探析高功率放大器的適用環境與安全性

陳剛

（中華通信系統有限責任公司河北分公司 河北石家莊 050000）

寬帶擴大器的設計者必須適應各種條件下不同的設計要求，所以如果想要擴大放大器設備在不同環境和不同領域的應用范圍，就一定要將設計的考量范圍擴大，運用線性設計的方法，從而保證放大器在處理諧波頻譜的過程當中實現全反射。除此之外，還應當考察不同的應用領域，如雷達、發射機等應用領域而言，擴大器還需要可以接受輸入輸出端很大的失配電流，這往往是因為接入了放大器的天線系統，并且終端可以負載的大小也有不同的情況，還可能由于裝置對象本身具有不同的反射性能，而導致擴大器的接受情況有所不同。如果在以上的這些領域當中引入放大器，則擴大器的強健性至關重要，要保證其在使用過程當中處于穩定狀態不易損壞。因為放大器損壞所造成的無法檢測結果會造成工程癱瘓，這將意味著整個工程的時間成本將增加，從而導致施工延誤的情況發生，使得整個工程的成本提高，影響工程最終的經濟效益。因此從經濟的視角來看，這會導致前期的成本及后期的維護運用成本有所提高。因此，放大器設備的安全性和易維護性是實現上述總體施工效益的重中之重。除此之外，還應當認識到，如果想要有效地減少大功率放大器的施工費用和日后維護的費用，就必須盡量增加功率效率。本文將就此展開詳盡論述，認為在為某一種特殊用途尋找放大器的時候，最關鍵的條件是能夠在特定的客觀環境當中使得標準規定的設計參數都能夠適應環境的要求，從而讓不同功率的放大器或變壓器參數時使用方法不相同的放大器物盡其用［1］。

1 高功率寬帶放大器設計的問題與挑戰

產品設計高輸出功率的寬頻放大時，工程人員必須考慮寬度、增益、輸入輸出電量及其在不同頻率和不同的相位狀態之時可能會出現失配的情況，這就導致其行為特征出現異質，因此線性程度有所不同，諧波特征也有所不同，還應當考慮其中功率、效率等部分的影響情況，從而能夠得到一個比較合理和規范的技術標準。在工程當中，眾多技術指標往往都是相互聯系的，如果給出了一個特定的晶體管，則該種類確定之后，設計的寬度也要隨之變化，信號電路獲取的輸出功率最小值和最大值也隨之發生了變化，這樣輸出功率也有所不同。同樣，功放管的壽命也非常取決于放大電路的散熱能力設計，以及在功放管外圍的保護電路。

針對A類增強器，結晶管往往偏位于某個很大的靜態電壓上，這樣一來就能夠獲得一種極為線性的增強特征，但同時也要承擔很差的功耗效果，從而對結晶管產生了較大的散熱方面的要求［2］。

一旦使用Gan晶體管，結溫的降低將對壽命有更大的好處。由于目前的熱功率放電管技術可以產生更大的熱射頻功率密度，并獲得更緊湊、更小規模的熱放大電路，因此，設計問題就變成了如何設計更合理的散熱結構，以克服功率放電管散熱產生的巨大熱量。對于A類放大器，這通常很難實現，因此需要更多的晶體管設計，并降低每個晶體管的最大功率輸出，以克服散熱容量的計算問題。然而，在沒有射頻技術輸入的情況下，A型放大器通常仍能產生良好的結溫。主要原因是形成了較大的靜態偏置電流。因此，一旦空氣散熱能力的設計處理不當，應用壽命將大大縮短。

對于特定的應用領域，實現最高功率輸出并不總是需要寬帶放大，通過EMS測試。例如，在200V/s的EMS系統中，通過向EMS天線系統增加頻率放大而產生的電能的校正曲線。人們可能會看到，一定的場強必須通過不同的電力生產來實現。在100MHz時，所需的最大正向輸出功率可能在1050W以內，但在200MHz及以上時，所需的最大正向輸出功率降低到600W以下，一些高頻點甚至可以降低到400W以下。然而，在這些特定的EMS領域，AB類放大器比A類放大器具有更好的效率，因此，晶體管可以在較低的結溫下形成更長的使用壽命。

不要選擇高輸出功率寬帶放大器，因為超高駐波比會給晶體管內部帶來很大壓力。此外，由于反饋射頻傳導，輸出功率將在反向放大電路中消失，從而提高晶體管的結溫。為了避免超高駐波比對反向放大的影響，有必要設計合理的低輸出功耗結構電路，這可以通過使用高散熱系統和合理的布局方法來實現，主要是通過在相應的熱點布置熱傳感器和其他設備，或者通過監測晶體管相應的電壓和電流變化。此外，功率放大器設計師和產品設計師還必須確定如何增加零五導體公司適當數量的無線電功率單元，以確保放大電路在極低駐波比的情況下是否仍能提供適當的正向輸出功率，或者放大電路是否能在特定駐波比的條件下后退，更多的半導體無線電功率單元意味著更昂貴的放大電路需要更高的市場價格。

2 高功率放大器適用環境的相關要求

2.1 環境適應性要求

適宜的環境保護工程項目是指與工程設計、試驗和制造有關的各種活動，能夠滿足人們系統地適應自然環境的定性和定量需求。環保適用工程設計內容：環保適用工程設計、環保適用試驗等，分階段實施。通過該產品的實驗計劃，可以確定該產品的研發階段。產品設計的研究階段一般是討論階段、產品設計方案論證、過程討論階段（包括設計定稿階段）、生產階段［3］。

2.2 確定各階段工作項目

環境適應性工作項目的適配，必須根據標準對環境裝備開發的實際需求、開發合同內容及標準相關文件中環境適應性工作項目內容的規定而進行適當剪裁，或去除標準對產品中不適宜和不必要內容的規定，或調整標準有關條文規定或增補在標準中沒有提及的各項規定。

2.3 環境適應性工作項目評估

設計師系統地協助科研計劃主管部門所編制的環境工程工作計劃，要與可行性、維護性、保障性、安全等各種環境管理工作目標協調性統一，減少不必要的環境管理的復雜性。同時，科研規劃部門還必須將環境工程的具體工作計劃納入科研生產主計劃，通過科研生產主計劃網絡圖實施具體計劃管理，環境工程工作計劃部門通常需要包括以下內容：（1）協議及相關文件中規定的環境適應性條件；（2）各環境工程項目負責部門及人員；（3）建設項目內容和主要特點、各類環境工程的建設范圍、時間條件和竣工形式，以及項目竣工結果的檢查和評價方法；（4）環境工程中與工程設計和可靠性的接口合作；（5）環境工程工作的評估要求；（6）環境工程工作所需的科學技術資料等。

2.4 制定環境適應性設計準則

制定環保適應性設計規范要求，指導設計人員進行環保設計。（1）根據相關標準、手冊和施工經驗，制定專門的環境適應性設計規范，供設計人員使用；由于各種環境要求對產品設計質量的影響和機理不同，有必要針對不同的環境條件給出具體的環境保護和適當的設計標準。（2）環境適應性設計規范應是工程設計評價的基礎。待確定的事項包括產品的環保適應性設計條件，主要涉及環保特性和材料應力強度要求（量值和影響時限），以及對環保適應性產品設計條件的限制性要求［4］。

2.5 環境適應性設計

設計師組織設計者系統實施環境條件適宜工程設計，使所設計的產品能夠達到所規范的環保環境適應性要求。在設計中應當嚴格遵循環境條件適宜準則，根據相關環境條件和合適的設計手冊，選擇合適的環境工程設計技術和方法，使產品達到標準的環境適應水平，應考慮適合工程設計的環境條件要點：（1）完善適合設計和施工工藝的環境條件；（2）合理地設計剩余量（耐環境條件的剩余量）；（3）避免瞬態過殘余應力影響的預防措施；（4）采用耐環境性強的零部件、電子器件和建筑材料；（5）采取保護措施改善環境或減少影響，如投資凍結措施、降噪措施等；（6）保護涂層（如工業涂層）設計或應用于產品。

在工程設計中，應當根據專門的環境保護適宜工程設計標準，進行環境保護適宜工程設計。自然環境適宜產品設計工作，應當同工業自然環境適宜研究試驗、工程應用環境試驗、農業自然環境測試和其他工程設計研究試驗緊密結合，運用這些試驗的有關信息，對當前所存在的工業自然環境適宜脆弱環節，進行了合理設計措施和加以完善。同時，還應貫徹自然環境適宜的評估準則，利用自然環境研究試驗和使用農業自然環境試驗的成果，對高功率反相放大器進行自然環境適宜評估，并滿足工程設計要求。

3 高功率放大器的安全性相關要求

多功率放大器是大功率多電壓信號設備，安全既影響著人員、機器設備的安全性和系統效率，又控制著作戰目標的完成度，為了保證系統的正常操作使用，需要保障人員、機器設備的健康安全性［5］。

3.1 高功率放大器的安全一般要求

（1）根據系統設備的特點，及時采取經濟合理的方式實施安全設計，滿足系統和全站的安全要求，提高其應用效率。

（2）通過系統可靠性分析方法，判斷系統設備可能存在的風險，并從設計方案中去除風險。如果確定的風險無法降低，則通過設計措施將風險降至最低。

（3）在方案設計中，系統各設備部分應合理配置，設計人員應盡量避免在使用、維護、維護等工作過程中可能出現的隱患。

（4）在系統站的工程設計中，應充分考慮在使用和維護過程中可能對人因失誤造成的危害，并在工程設計中采用防錯設計，以盡量減少對人因失誤可能造成的危害，并采取相應的對策。

（5）設計由軟件管理或監控的功能，以盡量減少危險事件或故障的發生。

（6）面對可能的一級和二級危險或A、B級危險風險，報告、預防措施或任何類型的提示不應被視為降低風險的唯一主要措施，但在系統工程設計中，應采取其他適當的方法和預防措施，以避免發生I類和II類危險或A、B類可能性級別的危險。

3.2 高功率放大器的安全危害評估與處理

為了降低危害，應當首先明確危害的程度和危險可能性分級，并進行危險性評價，然后根據有關危險性的評價結果對已確定的危害按照安全措施的優先順序，并采用安全設計方法來減少可能產生的危害。在方案設計初期的風險評價中，必須著重考察風險的必要性，這樣就為方案設計確定提供了基礎；而一旦某種風險在方案設計初期就無法消除，那么風險評價人員將綜合考察風險產生的可能性和后果及其對風險的影響，從而進行已確認風險的優先次序和完善措施［6］。

3.3 高功率放大器的安全性工作項目

根據已完成的產品項目計劃，還必須執行各實施環節的大功率放大器安全計劃。安全工作項目的編輯必須按照企業設備開發、開發合同的具體要求和相關文件中關于安全工作項目管理的規定進行，以去除對生產中不正確和不必要的規定，以及在有關條文規定或補充生產標準中所沒有包含的各項規定。

必須根據安全管理要求和內容編制安全管理計劃。經過該管理工作計劃的制訂，就可以合理地安排各個作業階段，指導安全作業，調整各個部門，統一管理安全設施，以及監控設施裝置的壽命周期，使其對全部保安管理工作目標都了然于胸，從而大大提高施工的安全、可靠度、穩定能力、保障性，增強了工程設計管理的綜合能力，減少了無謂的安全作業重復。在進行生產規劃的制定之時，也就必須把基本安全作業規劃融入設計內容，以便于形成一種清晰全面的施工規劃圖，促進在現實施工作業中的安全規劃管理。基本安全作業規劃內容通常包括：（1）基本安全規定和一般安全作業項目規定；（2）各種安全工作項目的責任機關、責任管理人員；（3）各種安全工作項目的具體范圍、實施階段、時間規定；（4）安全考核條件。

在產品開發過程中，應有有效的風險報告、預測及改善的控制制度，設置風險日志記錄，根據用戶提出的要求降低的危險及可接受風險的不同程度，對已確定的超過及超出用戶規定的最低限額的危險進行記錄于風險日志中，并完整記錄降低危險或降低有關危險采取的不同手段。

4 結語

在系統工程當中，在安全性設計足夠準確與詳盡之時，才可以進行更加精確、系統的風險分析工作。系統分析方法將隨著工程設計的進展而不斷調整，對所有子系統及部件進行綜合分析，并評估了與使用情況和故障模式有關的風險，尤其是對整個系統穩定性的影響，提出了降低系統已判定的風險或降低其危險性所需的措施外，還應評估設計變化將如何影響整個系統的穩定性。選用部分系統的危險性分析技術后，還應減少給系統危險性分析方法所造成的損失。在評價應用問題對部分操作系統風險管理成果的影響后，還需要跟蹤操作系統和應用發展過程中不同階段的數據結果，以便于及時發現需要解決的應用問題，并采取措施。在工程設計和研制過程中的安全條件以及為減少危害而采取的工程設計、控制裝備、安全裝置等措施，必須采用化學分析、檢測等技術手段來檢驗；對國家安全有危害的關鍵設備和軟件以及無法用分析或檢測等方式證明的安全措施，都可以通過誘發故障或模擬故障的可靠性測試來證明。如果安全性試驗因為收費太高而無法有效時，也可采用工程分析、類推、試驗室試驗、功能模擬及小尺寸模擬來進行，以滿足要求。