国外SAR卫星T/R模块电源单元设计分析与启示

张晓峰 李海津 藏洁 田鹏

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

合成孔径雷达(SAR)卫星通常在低地球轨道运行，具有全天时、全天候的高分辨率大范围对地观测能力，被广泛应用于海洋陆地观测、地形测绘等领域。SAR天线通常是有源相控阵型天线，由多个相同的阵面组成，每个阵面由几个辐射子阵面组成，用于发送和接收信号[1]。每个子阵面包括发送器和接收器模块(T/R模块)。SAR天线的架构可以是分布式或者集中式。分布式架构中，每个子板面对应一个专用T/R模块、控制单元和电源单元(PSU)；集中式架构中，一个电源单元为多个发射器/接收器(T/R)模块供电[2]。由于SAR天线具有脉冲、高峰值功率的工作特点，对T/R模块电源单元的供电质量、体积、质量等均提出了特殊要求[3-6]：

(1)电源的可靠性设计对于T/R模块的PSU极为重要。T/R模块工作在脉冲模式，脉冲重复频率(PRF)一般在1500 Hz和5000 Hz之间，占空比一般为0～10%。当发射器被激活时，在天线侧产生数千瓦的射频脉冲，T/R模块会产生大电流，此时在T/R模块PSU输入电源线上会存在很大的传导干扰。这就要求精确设计PSU，避免高脉冲功率对其他有效载荷和航天器上其他关键设备造成干扰。另外，大功率脉冲功率也会影响T/R模块的电能质量，为了保证高质量供电需要对PSU进行严格设计，包括对PSU的功率和控制回路进行优化。

(2)SAR卫星在体积分配和热设计方面对T/R模块PSU的设计提出了严格的限制。PSU必须定制设计适应SAR的天线结构，实现最佳的电气性能。并且还需要在有限的空间里安装足够容量的滤波器实现PRF频率点的滤波。另外，PSU中印刷电路板的固定点数量和位置也需要严格设计以满足机械和热设计的约束。

由上述特点可见T/R模块PSU的约束条件多、设计难度大，因此本文对国外具有代表性的地中海盆地观测小卫星星座(COSMO-SkyMed)、“哨兵-1”(Sentinel-1)卫星和阿根廷微波对地观测卫星(SAOCOM-1A)等SAR卫星中的T/R模块PSU进行了详细地介绍，对比了关键性能参数，分析提炼了T/R模块PSU的设计要点，可为后续其他SAR卫星T/R模块PSU的设计提供参考。

1 国外SAR卫星T/R电源设计分析

1.1 COSMO-SkyMed的T/R电源介绍

COSMO-SkyMed包括4颗卫星，是意大利航天局和国防部合作项目，由阿莱尼亚宇航公司(Thales Alenia Space)制造，用于地中海周边地区的监测和海洋污染治理。搭载了X频段合成孔径雷达，分辨率1 m，能够在任何气象条件下观测地球，首颗卫星于2007年6月8日发射。自2007年发射以来，COSMO-SkyMed的瓦片供电单元(TPSU)已经通过飞行认证，并在该星座的4颗卫星上应用。其工作温度范围为-35 ℃～+60 ℃。共有320个TPSU安装在卫星上(每个SAR天线上80个)[7]。以下分析COSMO-SkyMed卫星TPSU的设计方案特点。

1.1.1 COSMO-SkyMed T/R模块TPSU方案设计

COSMO-SkyMed T/R模块TPSU的主要技术指标见表1[8]。

表1 COSMO-SkyMed TPSU指标

注：@PRF表示电流在脉冲重复频率点下的纹波值。

TPSU的功能如图1所示。TPSU采用集中式供电架构，1个TPSU可以为16个T/R模块提供电能。如图1所示，TPSU由以下两部分组成。

(1)双降压变换器，作为主电源，用于为发射器和接收器模块提供电源。

(2)反激式变换器，作为辅助电源，用于为发射器和接收器数字和模拟电子模块生成所有内部辅助电源和低功率辅助电压。

该方案主要的特点有：

(1)该TPSU的设计要点是尺寸和效率，以实现SAR天线空间分配问题的最小化设计。为了实现TPSU的体积、质量最小化设计，TPSU采用印刷电路板加输出线，集成到SAR天线板结构中。电气隔离和主母线输入滤波器位于卫星平台上的专用SAR天线电源(SAPS)中。此外，由于TPSU尺寸限制，V1和V2上的所有输出电容滤波器都安装于射频模块中。

(2)为了获得最大效率，降压功率变换器采用了同步整流技术。所有控制电路都安装在厚膜混合物内，厚膜混合物是一种基于多层陶瓷衬底的材料，用来优化热管理。

(3)V1(发射器)和V2(接收器)电源调节器的控制环路带宽设计在保证电能质量的前提下，在输入电流纹波(传导干扰)和输出电压滤波器之间获得了最佳折衷。

(4)TPSU具有完备的保护功能，主要包括：过流保护可在下游负载故障时保护TPSU或主母线；在负载供电线路中加入熔断器保护线路；在欠压恢复后，TPSU将自动启动，输出电压按预定顺序定时接通和断开。

(5)保证机械和热安全裕度。TPSU采用了八个连接点可确保在规定的振动水平下的机械安全裕度。散热设计基于任务环境条件，通过特殊设计的固定点和安装关键部件散热器，实现SAR天线热控制系统中热阻最小化。

图1 COSMO-SkyMed电源单元的功能框图Fig.1 Functional diagram for PSU in COSMO-SkyMed

1.1.2 COSMO-SkyMed T/R模块TPSU性能

1)动态性能

测试中V1输出端安装的电容为7200 pF，V2输出端安装的电容为2400 pF。输出电压控制环路带宽设定为1 kHz。图2给出了空载时+8.5 V输出的负载瞬态响应测试结果，动态响应时间10 ms，超调量5%[9]。图2中，横坐标为时间刻度为每格5 ms，纵坐标输出电压V1刻度为每格0.2 V。由图2可知，输出具有较高的动态性能。

2)电磁干扰(EMI)性能

传导干扰由TPSU的控制环路和TPSU以及SAR天线电源(SAPS)的滤波器两个方面决定。EMI测试可以评估TPSU对系统中其他设备产生的干扰。EMI测试结果见图3(TPSU的输入电源线)和图4(主母线电源线，SAPS的输入端)[7]。为了直观表示，图3、4中横坐标采用了对数坐标。

图2 负载变化时+8.5 V负载模块输出波形Fig.2 Load change waveform of +8.5V load module

图3 TPSU输入电源线测试结果(差模，频率范围0～50 MHz)Fig.3 Input bus of TPSU (differential signal 0～50MHz)

图4 主母线(SAPS输入)测试结果(差模，频率范围0～50 MHz)

3)尺寸质量性能

TPSU在最大功率130 W下的效率大于81%。TPSU质量为460 g，尺寸参数见表2。

表2 TPSU机械参数

1.2 “哨兵-1”卫星 T/R电源介绍

“哨兵-1”(Sentinel-1)卫星是欧洲航天局哥白尼

计划(GMES)的地球观测卫星，Sentinel-1卫星载有C频段合成孔径雷达，用于监测海洋环境、地表运动、勘测地表等。Sentinel-1卫星在2014年4月3日由联盟号火箭发射升空，其PSU于2010年通过认证，温度范围为-35℃～+65℃。每个Sentinel-1卫星上采用了28个PSU。以下分析Sentinel-1卫星T/R电源的方案特点。

1.2.1 Sentinel-1 T/R模块PSU方案设计

Sentinel-1卫星中PSU的主要指标见表3[10]。

表3 Sentinel-1卫星PSU指标

PSU的功能如图5所示。PSU由两个主变换单元第一个负责为发送(TX)电源线供电(V1)，由于有隔离的要求采用了推挽电路。第二个为反激电路，负责为接收(RX)电源(V2)供电并提供三路辅助电路电压，分别是功率部分偏置(V3)，正数字控制电路电源(V4)和负数字控制电路电源(V5)。

Sentinel-1卫星PSU具有如下主要特点如下：

(1)输入电流纹波要求更为严格，峰峰值为50 mA，避免了对其它设备的干扰。

(2)所有输出均采用了变压器隔离，具有更强的EMI干扰隔离能力。

(3)PSU安装在专用机械盒中，具有更强的抗干扰、抗辐照能力。

(4)PSU的输出存在大的电容滤波器，V1和V2线路上存在放电器电路，以便快速释放电容电压。

图5 Sentinel-1卫星PSU功能框图Fig. 5 Functional Diagram of PSU for Sentinel-1

1.2.2 T/R模块PSU性能

1)静态输入/输出性能

为了实现PRF的电压响应和一次电源侧电流纹波的折衷，以V1输出为例，调节器带宽设置为500 Hz。PSU的输入母线电流、输出电压和电流的波形如图6所示[10]，图6中横坐标为时间刻度为每格100 ms，纵坐标输入母线电流纹波刻度为每格0.1 A，输出电压V1刻度为每格0.1 V，输出电流刻度为每格10 A。从测试结果看，主母线输入侧的电流纹波极小，幅值为50 mA。

图6 输入输出波形Fig.6 Input and output waveform

2)动态性能

图7给出了负载阶跃时的动态响应波形，负载从100%到空载再到100%，期间空载持续时间8 ms，从波形中可以看出动态响应时间低于10 ms[10]。图7中，横坐标为时间刻度为每格5 ms，纵坐标输出电压V1刻度为每格0.2 V，负载开关信号刻度为每格2.5 V。

3)尺寸质量性能

PSU在最大输出功率点的效率高于82%，PSU的尺寸和质量见表4。

表4 PSU机械参数

1.3 阿根廷微波对地观测卫星T/R电源介绍

阿根廷微波对地观测卫星(SAOCOM-1A)是由阿根廷宇航局负责研制的一颗L频段地球观测卫星。核心目标是测量土壤湿度、监测洪水淹没范围等。实时和存储模式的空间分辨率10～100 m。SAOCOM-1A已于2018年10月8日发射成功，SAOCOM-1B预计2020年发射。以下分析SAOCOM-1A卫星PSU技术方案的特点[11]。

1.3.1 SAOCOM-1A的T/R模块PSU方案设计

SAOCOM-1A的PSU主要指标见表5[11]。

图8给出了SAOCOM-1A的PSU功能框图，SAOCOM-1A的PSU具有如下主要特点。

(1)PSU只通过一个变换器，实现输出侧的电气隔离，变压器副边的5个低压稳压器提供所需的输出电压。

(2)V1和V2线路上存在大的滤波电容，因此每个线路上安装有泄放电路，以便快速释放这些电压。此外，电路具有保护单元，当输出发生短路时受到保护。

(3)虽然SAOCOM-1A的PSU功率较小，但PSU必须满足输出电压动态调节和稳态纹波以及最大传导发射方面的严格要求。EMI的限制主要通过PSU的输入滤波器来满足。由于采用了分布式架构，每个T/R模块有一个PSU，输入滤波器必须限制在非常紧凑的空间。考虑到存在大量的PSU，选择了一种解决方案，其中所有PSU电路和控制部分安装在厚膜混合物，将体积大的输入滤波器集中留在外面。将1540 pF的输出滤波电容集中安装在PSU的V1输出线路上。

表5 SAOCOM-1A的PSU 指标

图8 SAOCOM-1A的PSU功能框图Fig. 8 Functional Diagram of PSU for SAOCOM-1A

1.3.2 SAOCOM-1A的T/R模块PSU性能

1)静态输入/输出性能

主变换器带宽、输入和输出滤波器尺寸以体积最小化为目标进行折中设计。V1输出滤波电容3000 pF(PSU中为1540 pF)。电压控制环路的带宽设置为1 kHz。输入电流的特性见图9[11]，图9中横坐标为时间刻度为每格500 μs，纵坐标输出电压V1纹波刻度为每格0.5 mV，输入纹波刻度为每格10 mA，从波形中可以看出输入电流在PRF频率下的峰峰值为12 mA。

图9 输入电流波形Fig.9 Input and output current waveforms

2)动态性能

发射器开机时的动态波形如图10所示，开始收到TX ON命令(V1工作在半载)。然后，接收RF ON命令(V1工作在满载)。图10中，横坐标为时间刻度为每格10 ms，纵坐标输出电压V1刻度为每格0.5 V，负载电流刻度为每格1 A。从实验波形中可知，PSU输出的动态调节时间小于45 ms，V1电压瞬态范围保持在9.6～11.3 V，PRF频率下的V1纹波约为280 mVpp。

3)尺寸质量性能

PSU在额定功率输出(20.75 W)下的效率高于68.5%。SAOCOM-1A的PSU尺寸和质量见表6。

图10 TX ON和RF ON时的V1瞬态波形Fig.10 V1 dynamic waveforms under TX ON and RF ON

项目数值尺寸(长,宽,高)/mm135×85×24质量/g350

2 T/R模块电源需求特点分析

总结上述3个国外典型SAR卫星T/R模块的PSU，它们的参数对比见表7，通过对比可以得到T/R模块PSU的特点。

(1)PSU是一种多路输出电源，需要为多个负载提供功率，具体的输出要求为：①为发射器提供主功率电源；②为接收器提供主功率电源；③提供T/R模块的小功率低压电源；④提供控制逻辑电路的小功率低压电源；⑤输出需要安装可控开关；⑥需要安装TX/RX输出电容的泄放电路。

(2)PSU必须根据具体应用场合适应SAR天线配置严苛的空间布局要求，优化设计主电路滤波器和主调节器的动态性能，保证输出电能质量，提升电源单元的EMC性能、降低输出电压纹波和输入电流纹波。

T/R模块PSU输出需要具有较小的电压纹波，保证供电质量。对于大功率输出，输出纹波的范围通常为几百毫伏，对小功率输出通常为几十毫伏。同时，PRF频率处的输入电流纹波必须控制在允许范围，从而避免SAR天线工作期间对其他用电设备产生干扰。

(3)PSU需要提供保护(输入/输出过流，输入欠压，内部辅电的欠压/过压)、遥测(输入电流/输出电压、温度等)。为了提升EMI性能，通常还需要加入外部同步。

3 T/R模块电源设计要点

1)输入电压选择及电路拓扑筛选

由于SAR天线峰值功率大，T/R模块的PSU通常采用不调节母线供电。因此，输入电压范围较宽，其值是蓄电池组电压范围，从表7中可以看出3种PSU的输入范围接近，通常在38～65 V。

在电路拓扑选择上，3种SAR中T/R模块PSU均采用了分布式结构，系统中采用了多个PSU供电，提高了供电的可靠性。因此每个PSU功率比较小(单个PSU功率在200 W以下)，主要选择小功率下具有较高效率的Buck电路、推挽电路和反激电路等，如图11所示。由表7可以看出，COSMO-Skymed和Sentinel-1的T/R模块PSU均采用了两种拓扑组合，功率较大的采用了Buck电路或推挽电路，而功率较小的部分采用了反激电路。SAOCOM-1A的PSU由于整体功率比较小因而只采用了一个推挽电路。

表7 3种PSU的参数对比

图11 部分可选电路拓扑Fig. 11 Some options of circuit topology

2)滤波电容设计约束

PSU滤波电容大小主要是由功率器件开关频率、动态响应指标要求等决定。与一般电源不同，T/R模块电源为了满足输入电流纹波的要求，需要通过输出电容对脉冲负荷引起的功率波动进行平抑，减小输入功率的波动，从而避免T/R模块脉冲工作对一次母线上其他设备的干扰。例如，COSMO-Skymed的V1输出电容为7200 pF，SAOCOM-1A的V1输出电容为3000 pF。

由于T/R电源负载脉冲重复频率较高、占空比较小，通过设置T/R电源的控制环路带宽小于重复频率PRF，等效于提高了变换器的输出阻抗(如图12所示)，使脉冲功率的输出主要由电容提供，变换器的控制环路对于脉冲功率造成的输出电压波动影响很小，从而降低输入功率的波动。从表7中可以看出3种T/R电源的控制带宽均小于PRF。

图12 输出阻抗示意图

脉冲功率输出的示意如图13所示。t0～t1阶段，输出功率由输出电容提供，t1～t2阶段，变换器给输出电容充电。根据能量守恒，脉冲输出的功率等于电容能量的减少，可以得到：

(1)

式中：D为脉冲功率的占空比(0～10%)，Vo为输出电压额定值，Io为最大负载电流，fPRF为PRF频率，Co为输出电容，Δvo为允许的输出电压波动。

图13 脉冲功率输出示意图Fig.13 Pulse output waveforms

通过简化式(1)，可以得到输出电容容值的约束条件为

(2)

对于大电流输出场合，需要格外注意电容的寄生电阻(ESR)，选取低ESR的电容，通常采用多组并联形式。

3)多路输出电源交叉调整率

T/R模块PSU作为一个典型的多路输出电源，并且多路之间功率大小差异较大。接收器和发射器支路的功率较大，其他路辅助电源支路功率较小。因此，T/R模块PSU存在多路输出交叉调整率问题，同时T/R模块PSU输出电能品质要求高，需要在电路设计方案中仔细考虑。

实现多路输出可以采用单个变换器方案也可以采用多个变换器方案。如果T/R电源采用单个变换器的方案，可以通过高频变压器的多抽头实现多路输出，由于只能一路作为输出电压反馈，这样会造成其他功率小的支路电压变换范围较大。此时，非反馈路需要采用线性稳压电路或者开关稳压电路保证输出稳定。SAOCOM-1A的T/R模块电源就采用了单独的支路作闭环反馈，其余支路均采用了线性稳压电路。这样只适合于功率比较小的电路，如果功率比较大，系统的损耗将过大。

如果采用多个变换器方案，大功率的支路需要独立的电压反馈调节，其他小功率支路可以采用线性稳压电路，这样可以保证所有支路均满足稳压要求。文中介绍的COSMO-SkyMed的T/R电源，接收器和发射器均采用了一个Buck电路，其余辅助电源支路采用了反激电路供电。Sentinel-1同样采用了两个变换器，发射器采用了独立的推挽电路。接收器与其他辅助供电采用一个反激电路，反激电路中接收器输出支路采用了独立的反馈调节，其余支路采用线性稳压。

4)输出电容的泄放电路及软启动

由于输出电容的容值很大，因此需要设计泄放电路，在关机后能够将电容上的多余电量放掉，保证系统安全。Sentinel-1的接收器和发射器支路分别安装了一个泄放电路。SAOCOM-1A中接收器和发射器支路共用一个泄放电路。另外，电路在启动时，需要为大的输出电容设计软启动方案。可以通过加入电感等硬件电路，也可以通过软件方法控制占空比完成软启动，抑制启动时的电流尖峰。

4 启示

通过对国外COSMO-SkyMed、Sentinel-1、SAOCOM-1A等SAR卫星T/R模块PSU方案特点的分析总结，为我国SAR卫星T/R模块电源的研发提供了如下启示。

1)开展T/R电源功率变换拓扑效率提升研究

SAR天线T/R模块电源的体积、质量有严格的限制，PSU通常没有大面积的基板来散热，热量通常集中在有限数量的固定点处，电源的散热压力大。研究高效率的功率变换拓扑，减少功率变换损耗，能够降低热控压力，极大提高电源的功率密度。因此，我国应开展功率变换拓扑效率提升方案研究、包括新型高效率功率变换拓扑研究、新型碳化硅功率器件(SiC)、氮化镓器件(GaN)应用研究、高效率控制方案研究等，通过多种途径降低损耗并提升电源的功率密度。随着SAR卫星功率的增加，效率提升带来的体积重量优势将更加明显。

2)加强T/R电源滤波器优化设计方法研究

滤波器的设计是T/R电源PSU设计的难点，SAR天线T/R模块的电源单元需要在高功率脉冲操作期间稳定运行，并且必须满足传导发射和输出电压纹波方面的严格要求。因此，需要在有限的可用空间及其他应用需求下，进行输入和输出滤波器的优化设计。国外SAR卫星T/R电源通常采用软件控制策略与硬件电容滤波相结合的方法，实现体积和性能的折中。我国也应开展T/R电源滤波器设计方案的研究，除了探索软硬件配合的方案外，还应开展新型滤波电源拓扑研究，通过有源滤波等技术减小电容大小，进而减小体积。此外，随着SAR卫星功率的不断增加，PSU输出电流成倍增加，我国也应开展大放电电流低ESR大容量电容的研制。

3)深入开展T/R电源的可靠性研究

电源的可靠性是电源的一个重要的指标，随着SAR卫星功率的增加，SAR天线供电方案的复杂度不断增加。国外SAR卫星的T/R模块电源通常采用分布式架构提升系统的可靠性。但是，分布式架构为系统的保护提出了更大的挑战，分布式架构中任何模块的短路故障均有可能造成整个系统的崩溃。因此，PSU电源需要能够快速隔离故障模块，使故障影响范围最小化，以避免天线模块之间的故障扩散。在分布式电源系统保护方面国内外的研究均比较少，我国需要深入开展电源可靠性研究，探索相应的保护方法，对今后我国研制大功率SAR卫星意义重大。

5 结束语

SAR卫星的T/R模块电源的设计约束条件多、设计难度大，本文对国外具有代表性的COSMO-SkyMed、Sentinel-1和SAOCOM-1A等SAR卫星中的T/R模块PSU分别进行了详细介绍，对比了PSU的主要技术指标、电路拓扑、主要功能、动静态响应、EMI性能、体积重量等关键参数，分析提炼出了T/R模块PSU关键参数的设计思路与要点，包括了输入电压选择、电路拓扑筛选、滤波电容设计、交叉调整率等方面，可为后续其他SAR卫星T/R模块PSU的设计提供参考。结合我国T/R模块PSU的研究现状，提出了我国SAR卫星T/R模块电源技术需要在以下3个方面进行强化，包括开展功率变换拓扑效率提升研究、加强滤波器优化设计方法研究、并深入开展T/R电源的可靠性研究。通过对以上方面的分析与思考为我国SAR卫星T/R模块电源的发展提供了建议。