大功率固态高功放功率合成失效分析

杜海旺，肖 剑，马亮亮

（中国卫星海上测控部 江苏 江阴 214431）

随着微波毫米波技术在通信、雷达、导航、遥感等众多领域中不断被广泛应用，对相应固态功率器件的需求也变得越来越迫切。然而，由于单个固态功放器件输出功率有限，很难满足系统要求，为此功率合成技术应运而生[1-2]。文中对某型大功率固态高功放功率合成器的合成效率进行了计算推导，对一路或者几路功率合成器输入失效时的合成效率进行了分析，并在某型大功率固态高功放功率合成器中进行了验证。

1 固态高功放功率合成原理简介

某型S频段连续波固态高功放，是由1个15 W前级功放和4个输出功率为500 W的子功放级联而成，其中500 W子功放又是由1个前级功放和6个输出功率为100 W的功放级联而成。小功率信号经过15 W前级功放后，被功分插箱分成4路分别送给4个500 W子功放插箱，信号经4个500 W子功放插箱放大后，最后经功率合成器合成输出，最大输出功率为 1 500 W[3]。

2 功率合成效率影响因素分析

2． 1 功率合成器效率模型化推导

某型S频段连续波固态高功放功率合成器为5端口器件，其中四输入端口分别与子功放1、子功放2、子功放3、子功放4连接，剩余一端口为输出端口输送信号至天线。根据散射参数理论，可简化为图2所示的功率合成器网络散射参数示意图。

图2中每个端口的a和b分别表示相对于功率合成器的输入和输出的复数功率波。在特定频率下，根据散射参数理论，合成网络特性完全由一个5阶散射矩阵决定：

设 输 入 信 号 分 别 为 a0、a1、a2、a3、a4。 根 据 散 射 参 数 理论，则：

定义输出功率与输入功率的比值为功率合成效率，即：

由以上结果可以得出如下结论：

1）功率合成器的效率取决于输入信号的幅度和相位，同时也取决于合成器的散射矩阵各元素的幅度和相位；

2）输入信号相位相等并不一定能使合成效率达到最大值，而是要综合考虑其他各方面因素，包括合成器参数。

2． 2 子功放失效功率合成器效率分析

假设大功率合成器与连接的各器件均为匹配，即它们没有形成反射功率输入到合成器中，即该大功率合成器为理想无耗网络，应满足酉条件，故有：

图1 固态功放原理框图Fig.1 Schematic diagram of the solid state power amplifier

图2 功率合成器网络散射参数示意图Fig.2 Scatter parameter diagram of power synthesizer

故有：

可得：

即有：

若工作中子功放有所损坏，从而使输出功率下降，合成效率下降。假设，4个子功放输出场强为等幅相加，这样大功率合成器总输出场强为2E，输出信号的功率为P=4E2。当4路中有n路子功放损坏时，大功率合成器输出信号场强为（4-n）E/2，输出信号的功率为 P′=（4-n）2E2/4，则大功率合成器的合成效率为 η=（4-n）2/16，增益[4-5]为 W=10lg（P′/P）=20lg（1-）dB。

2． 3 试验验证

以某型S频段大功率固态功放功率合成器为试验对象对失效模式进行试验，图3为大功率功率合成器实物图。

图3 功率合成器实物图Fig.3 Diagram of the power synthesizer

在试验中通过将其中的一路或几路子功放断电来模拟失效模式。图4是该功率放大模块关闭一路或多路获得输出功率的曲线。可以看出正常工作状态下四路子功放总功率为500 W时，实际输出功率为450 W；当一路子功放关闭时，功率变为221.9 W，约为原来的1/2；当两路子功放关闭时，功率变为113.75 W，约为原来的1/4；当三路子功放关闭时，功率变为28.75 W，约为原来的1/16符合前面的推导数据。

3 结果分析

文中对大功率固态功放中单路或多路失效时，功率合成器的合成效率进行了理论分析并对四路合成的固态功放进行了验证试验，得出了多路失效状态下的功率曲线。

根据图4曲线，我们可以分析出功率模块损坏的比例和功率下降比例的关系，表1具体列出了该比例关系[6]。

表1 器件损坏比例与输出功率的对应关系Tab.1 Corresponding relationship of device damage ratio and the output power

4 结 论

根据上面的对应关系，可以将这一功率变化规律用于工程应用当中。在以2N路合成的固态功率放大器中，如果其中若干路子功放故障失效，可以关闭其中的失效路，正常工作的剩余路继续工作，计算合成效率估算高功放的实际输出功率。

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