微波固态高功放在FY-2E气象卫星中的设计和关键技术

功放组件中晶体管的阻抗匹配

脉冲工作时，工作在C类状态的晶体管放大器，要经历截止区、线性区和饱和区，其输入输出阻抗是动态变化的，但合成器、传输线的特性阻抗一般都是固定的。因此，要获得良好的阻抗匹配，必须将晶体管的输入输出阻抗在工作频段内进行变换。后端的环形器能将功放组件和天线馈部分隔离，在此，功放管的输出阻抗只需与径向波导合成器输入阻抗匹配即可。常用的晶体管功率放大器匹配网络的设计方法主要有动态阻抗法、大信号S参数法和负载牵引法。

功放组件的散热设计

从理论上分析，影响固态功放组件稳定性的因素主要有温度和工作频段[5]。当工作波长和微波电路的馈电线尺寸可以比拟时，很容易引起信号反馈，在放大器工作频段产生自激振荡，并且电源馈电线路中电容、电感也易引起低频信号反馈。由于FY-2E气象卫星工作在S波段，工作波长相对较长，频率稳定性相对较好。而其每天高强度的工作量，即会产生高热量，导致晶体管温度急剧升高。因此，为保证固态功率放大器工作稳定，必须对功放管进行热设计，以确保放大器处于稳定工作的温度范围。目前，功放组件散热工作主要是，将晶体管管芯产生的热量传给晶体管的法兰，再传给散热器，通过风冷系统，产生一定的风压，使周围空气从散热器上带走热量。

固态高功放在FY-2E中的应用

FY-2E气象卫星应用系统地面指令与数据接收站(简称CDAS)，主要由天线、信道、图像、遥测遥控、测距等分系统组成。信道分系统是其中重要组成部分之一，主要任务是接收卫星原始云图、展宽云图、遥测、三点测距等信号，并发射展宽云图、遥控指令、三点测距等信号。固态功放组件是信道系统的咽喉，它一般也是系统中体积最大、耗电量最多，发热密度最大的设备，由于其工作频段较高(我国气象卫星FY-2系列在S波段)，对与前后传输网络是否匹配良好要求高，所以其工作特性将直接影响整个CDAS系统的性能指标。

运行过程的故障及解决方法

2009年12月发现所收到的一张卫星云图，如图3所示，出现大量麻点和丢线，误码率为10-3个数量级(正常情况下为≤10-6)，而接收的遥测信号AGC电平、给卫星发送的遥控指令、DPL的SSD跟踪均无误，由此可定位为信道部分必有强干扰。再检查信道部分设备的运行情况，发现问题在固态功放，其输出功率为47dBm，反射功率达到43dBm， 根据公式：反射系数 ，驻波，可以计算出驻波比为4.4，已经大大超过了正常值1.3。对于如此大驻波比产生的原因，进行了研究与排查，发现最近天气剧变，温度下降、大雪纷飞、空气湿度大，而充气机启动次数较多，且干燥剂变红失效，判定是波导系统漏气，机房的湿空气不能得到很好地干燥，直接充到天馈线中，而馈线在外遇冷凝结成冰块，致使传输网络阻抗失配，驻波比超标，给接收信号带来强干扰。针对此情况，我们配合设备厂家，对波导内湿空气进行了全部清理、在波导接口处加了密封垫。在处理完后，输出功率为46dBm，反射功率为28dBm，驻波比值正常，接收到的正常云图如图4所示。

提出的保护措施

固态功放是对驻波比极为敏感的微波器件，驻波太大会使其工作频段变小、给接收部分带来强干扰并使其饱和，更有甚者烧坏发射机。为防患于未然，笔者将理论研究和自己的工作实践相结合，特提出以下几大重点监管措施。

固态功放驻波的好与坏，是取决于其与后端馈线网络是否匹配良好造成的。由于馈线大部分长期工作在室外，很容易受环境温度、湿度的变化、及大风天气碰撞而生锈、变形致使反射损耗变大。为此，要保证馈线上铁塔时不能有碰撞，且固定要牢固尽量不要承受过多硬力、固定间距不要太大;且在环境温度、湿度剧变的情况下，加强监督并采取保护措施;要定期检查充气机内干燥剂，防止其变红失效。

将功放后馈线网络系统纳入监控管理范围，设置监测点，由于馈线充气机一般有遥信接口，可将充气气压、充气次数、充气时间间隔等参量的变化情况进行采集传送到网络监测系统，即可实时监视。

FY-2E地面应用系统固态功放组件主要由输入/输出组件、功放模块、大电流的电源组件、风冷系统及功放的监视、控制和保护电路几部分组成。可对射频信号输入输出功率取样检测、反射功率取样检测。射频微波管对工作条件要求高，因此必须对环境温度、各功放模块温度、电源电压、输入功率、输出功率、反射功率等参数进行实时监视并实施快速保护。另外，功放工作时功率大、产生热量多，要定期对风冷系统进行巡检，确保系统通风冷却正常。

结语

本文通过对固态功放设计思路、关键技术和应用实例的探讨，研究了晶体管损坏对功放组件输出的影响、功放组件中晶体管的阻抗匹配、功放组件的散热设计，结合在实际工作的应用情况，最后提出了几条具有针对性和有效性的保护措施，可以提高固态功放在实际业务中的稳定性、可靠性和高效性。