C波段固态功率放大器的分析与讨论

张炳辰

摘要：C波段固态功率放大器的优点有：长寿命、低工作电压、故障软化等等。基于此，越来越多的真空管被固态管取代。因为C波段全固态发射机的发展一直受到单管功率不足和居高不下的成本影响，所以相对于其他波段的固态功率放大器而言技术并不成熟。文章研究的C波段全固态放大器是全固态发射机的基础。文章将匹配电路用阻抗法的设计思想进行讨论。然后，将阐述C波段固态放大器的设计和实验方法。电视广播技术所应用到的偏置电路和脉冲调制电源以及控制保护电路等等是文章阐述和说明的内容，通过介绍上述电路，简单的了解和分析C波段固态功率放大器的基本特征与性质。

关键词：C波段；固态功率放大器；控制保护电路

引言

C波段固态功率放大器与微波功率器件的发展一直密切相关，新的微波功率器件的更新换代不断地带动雷达发射机技术逐渐成熟。全固态发射机常用的微波功率晶体管主要包括两个方面：一类为硅微波双极晶体管，工作频率为S波段到短波波段，单管百瓦级功率，窄脉冲器件可达千瓦级。另一种场效应晶体管（FET）。

1 功率放大器的工作类型与电路形式

雷达在第二次世界大战之前就已经出现了，雷达发射机用标准的射频发射信号维持雷达系统的正常运转。通过低频交流信号和射频信号的不断转换，雷达射频信号经馈线系统传输到输出端（即雷达天线部分），并在外接空间内继续传播，从而达到空间扫描的目的。现代通讯雷达通过制定标准的通讯协议，即可在空间中实现信息交换。雷达分自激振荡和主振放大两种不同的射频信号发射方式。同时有电真空器件发射机和全固态发射机两种产生大功率射频能量的器件。

众所周知，放大器的主要性能决定放大器的工作类型。放大器的工作点选择尤为重要，处在不同位置的工作点会决定放大器不同的工作状态。分别为A、B、C三类。

A类：C波段固态功率放大器的工作特点是信号的导通贯彻整个周期始终，输出和输入信号保持线性关系[1]。A类工作状态在零输入响应时，功耗仍然存在。故而A类工作状态下的功率放大器效率偏低，正常实际工作时在30%以下。

B类：C波段固态功率放大器的工作特点是信号并非全周期导通，而是半周期导通，理论效率可达70%[2]。并且可以通过配置推挽电路进一步提高输出功率。但是在B极和E极间输入信号微弱时，C极电流为0。为避免此种情况，一般采用在BJT正向加载一偏置电压的方法，使其处在A或B工作状态下。采取推挽电路后，放大器即可以工作在相对较大的线性范围。

C类：C波段固态功率放大器的工作特点是功率增益低，同时信号只在小于半个周期的范围内导通。同时，在零输入响应状态时，放大器并不处在导通状态。因此，C类功率放大器的效率最高。C类功率放大器具有控制大输出的良好特性。所以，C类工作状态最为常见。

而通过电路实现C波段功率放大器的正常运转通常需要两种相匹配的电路：一种是平衡式电路，另一种是非平衡式电路。采用共发射极或者共基极方式连接的结构比较简单。共发射极接法通常用于驱动小功率元件。共基极则用于驱动大功率元件。调试方便，但是电路复杂一直是平衡式电路的独有特点，通过很低的输入输出电压的驻波比例，使得其能很容易的进行各级运放的级联。

2 C波段固态功率放大器的技术指标

C波段功率放大器采用完整铝合金材料加工制作，有上下层之分：上层进行电源调制和低频电路的控制，下层腔体容纳射频放大电路。腔体结构有效的隔离了两种不同类型的电路，从而大大减小了电路间的相互干扰。同时还有多个小空格，格子内部设计独立盖板屏蔽。甚至通过增加螺丝的数目来尽可能的缩小个螺丝间的距离，达到减小对外界的辐射和减小电磁泄漏的效果。正确的设计了最短的放大电路供电线路，有效的将引线对脉冲供电的影响降到了最低。

3 C波段30W功率放大器的实际测试结果

C波段30W放大器末级GaAs FET的额定峰值输出功率为35W，在9dB带内增益的条件下进行测试。

测试条件：输入峰值功率 P=5mW。脉冲宽度г=300uS。占空比D=30%。Vds=+10V

4 放大器的自激振荡与腔体效应的抑制

4.1 改造腔体物理结构。通过设计小于放大器工作频率半波长的腔体宽度是保证C波段功率放大器不产生自激效应的必要条件；同时合理放置吸收材料于间隙和直角转折处，能够有效避免微波谐振的产生。通过合理的电路设计，优化阻抗调配，可以使得谐振点远离工作区间，避免这些谐振点落入较高增益的通带之中，同样能起到防止放大器自激效应出现的目的。

4.2 多腔体复合式结构。对于工作在饱和区的非线性区的C波段功率放大器来说，腔体内产生反馈的原因多是由于增益或频率较高所致，进而引发自激效应。通过分隔腔体，在不同的腔体内放置不同的放大电路和不同功能的模块，通过金属静电屏蔽的作用，大大的降低了独腔结构高增益而引发的自激效应。

4.3 合理设置功率放大器的工作点。通过调节漏极电压和功率管的栅极，达到让功率器件工作在最佳状态的目的，从源头上避免放大器本身的自激效应。

4.4 合理设置去耦电路。通过优化去耦电路的设计，影响主通道上放大器正常工作的直流回路微波影响被有效避免了。进而减小微波能量对于主通道正反馈的干扰，同样可以达到避免功率放大器自激效应出现的目的。

4.5 改善匹配。通过保障功率放大器输入输出和级间驻波的正常状态，避免了反射微波的出现。常用的手段是调配和加入级间隔离器。

5 结束语

C波段固态放大器的未来发展方向主要为：追求更高的放大功率、更宽的频带和更小的体积。其中前者通过研制单管功率量级和合成效率更高的功率器件、更大功率分配＼合成器来实现，相信不久的奖励就会有更高功率量级的管子投入市场，之后必然与高效的高功率合成器结合，从而带来大幅度提升固态放大器功率量级的目的。后者是当今业内研究的热点。小型化是固态放大器的趋势。这是一门综合技术，涉及学科较多，难度较大，有待于进一步研究。

参考文献

[1]齐浩.C波段固态大功率放大器的理论研究与设计[J].科技创新与应用，2010，（10）；187-188.

[2]张东凯.S波段大功率放大器及波导功率[J].电力安全技术，2012，（01）；17-18.