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(guó)衛(wèi)星海上測(cè)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(duì)相應(yīng)固態(tài)功率器件的需求也變得越來(lái)越迫切。然而，由于單個(gè)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(duì)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(jì)算推導(dǎo)，對(duì)一路或者幾路功率合成器輸入失效時(shí)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(yàn)證。

1 固態(tài)高功放功率合成原理簡(jiǎn)介

某型S頻段連續(xù)波固態(tài)高功放，是由1個(gè)15 W前級(jí)功放和4個(gè)輸出功率為500 W的子功放級(jí)聯(lián)而成，其中500 W子功放又是由1個(gè)前級(jí)功放和6個(gè)輸出功率為100 W的功放級(jí)聯(lián)而成。小功率信號(hào)經(jīng)過(guò)15 W前級(jí)功放后，被功分插箱分成4路分別送給4個(gè)500 W子功放插箱，信號(hào)經(jīng)4個(gè)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(hào)至天線。根據(jù)散射參數(shù)理論，可簡(jiǎn)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(gè)端口的a和b分別表示相對(duì)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(gè)5階散射矩陣決定：

設(shè) 輸 入 信 號(hào) 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(hào)的幅度和相位，同時(shí)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(hào)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(méi)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(wú)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(gè)子功放輸出場(chǎng)強(qiáng)為等幅相加，這樣大功率合成器總輸出場(chǎng)強(qiáng)為2E，輸出信號(hào)的功率為P=4E2。當(dāng)4路中有n路子功放損壞時(shí)，大功率合成器輸出信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)為（4-n）E/2，輸出信號(hào)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(yàn)驗(yàn)證

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

圖3 功率合成器實(shí)物圖Fig.3 Diagram of the power synthesizer

在試驗(yàn)中通過(guò)將其中的一路或幾路子功放斷電來(lái)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(shí)，實(shí)際輸出功率為450 W；當(dāng)一路子功放關(guān)閉時(shí)，功率變?yōu)?21.9 W，約為原來(lái)的1/2；當(dāng)兩路子功放關(guān)閉時(shí)，功率變?yōu)?13.75 W，約為原來(lái)的1/4；當(dāng)三路子功放關(guān)閉時(shí)，功率變?yōu)?8.75 W，約為原來(lái)的1/16符合前面的推導(dǎo)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果分析

文中對(duì)大功率固態(tài)功放中單路或多路失效時(shí)，功率合成器的合成效率進(jìn)行了理論分析并對(duì)四路合成的固態(tài)功放進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，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(duì)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(duì)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(jì)算合成效率估算高功放的實(shí)際輸出功率。

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