魏彦江，王海龙，敬小东，官朝晖

(中国电子科技集团公司 第二十九研究所，成都 610036)

0 引言

人造卫星将有用的信号从卫星传输到地面进行接收，都需要采用功率放大器件将信号进行放大，并通过天线进一步放大信号和确定方位，使传输信号具有从太空传输到地面所需要的能量。导航卫星的信号传输也是一样，通过载荷分系统发射子系统的功率放大器件和天线进行信号放大，以满足地面接收系统对信号功率大小的要求。具有功率放大作用的器件很多，目前国际上主要采用以下2大类器件：一种是固态功率放大器件；一种是电真空功率放大器件。在导航卫星中使用的固态功率放大器件主要是基于砷化镓(GaAs)或氮化镓(GaN)功率管为主，而在导航卫星中使用的电真空放大器件是以空间行波管放大器为主。

本文主要介绍了目前导航卫星上使用的行波管放大器和固态功率放大器的现状，对比优缺点，提出优势互补的发展观点。

1 电真空功率放大器件

1.1 发展现状

空间行波管放大器作为导航卫星实现微波功率末级放大器件，由于其本身极高的技术难度和巨额的投入要求，目前全球只有美国L-3公司、法国THALES公司、德国的TESAT公司、日本的NEC公司、俄罗斯的ALMAZ公司等极少数国家能够研制和生产，并且各个国家对空间行波管放大器的技术均有严格的控制措施，可见其在空间使用方面具有很高的价值。

以导航卫星普遍采用的L、S波段空间行波管放大器为例，文献[1-4]简单介绍了几大公司的典型空间TWT(行波管)和EPC(高压电源)产品参数，如表1及表2所示。

表1 空间TWT典型产品参数

表2 空间EPC典型产品参数

从表1及表2可以看出，L-3和THALES公司的空间TWT研制水平比较领先。文献[5]指出目前空间EPC的研制主要以L-3和TESAT公司为主，同时空间TWTA目前寿命经过多年的发展，可以保证在15年以上，甚至达到20年，可靠性很高。

文献[6]指出我国空间行波管放大器研制起步比较晚，20世纪70年代开始摸索，90年代才真正开始空间行波管放大器的研制。经过多年的发展，目前也积累了一定的研制能力，实现了多个频段空间行波管放大器的国产化，以导航卫星用空间行波管放大器为例，主要产品典型参数如表3及表4所示。

表3 空间TWT典型产品参数

表4 空间EPC典型产品参数

从导航卫星用空间行波管放大器的国内外对比来看，我国空间行波管放大器还有很大的提升空间，相比L-3、THALES等公司还有一定差距。

1.2 应用与发展

空间行波管放大器在导航卫星中使用已经有近40年的历史了，目前主要是使用L波段、S波段、C波段和Ka波段，从美国全球定位系统(global positioning system，GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(global navigation satellite system，GLONASS)、欧洲伽利略卫星导航系统(Galileo navigation satellite system，Galileo)到中国北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system，BDS)，在导航信号末级功率放大器件上均使用了空间行波管放大器，从最初的几十瓦功率，到现在接近200 W功率，功率和效率要求不断提高。

我国L波段空间行波管放大器目前已经接近国际水平，采用4级降压收集极极大地提高了行波管的效率，使得行波管放大器整机效率达到52 %以上。目前在轨运行的L波段空间行波管放大器输出功率150 W以上，设计在轨寿命达到15年以上。图1是某典型L波段行波管放大器产品，和进口行放对比参数如表5所示。

项目国产行放进口行放功率/W150150增益/dB4550带宽/MHz5050杂波/dBc5560AM/PM转换/((°)dB-1)44噪声系数/dB3534效率/(%)5255寿命/年1515冷却方式传导传导

从表5中可以看出，国产行放在技术指标上和进口行放相比，基本上可以达到进口行放水平。目前我国在L波段行波管放大器研制上已经突破连续200 W功率、效率大于55 %的水平，设计寿命超过15年。

作者认为基于导航卫星用的空间行波管放大器未来需要在以下几点有所发展：

1)更大的输出功率：从目前的150向200甚至250 W发展；

2)更高的效率：从目前的55 %向60 %～65 %发展；

3)更高的工作频段：充分发挥行波管在高频段所拥有的宽带、大功率和高效率的优势，顺应系统向X、Ku甚至Ka以上频段发展的要求；

4)更长的寿命：不断提高行波管放大器的可靠性，未来需要提供20年以上寿命的行波管放大器；

5)更加优秀的线性化特性：能够在三阶交调、饱和AM/PM和相移指标上更加具备线性化特性，减小失真和信号损失；

6)发展小型化行波管放大器：针对可观的市场前景，加大MPM(微波功率模块)的研发力度；

7)发展功率可变型行波管放大器：能够在轨实现功率调节，适应不同在轨工作模式的变化，改变输出功率大小，并保证效率最大化；

8)发展一拖多的行波管放大器：即单台高压电源负载多只行波管，例如单台高压电源带2只行波管工作，可以节省卫星安装空间，并使空间功率合成变得易于实现。

9)发展宽带空间行波管放大器并具有工作频率可变化特征：能够和宽带天线完成匹配，根据空间任务的不同，改变工作频段，完成导航和通信的多任务模式。

2 固态功率放大器件

电真空功率放大器件在导航卫星中已经使用了很多年，以GaAs第二代半导体为代表的固态功放在导航卫星中也占据了一席之地；早期的GPS II也使用了固态功率放大器，随着以GaN为代表的宽禁带第三代半导体的出现，固态功率放大器迎来了高速发展期。宽禁带半导体具有击穿电场高、禁带宽度大、功率密度大、工作效率高、热导率高，适合高温工作环境及抗辐射能量强的特点，迅速成为替代GaAs作为导航卫星首选的固态功率放大器件。全球四大卫星导航系统均开始了GaN固态功率放大器的研制，我们也成功研制出我国导航卫星用高功率GaN固态功率放大器，已经成功应用于我国北斗导航系统中。

2.1 发展现状

长期以来，卫星有效载荷已广泛使用GaAs器件来作为卫星有效载荷发射系统的末级功率放大器件。近几年来，随着GaN为标志的第三代半导体的出现，星载固态功放有了飞跃发展，在输出功率和效率上已基本达到行波管放大器水平，目前已经逐渐应用到导航卫星中，具有极其巨大的发展潜力。

文献[7]和文献[8]简单介绍了目前研制GaN功率管的国外公司主要有Nitronix公司、THALES公司、Northrup-Grumman公司、CREE公司、Triquint公司、RFMD公司、Fujitsu/Eudyna公司等，器件技术参数如表6所示。

表6 国外GaN功率管典型产品参数

从表6可以看出，国外GaN功率管的技术水平在L波段窄带情况下，输出功率在100 W左右，增益在14 dB左右，效率已达到60 %以上。

文献[9]、文献[10] 和文献[11]提到第三代半导体器件在国内起步较晚，2010年开始投入组建了相关研发设备，进行技术攻关。经过几年的大力发展，目前从管芯、单片到封装器件均有系列产品。主要产品典型参数如表7所示。

表7 国产空间GaN功率管典型产品参数

从表7可以看出，在导航卫星常用的L波段，我国GaN功率管的技术水平已和国外器件不相上下，多款器件已应用到工程项目中，未来发展空间广阔。

2.2 应用与发展

GaN宽禁带半导体的出现，打破了空间行波管放大器在导航卫星领域的主导地位，目前包括以GPS为代表的全球4大卫星导航系统以及日本、印度等国家的区域卫星导航系统均提出研制并使用基于GaN的固态功率放大器。2012年以来，我国也加大了基于宽禁带半导体器件的固态功率放大器的研制工作，并且取得了可喜的成绩，在大功率、高效率、高可靠性等方面获得了技术突破，目前研制的某高功率固态功率放大器已经成功应用于北斗导航系统中。

文献[9]中提到图2所示是某L波段固态功率放大器产品，其和同工作频段某L波段行波管放大器对比参数如表8所示。

表8 L波段固态功放和行放产品参数对比

从表8中可以看出，固态功率放大器在参数上除了输出功率和效率外，其他参数都优于行波管放大器，尤其在线性化指标上更是行波管放大器所不能及的，体积和重量也比行放小很多，更适合在卫星上安装。

所以从目前发展来看，采用宽禁带半导体器件的固态功率放大器在导航卫星的L波段上已经具备替代行波管放大器的实力，未来固态功率放大器还会在S波段和C波段等工作频段逐渐提高其工作效率，以达到和行波管放大器相当的水平。另外在Ka波段上，由于Ka波长短、器件尺寸小，虽然固态功率管单个器件的输出功率和效率不高，但可考虑采用T/R相控阵体制，利用空间功率合成来获取更高的有效全向辐射功率(effective isotropic radiated power，EIRP)，也具有很好的发展前景。

作者认为基于导航卫星用的空间固态功率放大器未来需要在以下几点有所发展：

1)提高输出功率：从目前的150向200 W发展；

2)提高工作效率：从目前的50 %向60 %发展；

3)改善功率管散热技术：优化热源和减小热阻，能够更好地使功率管可靠工作，并且提高工作效率；

4)扩展工作频段：在L波段产品基础上，扩展S波段和C波段产品，并在Ka波段向T/R相控阵发展；

5)提高可靠性：对宽禁带半导体管芯在材料、工艺等方面的优化持续改进，提高管芯可靠性。

3 导航卫星可以固放和行放优势互补

固态功率放大器和行波管功率放大器各有优缺点，主要表现在以下几方面：

1)固态功放在输出功率和效率上相比行波管放大器略小，合成功率会牺牲效率；

2)行波管放大器在三阶交调、谐波、杂波、AM/PM转换等非线性副特性上相比固态功率放大器处于劣势；

3)行波管放大器是宽带器件，可以跨倍频程频段工作，固态功率放大器要兼顾效率，则最优工作在窄带频段；

4)固态功率放大器相比行波管放大器在体积重量上占优，有利于卫星的小型化布局；

5)固态功率放大器在抗辐照方面相比行波管放大器真空器件需要更多的优化设计；

6)固态功率放大器在可靠性上相比行波管放大器有优势，行波管放大器的高压电源要重点关注高压打火问题，行波管重点关注空间微小放电问题，另外，阴极寿命是行波管放大器寿命的主要影响因素，要选用高可靠长寿命阴极，并防止阴极中毒、行波管真空度下降的风险。

基于行波管放大器和固态功率放大器目前的发展现状，本文提出导航卫星上可以采用固态功率放大器和行波管放大器共存、优势互补的设计理念。在冗余设计上，可以采用固态功率放大器和行波管放大器互为主备份的设计思路，提高发射链路的可靠度。随着固态功率放大器的不断成熟，将逐渐在导航卫星使用上占据主导地位；而空间行波管放大器由于其宽带特性和高效率优势，并不会完全退出这一领域。目前行波管放大器和固态功率放大器在高轨道、长寿命方面尚没有实测数据，设计2种功率放大器有利于导航卫星的高可靠性以及获取宝贵的可靠性数据。

可以预测未来导航卫星发展会多元化，不会单一地完成导航、授时功能，会兼具星间链路的定位、通信和对地中继、通信功能，这相当于将现有的通信卫星和中继卫星进行了融合，以有效利用导航卫星的全球组网和轨道优势。未来多元化的导航卫星系统要求链路具有更高的功率和更宽的工作带宽以承载更多的载波信号和消除空间链路的信号衰减，要求具备更优的线性化能力来消除失真对通信的影响，并具备从L波段到Ka波段的多频段工作能力。当然，实现这些功能还需要很长一段时间，取决于固态功率放大器和行波管放大器的技术发展以及卫星载荷能力的不断提高。

4 结束语

本文简要介绍了目前导航卫星上使用的固态功率放大器和行波管放大器2种主要高功率放大器件，指出2种放大器件各有优缺点，并且提出了在导航卫星使用中，可以优势互补、共同发展的思路。为研究未来高功率放大器件在导航卫星使用方面的发展提供参考。

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