C波段固態功率放大器的分析與討論

張炳辰

摘要：C波段固態功率放大器的優點有：長壽命、低工作電壓、故障軟化等等。基于此，越來越多的真空管被固態管取代。因為C波段全固態發射機的發展一直受到單管功率不足和居高不下的成本影響，所以相對于其他波段的固態功率放大器而言技術并不成熟。文章研究的C波段全固態放大器是全固態發射機的基礎。文章將匹配電路用阻抗法的設計思想進行討論。然后，將闡述C波段固態放大器的設計和實驗方法。電視廣播技術所應用到的偏置電路和脈沖調制電源以及控制保護電路等等是文章闡述和說明的內容，通過介紹上述電路，簡單的了解和分析C波段固態功率放大器的基本特征與性質。

關鍵詞：C波段；固態功率放大器；控制保護電路

引言

C波段固態功率放大器與微波功率器件的發展一直密切相關，新的微波功率器件的更新換代不斷地帶動雷達發射機技術逐漸成熟。全固態發射機常用的微波功率晶體管主要包括兩個方面：一類為硅微波雙極晶體管，工作頻率為S波段到短波波段，單管百瓦級功率，窄脈沖器件可達千瓦級。另一種場效應晶體管（FET）。

1 功率放大器的工作類型與電路形式

雷達在第二次世界大戰之前就已經出現了，雷達發射機用標準的射頻發射信號維持雷達系統的正常運轉。通過低頻交流信號和射頻信號的不斷轉換，雷達射頻信號經饋線系統傳輸到輸出端（即雷達天線部分），并在外接空間內繼續傳播，從而達到空間掃描的目的。現代通訊雷達通過制定標準的通訊協議，即可在空間中實現信息交換。雷達分自激振蕩和主振放大兩種不同的射頻信號發射方式。同時有電真空器件發射機和全固態發射機兩種產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。放大器的工作點選擇尤為重要，處在不同位置的工作點會決定放大器不同的工作狀態。分別為A、B、C三類。

A類：C波段固態功率放大器的工作特點是信號的導通貫徹整個周期始終，輸出和輸入信號保持線性關系[1]。A類工作狀態在零輸入響應時，功耗仍然存在。故而A類工作狀態下的功率放大器效率偏低，正常實際工作時在30%以下。

B類：C波段固態功率放大器的工作特點是信號并非全周期導通，而是半周期導通，理論效率可達70%[2]。并且可以通過配置推挽電路進一步提高輸出功率。但是在B極和E極間輸入信號微弱時，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工作狀態下。采取推挽電路后，放大器即可以工作在相對較大的線性范圍。

C類：C波段固態功率放大器的工作特點是功率增益低，同時信號只在小于半個周期的范圍內導通。同時，在零輸入響應狀態時，放大器并不處在導通狀態。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類工作狀態最為常見。

而通過電路實現C波段功率放大器的正常運轉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。采用共發射極或者共基極方式連接的結構比較簡單。共發射極接法通常用于驅動小功率元件。共基極則用于驅動大功率元件。調試方便，但是電路復雜一直是平衡式電路的獨有特點，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行各級運放的級聯。

2 C波段固態功率放大器的技術指標

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：上層進行電源調制和低頻電路的控制，下層腔體容納射頻放大電路。腔體結構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。同時還有多個小空格，格子內部設計獨立蓋板屏蔽。甚至通過增加螺絲的數目來盡可能的縮小個螺絲間的距離，達到減小對外界的輻射和減小電磁泄漏的效果。正確的設計了最短的放大電路供電線路，有效的將引線對脈沖供電的影響降到了最低。

3 C波段30W功率放大器的實際測試結果

C波段30W放大器末級GaAs FET的額定峰值輸出功率為35W，在9dB帶內增益的條件下進行測試。

測試條件：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的抑制

4.1 改造腔體物理結構。通過設計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生自激效應的必要條件；同時合理放置吸收材料于間隙和直角轉折處，能夠有效避免微波諧振的產生。通過合理的電路設計，優化阻抗調配，可以使得諧振點遠離工作區間，避免這些諧振點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出現的目的。

4.2 多腔體復合式結構。對于工作在飽和區的非線性區的C波段功率放大器來說，腔體內產生反饋的原因多是由于增益或頻率較高所致，進而引發自激效應。通過分隔腔體，在不同的腔體內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，大大的降低了獨腔結構高增益而引發的自激效應。

4.3 合理設置功率放大器的工作點。通過調節漏極電壓和功率管的柵極，達到讓功率器件工作在最佳狀態的目的，從源頭上避免放大器本身的自激效應。

4.4 合理設置去耦電路。通過優化去耦電路的設計，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。進而減小微波能量對于主通道正反饋的干擾，同樣可以達到避免功率放大器自激效應出現的目的。

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

5 結束語

C波段固態放大器的未來發展方向主要為：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和合成效率更高的功率器件、更大功率分配＼合成器來實現，相信不久的獎勵就會有更高功率量級的管子投入市場，之后必然與高效的高功率合成器結合，從而帶來大幅度提升固態放大器功率量級的目的。后者是當今業內研究的熱點。小型化是固態放大器的趨勢。這是一門綜合技術，涉及學科較多，難度較大，有待于進一步研究。

參考文獻

[1]齊浩.C波段固態大功率放大器的理論研究與設計[J].科技創新與應用，2010，（10）；187-188.

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