大功率固態(tài)高功放功率合成失效分析

杜海旺，肖 劍，馬亮亮

（中國衛(wèi)星海上測控部 江蘇 江陰 214431）

隨著微波毫米波技術(shù)在通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、遙感等眾多領(lǐng)域中不斷被廣泛應(yīng)用，對相應(yīng)固態(tài)功率器件的需求也變得越來越迫切。然而，由于單個固態(tài)功放器件輸出功率有限，很難滿足系統(tǒng)要求，為此功率合成技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[1-2]。文中對某型大功率固態(tài)高功放功率合成器的合成效率進(jìn)行了計算推導(dǎo)，對一路或者幾路功率合成器輸入失效時的合成效率進(jìn)行了分析，并在某型大功率固態(tài)高功放功率合成器中進(jìn)行了驗證。

1 固態(tài)高功放功率合成原理簡介

某型S頻段連續(xù)波固態(tài)高功放，是由1個15 W前級功放和4個輸出功率為500 W的子功放級聯(lián)而成，其中500 W子功放又是由1個前級功放和6個輸出功率為100 W的功放級聯(lián)而成。小功率信號經(jīng)過15 W前級功放后，被功分插箱分成4路分別送給4個500 W子功放插箱，信號經(jīng)4個500 W子功放插箱放大后，最后經(jīng)功率合成器合成輸出，最大輸出功率為 1 500 W[3]。

2 功率合成效率影響因素分析

2． 1 功率合成器效率模型化推導(dǎo)

某型S頻段連續(xù)波固態(tài)高功放功率合成器為5端口器件，其中四輸入端口分別與子功放1、子功放2、子功放3、子功放4連接，剩余一端口為輸出端口輸送信號至天線。根據(jù)散射參數(shù)理論，可簡化為圖2所示的功率合成器網(wǎng)絡(luò)散射參數(shù)示意圖。

圖2中每個端口的a和b分別表示相對于功率合成器的輸入和輸出的復(fù)數(shù)功率波。在特定頻率下，根據(jù)散射參數(shù)理論，合成網(wǎng)絡(luò)特性完全由一個5階散射矩陣決定：

設(shè) 輸 入 信 號 分 別 為 a0、a1、a2、a3、a4。 根 據(jù) 散 射 參 數(shù) 理論，則：

定義輸出功率與輸入功率的比值為功率合成效率，即：

由以上結(jié)果可以得出如下結(jié)論：

1）功率合成器的效率取決于輸入信號的幅度和相位，同時也取決于合成器的散射矩陣各元素的幅度和相位；

2）輸入信號相位相等并不一定能使合成效率達(dá)到最大值，而是要綜合考慮其他各方面因素，包括合成器參數(shù)。

2． 2 子功放失效功率合成器效率分析

假設(shè)大功率合成器與連接的各器件均為匹配，即它們沒有形成反射功率輸入到合成器中，即該大功率合成器為理想無耗網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)滿足酉條件，故有：

圖1 固態(tài)功放原理框圖Fig.1 Schematic diagram of the solid state power amplifier

圖2 功率合成器網(wǎng)絡(luò)散射參數(shù)示意圖Fig.2 Scatter parameter diagram of power synthesizer

故有：

可得：

即有：

若工作中子功放有所損壞，從而使輸出功率下降，合成效率下降。假設(shè)，4個子功放輸出場強(qiáng)為等幅相加，這樣大功率合成器總輸出場強(qiáng)為2E，輸出信號的功率為P=4E2。當(dāng)4路中有n路子功放損壞時，大功率合成器輸出信號場強(qiáng)為（4-n）E/2，輸出信號的功率為 P′=（4-n）2E2/4，則大功率合成器的合成效率為 η=（4-n）2/16，增益[4-5]為 W=10lg（P′/P）=20lg（1-）dB。

2． 3 試驗驗證

以某型S頻段大功率固態(tài)功放功率合成器為試驗對象對失效模式進(jìn)行試驗，圖3為大功率功率合成器實物圖。

圖3 功率合成器實物圖Fig.3 Diagram of the power synthesizer

在試驗中通過將其中的一路或幾路子功放斷電來模擬失效模式。圖4是該功率放大模塊關(guān)閉一路或多路獲得輸出功率的曲線。可以看出正常工作狀態(tài)下四路子功放總功率為500 W時，實際輸出功率為450 W；當(dāng)一路子功放關(guān)閉時，功率變?yōu)?21.9 W，約為原來的1/2；當(dāng)兩路子功放關(guān)閉時，功率變?yōu)?13.75 W，約為原來的1/4；當(dāng)三路子功放關(guān)閉時，功率變?yōu)?8.75 W，約為原來的1/16符合前面的推導(dǎo)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果分析

文中對大功率固態(tài)功放中單路或多路失效時，功率合成器的合成效率進(jìn)行了理論分析并對四路合成的固態(tài)功放進(jìn)行了驗證試驗，得出了多路失效狀態(tài)下的功率曲線。

根據(jù)圖4曲線，我們可以分析出功率模塊損壞的比例和功率下降比例的關(guān)系，表1具體列出了該比例關(guān)系[6]。

表1 器件損壞比例與輸出功率的對應(yīng)關(guān)系Tab.1 Corresponding relationship of device damage ratio and the output power

4 結(jié) 論

根據(jù)上面的對應(yīng)關(guān)系，可以將這一功率變化規(guī)律用于工程應(yīng)用當(dāng)中。在以2N路合成的固態(tài)功率放大器中，如果其中若干路子功放故障失效，可以關(guān)閉其中的失效路，正常工作的剩余路繼續(xù)工作，計算合成效率估算高功放的實際輸出功率。

[1]DeLisio M P，Robert A Y.Quasi-optical and spatial power combining[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2002，50（3）：929-935.

[2]Dirk I L，Pieter W，Petrie M.Design of a ten-way conical transmission linepower combiner[J].IEEETrans Microw Theory Tech，2007，55（2）：302-309.

[3]RFPA.RF20252120-1500 S-Band Solid State Power Amplifier[C]//2007：35-48.

[4]蔡昱，成海峰.N路功率合成的失效分析[J].電子與封裝，2011，11（3）：33-35.CAI Yu，CHENG Hai-feng.Failures in N-way power combining[J].Electronics&Pckaging，2011，11（3）：33-35.

[5]馮慶玉，夏景林，杜汪洋.固態(tài)高功放在FY-2E氣象衛(wèi)星中的應(yīng)用研究[J].電子產(chǎn)品世界，2010（6）：31-33.FENG Qing-yu，XIA Jing-lin，DU Wang-yang.Study on SSPA application in the FY-2E meteorological satellite system[J].Electronic Engineering and Product World，2010（6）：31-33.

[6]馮慶玉，黃國慶，夏景林.一種S波段固態(tài)高功放的設(shè)計及故障分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（5）：100-105.FENG Qin-yu，HUANG Guo-qing，XIA Jing-lin.An S-band solid state high power amplifier design and fault analysis[J].Modern Electronic Technique，2011，34（5）：100-105.