵技術；使得單機在工作帶寬6 MHz內增益起伏≤0.081 dB、駐波≤1.27、幅度一致性≤±0.075 dB；激勵過載20 dB、電壓拉偏90～110 V、駐波拉偏3∶1下仍能正常工作；供電單元具有輸入保護、輸出過流保護、過壓保護等功能；12年末期可靠度優于0.998；從而實現了放大器單機的高性能、長壽命和高可靠。隨整機成功發射后，在軌工作一直穩定正常。本單機作為一個標準模塊，可應用于其他衛星有效載荷；與此同時，通過更換末級放大器，可實現20～45 dBm不同功率量級的輸出；并可將設計方法應用于其他頻段，應用前景廣闊。