微波固态高功放在FY-2E气象卫星中的设计和关键技术

引言

微波固态高功放与电真空功率器件相比具有体积小、工作电压低、频带宽、线性度好、可靠性高、寿命长、结构简单和维护方便等优点受到诸多领域的青睐，在宇宙通信、微波通信、雷达、电子对抗、遥测遥控等电子系统中有着广泛的应用，以完成对微弱信号的放大。为使其在实际应用中具备更高的效率，更好的性能和更低的故障率，本文以其在FY-2E气象卫星中的应用为例，研究了其设计和关键技术，结合实践中的应用，最后提出了几条具有针对性和有效性的保护措施。

单级放大电路的设计思路

一般微波功率晶体管放大器的设计主要包括：根据要求的性能指标，进行工作状态确定、输入输出匹配电路设计和偏置电路设计及热设计等。图1示出一个典型的共基极晶体管放大器电路。

FY-2E的功率放大器采用C类工作，饱和输出。一般来说，放大器工作在饱和或接近饱和状态时效率最高。但由于工作在非线性状态下，确定工作点时，除考虑效率外还应顾及非线性失真的要求。在此处输入输出匹配电路[1-3]主要是让负载阻抗与源阻抗相匹配，减少功率反射损耗，增大传输功率、减少噪声干扰、提高频率响应的线性度。设计思路有以下两种选择：1.采用解析法求出电路元件的值。该方法可得到非常精确地结果，适用于计算机仿真;2.利用Smith原图作为图解设计工具。该方法计算量相对少，更加直观，容易验证。偏置电路的作用是提供适当的静态工作点，幷抑制晶体参数的离散性以及温度变化的影响从而保持恒定的工作特性，一般无源偏置网络容易实现，但不如有源偏置网络灵活。其设计考虑包括效率、噪声、对振荡的抑制、独立的电源供电、射频扼流和阻抗匹配。

FY-2E中固态功放的设计及关键技术

固态功放性能指标主要有：工作带宽、增益、增益平坦度、稳定性、三阶交调、输入输出电压驻波比(VSWR)等。单级放大器由于工作状态、线性度、工艺等的限制难以满足设计要求，实际应用中一般采用多管并联的方式来合成功率。FY-2E气象卫星地面应用系统中的固态功放是采用4管并联的合成方式(见图2)。

该系统主要由驱动放大器、功率放大器和四路径向波导功率合成器组成。驱动放大器采用1:1热备份形式工作，一旦其中一管子出现问题，能自动切换到另一备份放大器上工作，确保作业的正常进行。驱动放大器通过分路器等分成4路分别推动功放管模块工作，最后由四路径向波导功率合成器合成输出，环形器的作用是防止驻波异常时，反射功率过大而破坏功放管。晶体管损坏对功放组件输出的影响

由于FY-2E系统一年365天，平均每天至少完成28张云图，汛期加密观测时达到48张云图的高作业量。因此，功放系统的稳定可靠性就显得尤为重要。若工作中的晶体管有所损坏，从而使组件增益下降。令其增益变化为W，晶体管数目在此处是4，假设4个晶体管的输出场强等幅相加[4]，这样合成器总输出信号的场强为2E，输出信号的功率为。当4路中有n路晶体管损坏时，合成器输出地信号场强为 ，功率为，则增益为。可计算得：当n=1时，增益下降2.5dB;当 n=2时，增益下降6dB;当n=3时，增益下降12dB。系统工作时的总增益我们要求是60dB，由此可见，固态功放管的稳定性是可观的。