大功率固態高功放功率合成失效分析

杜海旺，肖 劍，馬亮亮

（中國衛星海上測控部 江蘇 江陰 214431）

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

1 固態高功放功率合成原理簡介

某型S頻段連續波固態高功放，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的功放級聯而成。小功率信號經過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4個500 W子功放插箱放大后，最后經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

某型S頻段連續波固態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。根據散射參數理論，可簡化為圖2所示的功率合成器網絡散射參數示意圖。

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數功率波。在特定頻率下，根據散射參數理論，合成網絡特性完全由一個5階散射矩陣決定：

設 輸 入 信 號 分 別 為 a0、a1、a2、a3、a4。 根 據 散 射 參 數 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：

由以上結果可以得出如下結論：

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。

2． 2 子功放失效功率合成器效率分析

假設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絡，應滿足酉條件，故有：

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

圖2 功率合成器網絡散射參數示意圖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，4個子功放輸出場強為等幅相加，這樣大功率合成器總輸出場強為2E，輸出信號的功率為P=4E2。當4路中有n路子功放損壞時，大功率合成器輸出信號場強為（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頻段大功率固態功放功率合成器為試驗對象對失效模式進行試驗，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下四路子功放總功率為500 W時，實際輸出功率為450 W；當一路子功放關閉時，功率變為221.9 W，約為原來的1/2；當兩路子功放關閉時，功率變為113.75 W，約為原來的1/4；當三路子功放關閉時，功率變為28.75 W，約為原來的1/16符合前面的推導數據。

3 結果分析

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

根據圖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系，表1具體列出了該比例關系[6]。

表1 器件損壞比例與輸出功率的對應關系Tab.1 Corresponding relationship of device damage ratio and the output power

4 結 論

根據上面的對應關系，可以將這一功率變化規律用于工程應用當中。在以2N路合成的固態功率放大器中，如果其中若干路子功放故障失效，可以關閉其中的失效路，正常工作的剩余路繼續工作，計算合成效率估算高功放的實際輸出功率。

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