探析高功率放大器的适用环境与安全性

陈刚

（中华通信系统有限责任公司河北分公司 河北石家庄 050000）

宽带扩大器的设计者必须适应各种条件下不同的设计要求，所以如果想要扩大放大器设备在不同环境和不同领域的应用范围，就一定要将设计的考量范围扩大，运用线性设计的方法，从而保证放大器在处理谐波频谱的过程当中实现全反射。除此之外，还应当考察不同的应用领域，如雷达、发射机等应用领域而言，扩大器还需要可以接受输入输出端很大的失配电流，这往往是因为接入了放大器的天线系统，并且终端可以负载的大小也有不同的情况，还可能由于装置对象本身具有不同的反射性能，而导致扩大器的接受情况有所不同。如果在以上的这些领域当中引入放大器，则扩大器的强健性至关重要，要保证其在使用过程当中处于稳定状态不易损坏。因为放大器损坏所造成的无法检测结果会造成工程瘫痪，这将意味着整个工程的时间成本将增加，从而导致施工延误的情况发生，使得整个工程的成本提高，影响工程最终的经济效益。因此从经济的视角来看，这会导致前期的成本及后期的维护运用成本有所提高。因此，放大器设备的安全性和易维护性是实现上述总体施工效益的重中之重。除此之外，还应当认识到，如果想要有效地减少大功率放大器的施工费用和日后维护的费用，就必须尽量增加功率效率。本文将就此展开详尽论述，认为在为某一种特殊用途寻找放大器的时候，最关键的条件是能够在特定的客观环境当中使得标准规定的设计参数都能够适应环境的要求，从而让不同功率的放大器或变压器参数时使用方法不相同的放大器物尽其用［1］。

1 高功率宽带放大器设计的问题与挑战

产品设计高输出功率的宽频放大时，工程人员必须考虑宽度、增益、输入输出电量及其在不同频率和不同的相位状态之时可能会出现失配的情况，这就导致其行为特征出现异质，因此线性程度有所不同，谐波特征也有所不同，还应当考虑其中功率、效率等部分的影响情况，从而能够得到一个比较合理和规范的技术标准。在工程当中，众多技术指标往往都是相互联系的，如果给出了一个特定的晶体管，则该种类确定之后，设计的宽度也要随之变化，信号电路获取的输出功率最小值和最大值也随之发生了变化，这样输出功率也有所不同。同样，功放管的寿命也非常取决于放大电路的散热能力设计，以及在功放管外围的保护电路。

针对A类增强器，结晶管往往偏位于某个很大的静态电压上，这样一来就能够获得一种极为线性的增强特征，但同时也要承担很差的功耗效果，从而对结晶管产生了较大的散热方面的要求［2］。

一旦使用Gan晶体管，结温的降低将对寿命有更大的好处。由于目前的热功率放电管技术可以产生更大的热射频功率密度，并获得更紧凑、更小规模的热放大电路，因此，设计问题就变成了如何设计更合理的散热结构，以克服功率放电管散热产生的巨大热量。对于A类放大器，这通常很难实现，因此需要更多的晶体管设计，并降低每个晶体管的最大功率输出，以克服散热容量的计算问题。然而，在没有射频技术输入的情况下，A型放大器通常仍能产生良好的结温。主要原因是形成了较大的静态偏置电流。因此，一旦空气散热能力的设计处理不当，应用寿命将大大缩短。

对于特定的应用领域，实现最高功率输出并不总是需要宽带放大，通过EMS测试。例如，在200V/s的EMS系统中，通过向EMS天线系统增加频率放大而产生的电能的校正曲线。人们可能会看到，一定的场强必须通过不同的电力生产来实现。在100MHz时，所需的最大正向输出功率可能在1050W以内，但在200MHz及以上时，所需的最大正向输出功率降低到600W以下，一些高频点甚至可以降低到400W以下。然而，在这些特定的EMS领域，AB类放大器比A类放大器具有更好的效率，因此，晶体管可以在较低的结温下形成更长的使用寿命。

不要选择高输出功率宽带放大器，因为超高驻波比会给晶体管内部带来很大压力。此外，由于反馈射频传导，输出功率将在反向放大电路中消失，从而提高晶体管的结温。为了避免超高驻波比对反向放大的影响，有必要设计合理的低输出功耗结构电路，这可以通过使用高散热系统和合理的布局方法来实现，主要是通过在相应的热点布置热传感器和其他设备，或者通过监测晶体管相应的电压和电流变化。此外，功率放大器设计师和产品设计师还必须确定如何增加零五导体公司适当数量的无线电功率单元，以确保放大电路在极低驻波比的情况下是否仍能提供适当的正向输出功率，或者放大电路是否能在特定驻波比的条件下后退，更多的半导体无线电功率单元意味着更昂贵的放大电路需要更高的市场价格。

2 高功率放大器适用环境的相关要求

2.1 环境适应性要求

适宜的环境保护工程项目是指与工程设计、试验和制造有关的各种活动，能够满足人们系统地适应自然环境的定性和定量需求。环保适用工程设计内容：环保适用工程设计、环保适用试验等，分阶段实施。通过该产品的实验计划，可以确定该产品的研发阶段。产品设计的研究阶段一般是讨论阶段、产品设计方案论证、过程讨论阶段（包括设计定稿阶段）、生产阶段［3］。

2.2 确定各阶段工作项目

环境适应性工作项目的适配，必须根据标准对环境装备开发的实际需求、开发合同内容及标准相关文件中环境适应性工作项目内容的规定而进行适当剪裁，或去除标准对产品中不适宜和不必要内容的规定，或调整标准有关条文规定或增补在标准中没有提及的各项规定。

2.3 环境适应性工作项目评估

设计师系统地协助科研计划主管部门所编制的环境工程工作计划，要与可行性、维护性、保障性、安全等各种环境管理工作目标协调性统一，减少不必要的环境管理的复杂性。同时，科研规划部门还必须将环境工程的具体工作计划纳入科研生产主计划，通过科研生产主计划网络图实施具体计划管理，环境工程工作计划部门通常需要包括以下内容：（1）协议及相关文件中规定的环境适应性条件；（2）各环境工程项目负责部门及人员；（3）建设项目内容和主要特点、各类环境工程的建设范围、时间条件和竣工形式，以及项目竣工结果的检查和评价方法；（4）环境工程中与工程设计和可靠性的接口合作；（5）环境工程工作的评估要求；（6）环境工程工作所需的科学技术资料等。

2.4 制定环境适应性设计准则

制定环保适应性设计规范要求，指导设计人员进行环保设计。（1）根据相关标准、手册和施工经验，制定专门的环境适应性设计规范，供设计人员使用；由于各种环境要求对产品设计质量的影响和机理不同，有必要针对不同的环境条件给出具体的环境保护和适当的设计标准。（2）环境适应性设计规范应是工程设计评价的基础。待确定的事项包括产品的环保适应性设计条件，主要涉及环保特性和材料应力强度要求（量值和影响时限），以及对环保适应性产品设计条件的限制性要求［4］。

2.5 环境适应性设计

设计师组织设计者系统实施环境条件适宜工程设计，使所设计的产品能够达到所规范的环保环境适应性要求。在设计中应当严格遵循环境条件适宜准则，根据相关环境条件和合适的设计手册，选择合适的环境工程设计技术和方法，使产品达到标准的环境适应水平，应考虑适合工程设计的环境条件要点：（1）完善适合设计和施工工艺的环境条件；（2）合理地设计剩余量（耐环境条件的剩余量）；（3）避免瞬态过残余应力影响的预防措施；（4）采用耐环境性强的零部件、电子器件和建筑材料；（5）采取保护措施改善环境或减少影响，如投资冻结措施、降噪措施等；（6）保护涂层（如工业涂层）设计或应用于产品。

在工程设计中，应当根据专门的环境保护适宜工程设计标准，进行环境保护适宜工程设计。自然环境适宜产品设计工作，应当同工业自然环境适宜研究试验、工程应用环境试验、农业自然环境测试和其他工程设计研究试验紧密结合，运用这些试验的有关信息，对当前所存在的工业自然环境适宜脆弱环节，进行了合理设计措施和加以完善。同时，还应贯彻自然环境适宜的评估准则，利用自然环境研究试验和使用农业自然环境试验的成果，对高功率反相放大器进行自然环境适宜评估，并满足工程设计要求。

3 高功率放大器的安全性相关要求

多功率放大器是大功率多电压信号设备，安全既影响着人员、机器设备的安全性和系统效率，又控制着作战目标的完成度，为了保证系统的正常操作使用，需要保障人员、机器设备的健康安全性［5］。

3.1 高功率放大器的安全一般要求

（1）根据系统设备的特点，及时采取经济合理的方式实施安全设计，满足系统和全站的安全要求，提高其应用效率。

（2）通过系统可靠性分析方法，判断系统设备可能存在的风险，并从设计方案中去除风险。如果确定的风险无法降低，则通过设计措施将风险降至最低。

（3）在方案设计中，系统各设备部分应合理配置，设计人员应尽量避免在使用、维护、维护等工作过程中可能出现的隐患。

（4）在系统站的工程设计中，应充分考虑在使用和维护过程中可能对人因失误造成的危害，并在工程设计中采用防错设计，以尽量减少对人因失误可能造成的危害，并采取相应的对策。

（5）设计由软件管理或监控的功能，以尽量减少危险事件或故障的发生。

（6）面对可能的一级和二级危险或A、B级危险风险，报告、预防措施或任何类型的提示不应被视为降低风险的唯一主要措施，但在系统工程设计中，应采取其他适当的方法和预防措施，以避免发生I类和II类危险或A、B类可能性级别的危险。

3.2 高功率放大器的安全危害评估与处理

为了降低危害，应当首先明确危害的程度和危险可能性分级，并进行危险性评价，然后根据有关危险性的评价结果对已确定的危害按照安全措施的优先顺序，并采用安全设计方法来减少可能产生的危害。在方案设计初期的风险评价中，必须着重考察风险的必要性，这样就为方案设计确定提供了基础；而一旦某种风险在方案设计初期就无法消除，那么风险评价人员将综合考察风险产生的可能性和后果及其对风险的影响，从而进行已确认风险的优先次序和完善措施［6］。

3.3 高功率放大器的安全性工作项目

根据已完成的产品项目计划，还必须执行各实施环节的大功率放大器安全计划。安全工作项目的编辑必须按照企业设备开发、开发合同的具体要求和相关文件中关于安全工作项目管理的规定进行，以去除对生产中不正确和不必要的规定，以及在有关条文规定或补充生产标准中所没有包含的各项规定。

必须根据安全管理要求和内容编制安全管理计划。经过该管理工作计划的制订，就可以合理地安排各个作业阶段，指导安全作业，调整各个部门，统一管理安全设施，以及监控设施装置的寿命周期，使其对全部保安管理工作目标都了然于胸，从而大大提高施工的安全、可靠度、稳定能力、保障性，增强了工程设计管理的综合能力，减少了无谓的安全作业重复。在进行生产规划的制定之时，也就必须把基本安全作业规划融入设计内容，以便于形成一种清晰全面的施工规划图，促进在现实施工作业中的安全规划管理。基本安全作业规划内容通常包括：（1）基本安全规定和一般安全作业项目规定；（2）各种安全工作项目的责任机关、责任管理人员；（3）各种安全工作项目的具体范围、实施阶段、时间规定；（4）安全考核条件。

在产品开发过程中，应有有效的风险报告、预测及改善的控制制度，设置风险日志记录，根据用户提出的要求降低的危险及可接受风险的不同程度，对已确定的超过及超出用户规定的最低限额的危险进行记录于风险日志中，并完整记录降低危险或降低有关危险采取的不同手段。

4 结语

在系统工程当中，在安全性设计足够准确与详尽之时，才可以进行更加精确、系统的风险分析工作。系统分析方法将随着工程设计的进展而不断调整，对所有子系统及部件进行综合分析，并评估了与使用情况和故障模式有关的风险，尤其是对整个系统稳定性的影响，提出了降低系统已判定的风险或降低其危险性所需的措施外，还应评估设计变化将如何影响整个系统的稳定性。选用部分系统的危险性分析技术后，还应减少给系统危险性分析方法所造成的损失。在评价应用问题对部分操作系统风险管理成果的影响后，还需要跟踪操作系统和应用发展过程中不同阶段的数据结果，以便于及时发现需要解决的应用问题，并采取措施。在工程设计和研制过程中的安全条件以及为减少危害而采取的工程设计、控制装备、安全装置等措施，必须采用化学分析、检测等技术手段来检验；对国家安全有危害的关键设备和软件以及无法用分析或检测等方式证明的安全措施，都可以通过诱发故障或模拟故障的可靠性测试来证明。如果安全性试验因为收费太高而无法有效时，也可采用工程分析、类推、试验室试验、功能模拟及小尺寸模拟来进行，以满足要求。