微波固態(tài)高功放在FY-2E氣象衛(wèi)星中的設計及相關技術介紹
由于FY-2E系統(tǒng)一年365天,平均每天至少完成28張云圖,汛期加密觀測時達到48張云圖的高作業(yè)量。因此,功放系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性就顯得尤為重要。若工作中的晶體管有所損壞,從而使組件增益下降。令其增益變化為W,晶體管數(shù)目在此處是4,假設4個晶體管的輸出場強等幅相加[4],這樣合成器總輸出信號的場強為2E,輸出信號的功率為。當4路中有n路晶體管損壞時,合成器輸出地信號場強為 ,功率為,則增益為??捎嬎愕茫寒攏=1時,增益下降2.5dB;當 n=2時,增益下降6dB;當n=3時,增益下降12dB。系統(tǒng)工作時的總增益我們要求是60dB,由此可見,固態(tài)功放管的穩(wěn)定性是可觀的。本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/155183.htm
功放組件中晶體管的阻抗匹配
脈沖工作時,工作在C類狀態(tài)的晶體管放大器,要經(jīng)歷截止區(qū)、線性區(qū)和飽和區(qū),其輸入輸出阻抗是動態(tài)變化的,但合成器、傳輸線的特性阻抗一般都是固定的。因此,要獲得良好的阻抗匹配,必須將晶體管的輸入輸出阻抗在工作頻段內(nèi)進行變換。后端的環(huán)形器能將功放組件和天線饋部分隔離,在此,功放管的輸出阻抗只需與徑向波導合成器輸入阻抗匹配即可。常用的晶體管功率放大器匹配網(wǎng)絡的設計方法主要有動態(tài)阻抗法、大信號S參數(shù)法和負載牽引法。
功放組件的散熱設計
從理論上分析,影響固態(tài)功放組件穩(wěn)定性的因素主要有溫度和工作頻段[5]。當工作波長和微波電路的饋電線尺寸可以比擬時,很容易引起信號反饋,在放大器工作頻段產(chǎn)生自激振蕩,并且電源饋電線路中電容、電感也易引起低頻信號反饋。由于FY-2E氣象衛(wèi)星工作在S波段,工作波長相對較長,頻率穩(wěn)定性相對較好。而其每天高強度的工作量,即會產(chǎn)生高熱量,導致晶體管溫度急劇升高。因此,為保證固態(tài)功率放大器工作穩(wěn)定,必須對功放管進行熱設計,以確保放大器處于穩(wěn)定工作的溫度范圍。目前,功放組件散熱工作主要是,將晶體管管芯產(chǎn)生的熱量傳給晶體管的法蘭,再傳給散熱器,通過風冷系統(tǒng),產(chǎn)生一定的風壓,使周圍空氣從散熱器上帶走熱量。
FY-2E氣象衛(wèi)星應用系統(tǒng)地面指令與數(shù)據(jù)接收站(簡稱CDAS),主要由天線、信道、圖像、遙測遙控、測距等分系統(tǒng)組成。信道分系統(tǒng)是其中重要組成部分之一,主要任務是接收衛(wèi)星原始云圖、展寬云圖、遙測、三點測距等信號,并發(fā)射展寬云圖、遙控指令、三點測距等信號。固態(tài)功放組件是信道系統(tǒng)的咽喉,它一般也是系統(tǒng)中體積最大、耗電量最多,發(fā)熱密度最大的設備,由于其工作頻段較高(我國氣象衛(wèi)星FY-2系列在S波段),對與前后傳輸網(wǎng)絡是否匹配良好要求高,所以其工作特性將直接影響整個CDAS系統(tǒng)的性能指標。
運行過程的故障及解決方法
2009年12月發(fā)現(xiàn)所收到的一張衛(wèi)星云圖,如圖3所示,出現(xiàn)大量麻點和丟線,誤碼率為10-3個數(shù)量級(正常情況下為≤10-6),而接收的遙測信號AGC電平、給衛(wèi)星發(fā)送的遙控指令、DPL的SSD跟蹤均無誤,由此可定位為信道部分必有強干擾。再檢查信道部分設備的運行情況,發(fā)現(xiàn)問題在固態(tài)功放,其輸出功率為47dBm,反射功率達到43dBm, 根據(jù)公式:反射系數(shù) ,駐波,可以計算出駐波比為4.4,已經(jīng)大大超過了正常值1.3。對于如此大駐波比產(chǎn)生的原因,進行了研究與排查,發(fā)現(xiàn)最近天氣劇變,溫度下降、大雪紛飛、空氣濕度大,而充氣機啟動次數(shù)較多,且干燥劑變紅失效,判定是波導系統(tǒng)漏氣,機房的濕空氣不能得到很好地干燥,直接充到天饋線中,而饋線在外遇冷凝結成冰塊,致使傳輸網(wǎng)絡阻抗失配,駐波比超標,給接收信號帶來強干擾。針對此情況,我們配合設備廠家,對波導內(nèi)濕空氣進行了全部清理、在波導接口處加了密封墊。在處理完后,輸出功率為46dBm,反射功率為28dBm,駐波比值正常,接收到的正常云圖如圖4所示。
固態(tài)功放是對駐波比極為敏感的微波器件,駐波太大會使其工作頻段變小、給接收部分帶來強干擾并使其飽和,更有甚者燒壞發(fā)射機。為防患于未然,筆者將理論研究和自己的工作實踐相結合,特提出以下幾大重點監(jiān)管措施。
固態(tài)功放駐波的好與壞,是取決于其與后端饋線網(wǎng)絡是否匹配良好造成的。由于饋線大部分長期工作在室外,很容易受環(huán)境溫度、濕度的變化、及大風天氣碰撞而生銹、變形致使反射損耗變大。為此,要保證饋線上鐵塔時不能有碰撞,且固定要牢固盡量不要承受過多硬力、固定間距不要太大;且在環(huán)境溫度、濕度劇變的情況下,加強監(jiān)督并采取保護措施;要定期檢查充氣機內(nèi)干燥劑,防止其變紅失效。
將功放后饋線網(wǎng)絡系統(tǒng)納入監(jiān)控管理范圍,設置監(jiān)測點,由于饋線充氣機一般有遙信接口,可將充氣氣壓、充氣次數(shù)、充氣時間間隔等參量的變化情況進行采集傳送到網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng),即可實時監(jiān)視。
FY-2E地面應用系統(tǒng)固態(tài)功放組件主要由輸入/輸出組件、功放模塊、大電流的電源組件、風冷系統(tǒng)及功放的監(jiān)視、控制和保護電路幾部分組成??蓪ι漕l信號輸入輸出功率取樣檢測、反射功率取樣檢測。射頻微波管對工作條件要求高,因此必須對環(huán)境溫度、各功放模塊溫度、電源電壓、輸入功率、輸出功率、反射功率等參數(shù)進行實時監(jiān)視并實施快速保護。另外,功放工作時功率大、產(chǎn)生熱量多,要定期對風冷系統(tǒng)進行巡檢,確保系統(tǒng)通風冷卻正常。
結語
本文通過對固態(tài)功放設計思路、關鍵技術和應用實例的探討,研究了晶體管損壞對功放組件輸出的影響、功放組件中晶體管的阻抗匹配、功放組件的散熱設計,結合在實際工作的應用情況,最后提出了幾條具有針對性和有效性的保護措施,可以提高固態(tài)功放在實際業(yè)務中的穩(wěn)定性、可靠性和高效性。
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