星用小型化Ku频段8W固态功率放大器设计

为了满足卫星分系统对于固态功率放大器小型化的要求,提出了一种星用Ku频段8W固态功率放大器的设计方法。首先采用集成化设计技术,将所有射频功能集中在单个模块中,实现固态功率放大器整机的小型化;其次,通过优化整机热设计,使得微波功率单片满足结温降额要求,实现整机高可靠;最后,通过优化电源电路设计,提高电源的抗干扰能力,实现整机的高稳定。利用以上技术,实现了输出功率大于8W、效率高于22%、重量仅为770g的Ku频段星载固态功率放大器研制,相比传统的分立器件单机,体积缩小了近1/2。空间模拟环境试验结果表明,所研制的Ku频段8W固态功率放大器具有较高的可靠性,满足宇航应用要求,目前已实现在轨运行。该单机非常适用于我国“快、智、廉”卫星型号的应用,未来具有广阔的应用前景。     

星载C频段100W脉冲固态功率放大器设计

为了满足卫星系统对星载固放产品的小型化、高集成的要求,文章应用国产氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN high electron mobility transistors, GaN HEMT）,设计实现了一款星载C频段100W脉冲固态功率放大器（Solid state power amplifier, SSPA）。针对系统对固放性能的要求,采用阶梯阻抗变换匹配的方法,应用ADS电路设计软件,对功率放大模块中输入/输出匹配电路进行了精确仿真及性能验证,以保证功率放大电路在稳定工作的前提下,其输出功率和效率均能满足指标要求,最后给出了固放整机的实际测试数据。该固放在40MHz工作频带、脉宽1.8ms、占空比18.7%的条件下,输出功率大于108W,发射链路增益大于57dB,整机直流功耗小于60W,实现了C频段星载大功率脉冲发射机的固态化。经环境试验考核和系统联试验证,在工作温度范围内,固放的输出功率大于100W,变化小于0.3dB,表明该固放可完全满足卫星雷达系统的使用要求和可靠性要求。     

星载氮化镓固态功率放大器整机高可靠设计技术研究

为了满足星载应用对于固态功率放大器长寿命的应用需求，针对近年来研究较多的氮化镓（gallium nitride,GaN）固态功率放大器（solid state power amplifier,SSPA），阐述了器件存在的可靠性问题，提出了整机高可靠设计方法。首先，探讨了氮化镓器件的典型失效机理，给出了氮化镓器件在高场退化以及热退化方面的研究结果，分析了逆压电极化效应及热载流子效应引起器件退化的物理机制。其次，围绕降额设计、整机热设计以及电路稳定性设计，研究了如何针对氮化镓器件的特点实现星载固放的高可靠设计，并给出了典型的仿真及实验结果。最后，给出了典型的星载固态功率放大器空间环境模拟试验结果，产品在热真空试验、温循老炼以及高温老炼等试验过程中表现出了较高的稳定性和一致性，为氮化镓固态功率放大器的上星应用提供了有力的支撑。     

一种星载固态功率放大器用400W二次电源设计

为了满足导航卫星系统对于固态功率放大器大功率、高可靠性、轻量化的需求,文章采用移相全桥同步整流变换电路加反激变换电路匹配的拓扑方案,设计了一种星载L频段固态放大器用400W二次电源,并详细给出了二次电源拓扑结构及设计原理分析。文章重点对变压器热耗进行分析,为了更好地进行变压器散热设计,该方案创新性采用灌封主功率变压器散热方案,灌封变压器的温度从104℃降低为85.5℃,散热相比有明显改善。同时给出了实物环路测试、电性能指标对比测试以及热平衡与热仿真对比测试,电源效率92.8%,环路的相位裕量42°,增益裕度26dB。测试结果表明设计的二次电源在实现高效率大功率输出的同时,有效地实现器件的一级降额散热,满足高可靠性的批产需求。     

高分三号卫星X频段固放寿命试验方案设计与验证

首先对X频段固态功率放大器(简称固放)的寿命进行了相关分析。针对高分三号(GF-3)卫星的在轨使用工况,分析出其寿命期内关键验证项目,并分别对设计试验进行验证。包含开关机电路的寿命分析及验证、大功率放大电路的寿命分析及验证、典型工艺的寿命分析及验证三个方面。其中大功率放大电路的寿命验证使用经典的Arrhenius模型,以热应力作为加速因子,进行加速验证。典型工艺选取导电胶粘接工艺,疲劳失效采用Confin-Manson模型进行分析验证。通过相关寿命试验验证,证明X频段10 W固放可以满足8年寿命要求。     

面向功放-整流一体化设计的逆F类功率放大器

针对微波无线功率传输对于高功率处理能力的高效整流器需求,提出一种基于高效率功率放大器的功放-整流一体化设计思路。文章首先使用型号为CG2H40010F的氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT),通过谐波控制、负载牵引等方法,设计出一款工作在2.45GHz逆F类高效率功率放大器。在高效率功率放大器的基础上基于时间反转对偶理论,通过改变逆F类功率放大器电流方向,同时结合耦合器和移相器实现了高功率容量整流电路的设计。仿真结果表明,在245GHz工作频率下,功率放大器的输入功率为28dBm时,功率附加效率达到76%,输出功率40dBm;整流电路的输入功率为41dBm时,RF-DC转换效率可达到79%,整流最佳效率大于80%,显示了整流器的高功率处理能力。引入了两个单刀双掷开关实现功率放大器和整流器的功能切换,文章对核心电路功率放大器进行了实物测试,测试结果与仿真重合较好,验证了功放-整流一体化设计的可行性。     

星用X频段调制功率放大模块设计

为了满足遥感卫星对数传单机小型化的要求,文章提出了一种星用X频段调制功率放大模块的设计方法。首次通过采用半导体单片集成电路芯片,对射频电路进行创新性设计,将驱动放大、载波调制、功率放大等功能集成在一个模块中,实现功率放大器的小型化;其次,通过腔体谐振特性仿真及传输特性仿真,优化模块结构设计,保证模块的腔体稳定性以及优良的传输特性;最后,通过优化大功率芯片载焊工艺,改善模块散热特性,并通过红外热像仪测试对芯片焊接质量进行评估。研制出的X频段调制功率放大模块具有功率密度高、效率高、体积小、质量轻等优点。红外热像仪结温测试及静态老炼等试验结果表明,所研制的X频段调制功率放大模块可靠性较好,可满足星载应用要求。     

一种星载V频段接收机的设计

随着高通量通信卫星系统发展,为了获得更多的频率资源,系统工作频段开始向频率资源丰富的Q/V频段过渡.为了满足通信卫星系统对微波接收机向V频段的发展应用需求.文章给出了一种星载V频段接收机的设计和工程实现方法.设计基于多芯片组件技术,通过对毫米波频段电路的精确仿真,将多种功能芯片封装在同一射频管壳中,实现了设备的高集成度;通过对毫米波频段星载接收机的稳定性设计、宽带互联设计等整机集成设计技术的研究,实现了设备的高稳定性;首次使用基于MHEMT低噪声工艺的微波单片集成电路芯片(MMIC)使得设备具备低噪声特性.研制的V频段接收机的工作带宽达到2.5 GHz,是现有通信卫星载荷中带宽最宽的接收机,噪声系数小于3.5 dB,满足系统使用要求.该V频段接收机是Q/V馈电载荷的关键设备,实现了对未来高通量通信卫星重要的技术储备,可广泛应用于各类通信卫星系统.     

一种应用于C频段形状可调线性化器设计

文章利用低温共烧陶瓷（Low temperature co fired ceramic, LTCC）低插损,高集成,小温漂、易集成等优点,设计实现了一款小型化、高性能LTCC线性化器。根据电路原理,设计仿真了一个基于LTCC技术的C频段线性化器,该线性化器频率范围为3.7~4.2 GHz,通过改变线性化器的二极管偏置电压可调整线性化器的增益扩张和相位扩张特性,从而匹配与之级联的功率放大器的增益和相位压缩,改善级联系统的非线性特性。仿真结果表明这种设计的线性化器具有体积小、重量轻、性能优、易于整机集成的特点。     

高可塑性射频通道增益温度补偿电路构架研究

介绍了高可塑性线性工作模式及压缩工作模式射频通道增益温度补偿电路架构。该补偿电路具有低功耗、高集成、小型化的优点,其主要由模拟衰减器和控制电路两部分组成。模拟衰减器动态范围约为20dB，位于射频链路中不影响噪声系数及输出功率的位置。控制电路是由4只正、负温度系数不同的阻值热敏电阻与待调电阻嵌套组成纯电阻网络，稳压后直流电压经过该电阻网络后得到随温度变化的控制电压。该控制电压随温度变化灵活，共有抛物线、碗状、正反L形状和正反斜率线性变化6种趋势，可完全满足射频通道线性工作模式和压缩工作模式增益稳定不同需求。对高可塑性射频通道增益温度补偿电路架构进行了原理分析，并给出具体设计过程。通过软件仿真和实物验证了电路架构合理有效。星载C频段接收机应用该补偿电路后,在-5℃~55℃范围内，增益温度稳定度约0.1dB，达到国际先进水平。     

提升微波固放电路电流承载力的复合膜层结构

随着卫星应用水平的不断提高，星载微波固态功率放大器（固放）的应用功率不断增大，对于固放电路的电流承载力提出了更加严苛的要求。基于对星载微波固放电路电流承载力需求的分析，文章提出一种提升陶瓷基微波固放电路电流承载能力的新型复合膜层结构，并对基于该膜层结构制作的薄膜电路进行了线宽精度、表面电阻、膜层附着力等工艺指标和电流承载力的详细测试，相比传统膜层结构，此复合膜层结构可显著增强电路线条的导热能力，提升固放电路的电流承载力和应用可靠性。测试结果表明，使用NiCr-Au-Cu-Ni-Au复合膜层结构，高纯氧化铝基板上电路可在9A电流下稳定工作（表面膜层完整和表面存在明显划伤结果相同），高介电常数基板上0.4mm线条可耐受5A电流，膜厚控制范围10μm~13μm,100μm线宽精度15μm,膜层附着力大于2kg/mm2，Φ25μm金丝的破坏性键合拉力值>3.5g，250μm金带的破坏性键合拉力值>100g，满足了宇航工程的高可靠应用要求。     

星载Q频段发射变频放大电路的研制

为了适应卫星通信向毫米波高频段快速发展的需求,设计实现了一款星载Q频段发射变频放大电路组件。首先,给出了发射变频放大电路的原理框图,通过优化电路布局将信号变频放大电路和本振信号倍频电路高度集成在一个组件内部,实现了组件的集成化和小型化,降低了电路的研制成本。其次,对发射变频放大电路组件的宽带特性进行优化设计,通过优化微带互联线的宽带阻抗匹配网络,同时采用加载短截线的方法增大波导-同轴-微带探针的工作带宽,有效地改善了发射变频放大电路在宽带内的增益平坦度特性。最后,对金属腔体和电源电路进行优化设计,提高电路的稳定性和可靠性。完成发射变频放大电路的加工测试并给出测试结果,整机联调验证后在型号任务中推广应用。     

一种S频段GaN功率放大器的研制

氮化镓功率管的宽禁带、高击穿电场等特点,使其非常适合于宽带、高效率功率放大器的研制。为了研究GaN功率放大器的特点,使用了Agilent ADS软件进行了电路仿真设计,并制作了一种S频段GaN功率放大器。文章详述了电路仿真过程,并对设计的GaN功率放大器进行了测试,测试结果表明:设计的放大器在工作频段内输出功率大于41dBm,效率59.9%。     

星载双行波管放大器的高效率Buck电路设计

行波管放大器具有可靠性高、输出功率大、宽频带、寿命长、线性度高等诸多优点,在星载大功率部件中扮演着重要角色。为了实现星载行波管放大器的轻量化和高效率,文章设计了一种星载大功率双行波管放大器用电源。通过优化设计Buck电路辅助开关管的工作时序,推导出了时序电路的优化设计公式,选用高饱和磁通密度的磁芯来合理设计辅助电感量,使双行波管放大器电源在整个宽负载范围下均实现了Buck电路的软开关工作,给出了满载下Buck电路的软开关实验波形。实验结果表明该设计可以显著提高双行波管电源中Buck电路的效率,整个负载范围内的效率均高于95%,最高效率达到了97.5%,降低了放大器的电源功耗,提高了双行波管放大器的整机效率和可靠性,降低了载荷的重量。     

一种用于低噪声放大器的波导同轴转换结构及绝缘子焊接工艺

低噪声放大器作为射频接收机的核心部件,其性能好坏直接决定了整个接收机性能和系统的信号质量,而低噪声放大器(简称低噪放)波导同轴转换的工艺性质量对其性能有直接影响。文章对一种X频段低噪放波导同轴转换结构的设计工艺性进行了研究,提出了一种整机结构设计以及绝缘子的焊接工艺方法,经试验验证使用该方法能满足设计电性能要求,同时降低了研制成本,增加了批产可靠性。     

太赫兹固态电子器件和电路

随着微电子技术的飞速发展,半导体器件的截止频率已经进入到太赫兹频段,太赫兹电路的频率特性特性得到极大发展。以固态器件为基础的电路的工作频率进入到太赫兹频段。太赫兹固态电子器件与电路技术在空间领域有着重要的应用前景。文章重点介绍InP基三端太赫兹固态电子器件和电路,以及太赫兹肖特基二极管器件和电路的技术发展过程与最新动态。并指出随着器件与电路的整体化与集成化发展趋势,太赫兹单片集成技术是其未来发展方向。     

L波段高效小尺寸功率放大器载片设计

为了应对当前市场对功率器件更低成本、更小尺寸和更优性能的要求，设计了一款工作频率为1.2～1.4GHz的高效率小尺寸氮化镓（gallium nitride,GaN）基功率放大器载片。使用有源时域负载牵引系统对GaN管芯进行在片测试并提取管芯的非线性行为模型，在先进设计系统（advanced design system,ADS）软件中利用模型进行阻抗匹配电路设计和仿真，将功率放大器端口匹配到了目标阻抗50Ω。该载片采用谐波控制技术使功率放大器附加效率提高了6%～8%，采用高介电常数的陶瓷材料将载片电路集成在8mm×8mm。实测结果显示，放大器在漏源电压28V、100us脉宽和10%占空比脉冲输入的工作条件下，在小尺寸的载体上实现了输出功率大于56W，功率附加效率大于78%的高效率指标。     

地球静止轨道遥感相机一体化设计

文章针对地球静止轨道遥感器设计需求,运用光机热集成设计的方法对相机进行了一体化设计。通过复合支撑方法实现了大口径Si C主镜的高稳定性支撑,保证了反射镜面形的稳定性;相机主体结构在兼顾双通道集成支撑与装调基础上,通过优化设计,保证了相机结构的高刚度、高稳定性;相机的隔振系统针对卫星基频进行了解耦设计,保证相机镜头的安全性;相机遮光罩通过结构及热控一体化设计,有效降低了热控功耗;相机整机力学试验及真空热试验的MTF测试结果表明,相机主体具有较高的稳定性。     

宽带高集成多级射频互连技术

针对微波电路三维集成结构的迫切需求,开展宽带高集成多级射频互连技术研究。主要设计了两种电路结构,多级水平互连电路与多级垂直互连电路。多级水平互连电路中,通过优化同轴-微带线的水平过渡以及倒角过渡方式,得到在DC～30GHz内的仿真结果,回波损耗优于21dB,插入损耗优于0.16dB;多级垂直互连电路中,通过优化BGA板间互连结构,得到在DC～30GHz内的仿真结果,信号的回波损耗优于13dB,插入损耗优于0.57dB。在小型化、高集成的需求下,宽带高集成多级射频互连技术是解决宽带射频信号传输问题的关键技术路径,可以广泛应用在微波电路三维集成结构中,具有重大的应用前景。     

L频段20W固态功率放大器研制

文章着重介绍了一种L频段20W固态功率放大器。它的前级采用ALC电路,后级在饱和状态下工作,这样既保证了输出功率的恒定,又提供了过激励输入保护能力。另外,在后级场效应管的散热方面,采用载体焊的方式,有效降低了管壳的温升。最后的测试结果表明:整机能够提供57dB的增益,20W的输出功率,效率达到36%。