高功率放大器件在導(dǎo)航衛(wèi)星中的應(yīng)用和發(fā)展

魏彥江，王海龍，敬小東，官朝暉

(中國電子科技集團(tuán)公司 第二十九研究所，成都 610036)

0 引言

人造衛(wèi)星將有用的信號從衛(wèi)星傳輸?shù)降孛孢M(jìn)行接收，都需要采用功率放大器件將信號進(jìn)行放大，并通過天線進(jìn)一步放大信號和確定方位，使傳輸信號具有從太空傳輸?shù)降孛嫠枰哪芰?。?dǎo)航衛(wèi)星的信號傳輸也是一樣，通過載荷分系統(tǒng)發(fā)射子系統(tǒng)的功率放大器件和天線進(jìn)行信號放大，以滿足地面接收系統(tǒng)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(tài)功率放大器件；一種是電真空功率放大器件。在導(dǎo)航衛(wèi)星中使用的固態(tài)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(dǎo)航衛(wèi)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(dǎo)航衛(wèi)星上使用的行波管放大器和固態(tài)功率放大器的現(xiàn)狀，對比優(yōu)缺點(diǎn)，提出優(yōu)勢互補(bǔ)的發(fā)展觀點(diǎn)。

1 電真空功率放大器件

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀

空間行波管放大器作為導(dǎo)航衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)微波功率末級放大器件，由于其本身極高的技術(shù)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(shù)國家能夠研制和生產(chǎn)，并且各個國家對空間行波管放大器的技術(shù)均有嚴(yán)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(dǎo)航衛(wèi)星普遍采用的L、S波段空間行波管放大器為例，文獻(xiàn)[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(chǎn)品參數(shù)，如表1及表2所示。

表1 空間TWT典型產(chǎn)品參數(shù)

表2 空間EPC典型產(chǎn)品參數(shù)

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(lǐng)先。文獻(xiàn)[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(jīng)過多年的發(fā)展，可以保證在15年以上，甚至達(dá)到20年，可靠性很高。

文獻(xiàn)[6]指出我國空間行波管放大器研制起步比較晚，20世紀(jì)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(jīng)過多年的發(fā)展，目前也積累了一定的研制能力，實(shí)現(xiàn)了多個頻段空間行波管放大器的國產(chǎn)化，以導(dǎo)航衛(wèi)星用空間行波管放大器為例，主要產(chǎn)品典型參數(shù)如表3及表4所示。

表3 空間TWT典型產(chǎn)品參數(shù)

表4 空間EPC典型產(chǎn)品參數(shù)

從導(dǎo)航衛(wèi)星用空間行波管放大器的國內(nèi)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(yīng)用與發(fā)展

空間行波管放大器在導(dǎo)航衛(wèi)星中使用已經(jīng)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(tǒng)(global positioning system，GPS)、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GLONASS)、歐洲伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileo navigation satellite system，Galileo)到中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)，在導(dǎo)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(xiàn)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(jīng)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(jī)效率達(dá)到52 %以上。目前在軌運(yùn)行的L波段空間行波管放大器輸出功率150 W以上，設(shè)計在軌壽命達(dá)到15年以上。圖1是某典型L波段行波管放大器產(chǎn)品，和進(jìn)口行放對比參數(shù)如表5所示。

項(xiàng)目國產(chǎn)行放進(jìn)口行放功率/W150150增益/dB4550帶寬/MHz5050雜波/dBc5560AM/PM轉(zhuǎn)換/((°)dB-1)44噪聲系數(shù)/dB3534效率/(%)5255壽命/年1515冷卻方式傳導(dǎo)傳導(dǎo)

從表5中可以看出，國產(chǎn)行放在技術(shù)指標(biāo)上和進(jìn)口行放相比，基本上可以達(dá)到進(jìn)口行放水平。目前我國在L波段行波管放大器研制上已經(jīng)突破連續(xù)200 W功率、效率大于55 %的水平，設(shè)計壽命超過15年。

作者認(rèn)為基于導(dǎo)航衛(wèi)星用的空間行波管放大器未來需要在以下幾點(diǎn)有所發(fā)展：

1)更大的輸出功率：從目前的150向200甚至250 W發(fā)展；

2)更高的效率：從目前的55 %向60 %～65 %發(fā)展；

3)更高的工作頻段：充分發(fā)揮行波管在高頻段所擁有的寬帶、大功率和高效率的優(yōu)勢，順應(yīng)系統(tǒng)向X、Ku甚至Ka以上頻段發(fā)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(yōu)秀的線性化特性：能夠在三階交調(diào)、飽和AM/PM和相移指標(biāo)上更加具備線性化特性，減小失真和信號損失；

6)發(fā)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(fā)力度；

7)發(fā)展功率可變型行波管放大器：能夠在軌實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)，適應(yīng)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(fā)展一拖多的行波管放大器：即單臺高壓電源負(fù)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(jié)省衛(wèi)星安裝空間，并使空間功率合成變得易于實(shí)現(xiàn)。

9)發(fā)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(jù)空間任務(wù)的不同，改變工作頻段，完成導(dǎo)航和通信的多任務(wù)模式。

2 固態(tài)功率放大器件

電真空功率放大器件在導(dǎo)航衛(wèi)星中已經(jīng)使用了很多年，以GaAs第二代半導(dǎo)體為代表的固態(tài)功放在導(dǎo)航衛(wèi)星中也占據(jù)了一席之地；早期的GPS II也使用了固態(tài)功率放大器，隨著以GaN為代表的寬禁帶第三代半導(dǎo)體的出現(xiàn)，固態(tài)功率放大器迎來了高速發(fā)展期。寬禁帶半導(dǎo)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(dǎo)率高，適合高溫工作環(huán)境及抗輻射能量強(qiáng)的特點(diǎn)，迅速成為替代GaAs作為導(dǎo)航衛(wèi)星首選的固態(tài)功率放大器件。全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)均開始了GaN固態(tài)功率放大器的研制，我們也成功研制出我國導(dǎo)航衛(wèi)星用高功率GaN固態(tài)功率放大器，已經(jīng)成功應(yīng)用于我國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)中。

2.1 發(fā)展現(xiàn)狀

長期以來，衛(wèi)星有效載荷已廣泛使用GaAs器件來作為衛(wèi)星有效載荷發(fā)射系統(tǒng)的末級功率放大器件。近幾年來，隨著GaN為標(biāo)志的第三代半導(dǎo)體的出現(xiàn)，星載固態(tài)功放有了飛躍發(fā)展，在輸出功率和效率上已基本達(dá)到行波管放大器水平，目前已經(jīng)逐漸應(yīng)用到導(dǎo)航衛(wèi)星中，具有極其巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[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(shù)參數(shù)如表6所示。

表6 國外GaN功率管典型產(chǎn)品參數(shù)

從表6可以看出，國外GaN功率管的技術(shù)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(dá)到60 %以上。

文獻(xiàn)[9]、文獻(xiàn)[10] 和文獻(xiàn)[11]提到第三代半導(dǎo)體器件在國內(nèi)起步較晚，2010年開始投入組建了相關(guān)研發(fā)設(shè)備，進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。經(jīng)過幾年的大力發(fā)展，目前從管芯、單片到封裝器件均有系列產(chǎn)品。主要產(chǎn)品典型參數(shù)如表7所示。

表7 國產(chǎn)空間GaN功率管典型產(chǎn)品參數(shù)

從表7可以看出，在導(dǎo)航衛(wèi)星常用的L波段，我國GaN功率管的技術(shù)水平已和國外器件不相上下，多款器件已應(yīng)用到工程項(xiàng)目中，未來發(fā)展空間廣闊。

2.2 應(yīng)用與發(fā)展

GaN寬禁帶半導(dǎo)體的出現(xiàn)，打破了空間行波管放大器在導(dǎo)航衛(wèi)星領(lǐng)域的主導(dǎo)地位，目前包括以GPS為代表的全球4大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及日本、印度等國家的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)均提出研制并使用基于GaN的固態(tài)功率放大器。2012年以來，我國也加大了基于寬禁帶半導(dǎo)體器件的固態(tài)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(shù)突破，目前研制的某高功率固態(tài)功率放大器已經(jīng)成功應(yīng)用于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)中。

文獻(xiàn)[9]中提到圖2所示是某L波段固態(tài)功率放大器產(chǎn)品，其和同工作頻段某L波段行波管放大器對比參數(shù)如表8所示。

表8 L波段固態(tài)功放和行放產(chǎn)品參數(shù)對比

從表8中可以看出，固態(tài)功率放大器在參數(shù)上除了輸出功率和效率外，其他參數(shù)都優(yōu)于行波管放大器，尤其在線性化指標(biāo)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(wèi)星上安裝。

所以從目前發(fā)展來看，采用寬禁帶半導(dǎo)體器件的固態(tài)功率放大器在導(dǎo)航衛(wèi)星的L波段上已經(jīng)具備替代行波管放大器的實(shí)力，未來固態(tài)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(dá)到和行波管放大器相當(dāng)?shù)乃?。另外在Ka波段上，由于Ka波長短、器件尺寸小，雖然固態(tài)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(fā)展前景。

作者認(rèn)為基于導(dǎo)航衛(wèi)星用的空間固態(tài)功率放大器未來需要在以下幾點(diǎn)有所發(fā)展：

1)提高輸出功率：從目前的150向200 W發(fā)展；

2)提高工作效率：從目前的50 %向60 %發(fā)展；

3)改善功率管散熱技術(shù)：優(yōu)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(kuò)展工作頻段：在L波段產(chǎn)品基礎(chǔ)上，擴(kuò)展S波段和C波段產(chǎn)品，并在Ka波段向T/R相控陣發(fā)展；

5)提高可靠性：對寬禁帶半導(dǎo)體管芯在材料、工藝等方面的優(yōu)化持續(xù)改進(jìn)，提高管芯可靠性。

3 導(dǎo)航衛(wèi)星可以固放和行放優(yōu)勢互補(bǔ)

固態(tài)功率放大器和行波管功率放大器各有優(yōu)缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

1)固態(tài)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(diào)、諧波、雜波、AM/PM轉(zhuǎn)換等非線性副特性上相比固態(tài)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(tài)功率放大器要兼顧效率，則最優(yōu)工作在窄帶頻段；

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

5)固態(tài)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(yōu)化設(shè)計；

6)固態(tài)功率放大器在可靠性上相比行波管放大器有優(yōu)勢，行波管放大器的高壓電源要重點(diǎn)關(guān)注高壓打火問題，行波管重點(diǎn)關(guān)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(fēng)險。

基于行波管放大器和固態(tài)功率放大器目前的發(fā)展現(xiàn)狀，本文提出導(dǎo)航衛(wèi)星上可以采用固態(tài)功率放大器和行波管放大器共存、優(yōu)勢互補(bǔ)的設(shè)計理念。在冗余設(shè)計上，可以采用固態(tài)功率放大器和行波管放大器互為主備份的設(shè)計思路，提高發(fā)射鏈路的可靠度。隨著固態(tài)功率放大器的不斷成熟，將逐漸在導(dǎo)航衛(wèi)星使用上占據(jù)主導(dǎo)地位；而空間行波管放大器由于其寬帶特性和高效率優(yōu)勢，并不會完全退出這一領(lǐng)域。目前行波管放大器和固態(tài)功率放大器在高軌道、長壽命方面尚沒有實(shí)測數(shù)據(jù)，設(shè)計2種功率放大器有利于導(dǎo)航衛(wèi)星的高可靠性以及獲取寶貴的可靠性數(shù)據(jù)。

可以預(yù)測未來導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)展會多元化，不會單一地完成導(dǎo)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(dāng)于將現(xiàn)有的通信衛(wèi)星和中繼衛(wèi)星進(jìn)行了融合，以有效利用導(dǎo)航衛(wèi)星的全球組網(wǎng)和軌道優(yōu)勢。未來多元化的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)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(yōu)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(dāng)然，實(shí)現(xiàn)這些功能還需要很長一段時間，取決于固態(tài)功率放大器和行波管放大器的技術(shù)發(fā)展以及衛(wèi)星載荷能力的不斷提高。

4 結(jié)束語

本文簡要介紹了目前導(dǎo)航衛(wèi)星上使用的固態(tài)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(yōu)缺點(diǎn)，并且提出了在導(dǎo)航衛(wèi)星使用中，可以優(yōu)勢互補(bǔ)、共同發(fā)展的思路。為研究未來高功率放大器件在導(dǎo)航衛(wèi)星使用方面的發(fā)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，F(xiàn)RYSIRAS 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，F(xiàn)AYT 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(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].真空電子技術(shù)，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(yè)大學(xué)，2014.

[8] 武小坡，趙海洋，奚松濤.星載高功率固態(tài)功放關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究[J].雷達(dá)學(xué)報，2014，3(3)：288-294.

[9] 敬小東，鐘世昌，邱鋼，等.基于國產(chǎn)GaN HEMT器件的星載高效固放設(shè)計[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)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(tài)(上)[J].信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2012(4)：60-63.