C波段固態(tài)功率放大器的分析與討論

張炳辰

摘要：C波段固態(tài)功率放大器的優(yōu)點(diǎn)有：長壽命、低工作電壓、故障軟化等等?；诖?，越來越多的真空管被固態(tài)管取代。因?yàn)镃波段全固態(tài)發(fā)射機(jī)的發(fā)展一直受到單管功率不足和居高不下的成本影響，所以相對(duì)于其他波段的固態(tài)功率放大器而言技術(shù)并不成熟。文章研究的C波段全固態(tài)放大器是全固態(tài)發(fā)射機(jī)的基礎(chǔ)。文章將匹配電路用阻抗法的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行討論。然后，將闡述C波段固態(tài)放大器的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)方法。電視廣播技術(shù)所應(yīng)用到的偏置電路和脈沖調(diào)制電源以及控制保護(hù)電路等等是文章闡述和說明的內(nèi)容，通過介紹上述電路，簡(jiǎn)單的了解和分析C波段固態(tài)功率放大器的基本特征與性質(zhì)。

關(guān)鍵詞：C波段；固態(tài)功率放大器；控制保護(hù)電路

引言

C波段固態(tài)功率放大器與微波功率器件的發(fā)展一直密切相關(guān)，新的微波功率器件的更新?lián)Q代不斷地帶動(dòng)雷達(dá)發(fā)射機(jī)技術(shù)逐漸成熟。全固態(tài)發(fā)射機(jī)常用的微波功率晶體管主要包括兩個(gè)方面：一類為硅微波雙極晶體管，工作頻率為S波段到短波波段，單管百瓦級(jí)功率，窄脈沖器件可達(dá)千瓦級(jí)。另一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）。

1 功率放大器的工作類型與電路形式

雷達(dá)在第二次世界大戰(zhàn)之前就已經(jīng)出現(xiàn)了，雷達(dá)發(fā)射機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)的射頻發(fā)射信號(hào)維持雷達(dá)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。通過低頻交流信號(hào)和射頻信號(hào)的不斷轉(zhuǎn)換，雷達(dá)射頻信號(hào)經(jīng)饋線系統(tǒng)傳輸?shù)捷敵龆耍蠢走_(dá)天線部分），并在外接空間內(nèi)繼續(xù)傳播，從而達(dá)到空間掃描的目的。現(xiàn)代通訊雷達(dá)通過制定標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議，即可在空間中實(shí)現(xiàn)信息交換。雷達(dá)分自激振蕩和主振放大兩種不同的射頻信號(hào)發(fā)射方式。同時(shí)有電真空器件發(fā)射機(jī)和全固態(tài)發(fā)射機(jī)兩種產(chǎn)生大功率射頻能量的器件。

眾所周知，放大器的主要性能決定放大器的工作類型。放大器的工作點(diǎn)選擇尤為重要，處在不同位置的工作點(diǎn)會(huì)決定放大器不同的工作狀態(tài)。分別為A、B、C三類。

A類：C波段固態(tài)功率放大器的工作特點(diǎn)是信號(hào)的導(dǎo)通貫徹整個(gè)周期始終，輸出和輸入信號(hào)保持線性關(guān)系[1]。A類工作狀態(tài)在零輸入響應(yīng)時(shí)，功耗仍然存在。故而A類工作狀態(tài)下的功率放大器效率偏低，正常實(shí)際工作時(shí)在30%以下。

B類：C波段固態(tài)功率放大器的工作特點(diǎn)是信號(hào)并非全周期導(dǎo)通，而是半周期導(dǎo)通，理論效率可達(dá)70%[2]。并且可以通過配置推挽電路進(jìn)一步提高輸出功率。但是在B極和E極間輸入信號(hào)微弱時(shí)，C極電流為0。為避免此種情況，一般采用在BJT正向加載一偏置電壓的方法，使其處在A或B工作狀態(tài)下。采取推挽電路后，放大器即可以工作在相對(duì)較大的線性范圍。

C類：C波段固態(tài)功率放大器的工作特點(diǎn)是功率增益低，同時(shí)信號(hào)只在小于半個(gè)周期的范圍內(nèi)導(dǎo)通。同時(shí)，在零輸入響應(yīng)狀態(tài)時(shí)，放大器并不處在導(dǎo)通狀態(tài)。因此，C類功率放大器的效率最高。C類功率放大器具有控制大輸出的良好特性。所以，C類工作狀態(tài)最為常見。

而通過電路實(shí)現(xiàn)C波段功率放大器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)通常需要兩種相匹配的電路：一種是平衡式電路，另一種是非平衡式電路。采用共發(fā)射極或者共基極方式連接的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。共發(fā)射極接法通常用于驅(qū)動(dòng)小功率元件。共基極則用于驅(qū)動(dòng)大功率元件。調(diào)試方便，但是電路復(fù)雜一直是平衡式電路的獨(dú)有特點(diǎn)，通過很低的輸入輸出電壓的駐波比例，使得其能很容易的進(jìn)行各級(jí)運(yùn)放的級(jí)聯(lián)。

2 C波段固態(tài)功率放大器的技術(shù)指標(biāo)

C波段功率放大器采用完整鋁合金材料加工制作，有上下層之分：上層進(jìn)行電源調(diào)制和低頻電路的控制，下層腔體容納射頻放大電路。腔體結(jié)構(gòu)有效的隔離了兩種不同類型的電路，從而大大減小了電路間的相互干擾。同時(shí)還有多個(gè)小空格，格子內(nèi)部設(shè)計(jì)獨(dú)立蓋板屏蔽。甚至通過增加螺絲的數(shù)目來盡可能的縮小個(gè)螺絲間的距離，達(dá)到減小對(duì)外界的輻射和減小電磁泄漏的效果。正確的設(shè)計(jì)了最短的放大電路供電線路，有效的將引線對(duì)脈沖供電的影響降到了最低。

3 C波段30W功率放大器的實(shí)際測(cè)試結(jié)果

C波段30W放大器末級(jí)GaAs FET的額定峰值輸出功率為35W，在9dB帶內(nèi)增益的條件下進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試條件：輸入峰值功率 P=5mW。脈沖寬度г=300uS。占空比D=30%。Vds=+10V

4 放大器的自激振蕩與腔體效應(yīng)的抑制

4.1 改造腔體物理結(jié)構(gòu)。通過設(shè)計(jì)小于放大器工作頻率半波長的腔體寬度是保證C波段功率放大器不產(chǎn)生自激效應(yīng)的必要條件；同時(shí)合理放置吸收材料于間隙和直角轉(zhuǎn)折處，能夠有效避免微波諧振的產(chǎn)生。通過合理的電路設(shè)計(jì)，優(yōu)化阻抗調(diào)配，可以使得諧振點(diǎn)遠(yuǎn)離工作區(qū)間，避免這些諧振點(diǎn)落入較高增益的通帶之中，同樣能起到防止放大器自激效應(yīng)出現(xiàn)的目的。

4.2 多腔體復(fù)合式結(jié)構(gòu)。對(duì)于工作在飽和區(qū)的非線性區(qū)的C波段功率放大器來說，腔體內(nèi)產(chǎn)生反饋的原因多是由于增益或頻率較高所致，進(jìn)而引發(fā)自激效應(yīng)。通過分隔腔體，在不同的腔體內(nèi)放置不同的放大電路和不同功能的模塊，通過金屬靜電屏蔽的作用，大大的降低了獨(dú)腔結(jié)構(gòu)高增益而引發(fā)的自激效應(yīng)。

4.3 合理設(shè)置功率放大器的工作點(diǎn)。通過調(diào)節(jié)漏極電壓和功率管的柵極，達(dá)到讓功率器件工作在最佳狀態(tài)的目的，從源頭上避免放大器本身的自激效應(yīng)。

4.4 合理設(shè)置去耦電路。通過優(yōu)化去耦電路的設(shè)計(jì)，影響主通道上放大器正常工作的直流回路微波影響被有效避免了。進(jìn)而減小微波能量對(duì)于主通道正反饋的干擾，同樣可以達(dá)到避免功率放大器自激效應(yīng)出現(xiàn)的目的。

4.5 改善匹配。通過保障功率放大器輸入輸出和級(jí)間駐波的正常狀態(tài)，避免了反射微波的出現(xiàn)。常用的手段是調(diào)配和加入級(jí)間隔離器。

5 結(jié)束語

C波段固態(tài)放大器的未來發(fā)展方向主要為：追求更高的放大功率、更寬的頻帶和更小的體積。其中前者通過研制單管功率量級(jí)和合成效率更高的功率器件、更大功率分配＼合成器來實(shí)現(xiàn)，相信不久的獎(jiǎng)勵(lì)就會(huì)有更高功率量級(jí)的管子投入市場(chǎng)，之后必然與高效的高功率合成器結(jié)合，從而帶來大幅度提升固態(tài)放大器功率量級(jí)的目的。后者是當(dāng)今業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)。小型化是固態(tài)放大器的趨勢(shì)。這是一門綜合技術(shù)，涉及學(xué)科較多，難度較大，有待于進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

[1]齊浩.C波段固態(tài)大功率放大器的理論研究與設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2010，（10）；187-188.

[2]張東凱.S波段大功率放大器及波導(dǎo)功率[J].電力安全技術(shù)，2012，（01）；17-18.