【摘要】本文介绍了一种S波段600W固态脉冲功率放大器的设计方法和研制过程。该功率放大器工作频率f0±20MHz，脉冲宽度1～6us，上升沿≤150ns，工作比3‰。
【关键词】固态技术；功率合成；功率放大
0概述
固态放大器因其高可靠的特点受到广大设计师和用户的喜爱。本文中的S波段600W固态功率脉冲放大器是为推动大功率速调管而设计的。按客户要求，本固态功率放大器要求输出功率大于600W，输出波形1～6us连续可调，输出功率连续可调，波形上下升时间<150nS,工作占空比3‰，面板有功率显示功能。
1实施方案
对于给定的输出功率，固态功放通常有两种实现方法，一种是采用多个百瓦级的功率管合成，另外一种是采用较少的高功率管合成。一般来说前者较容易实现，后者较难，在频率较高的S波段更是如此，因此我们选用前一种方案。
本放大器采用某厂家的65W功率管作为驱动级，末级功率管选用129W功率管。两种功率管的主要技术指标如表1所示：
表1两种功率管主要技术指标
具体为一只65W功率管作为驱动级驱动两只129W功率管，两只129W功率管合成输出220W功率后驱动8只129W功率管，最后合成输出所需的功率。而65W功率管采用一只13W放大器进行驱动。从体积大小和结构设计考虑，65W功率管和两只129W功率管制成一个220W功放，每8只129W功率制成两个400W功放。
综上，600W功放由电源，保护电路，13W功放，220W功放，分配/合成器和两个400W功放组成。以上部件放置在一个19英寸机箱内，部件独立成模块，输入输出端采用带金属屏蔽层的射频同轴电缆连接。末级功放输出端接耦合器（耦合器上接检波器，检波输出电平送给监控电路判断过宽/过比），再接可调衰减器（通过可调衰减器调节旋钮，对输出功率进行可控，最后连接安装在功放面板的射频连接器。
图1信号流程及电平分配
1.1部件的研制
整个放大器内部安装件以模块的形式出现，每种模块都有自己确定的参数指标，以便在调试过程中能准确到控制其技术状态，从而稳定系统的工作状态。各个模块的主要技术指标和信号原理框图如下：
1）13W功放
主要技术指标：
输入功率：Pin=10mW(连续波)
输出功率：Pout=13W(脉冲信号)
上升沿:rt<100ns;
下降沿:ft<100ns;
2）220W功放
主要技术指标：
输入功率：Pin=13W
输出功率：Pout>220W
上升沿:rt<120ns;
下降沿:ft<120ns;
220W功率放我们采用一只65W功率管驱动两个129W功率管来实现,内部功率分配合成网络采用微带型的Wilkinson合成/分配器来实现,具体原理框图和内部实物图分别见图2和图3:
图2220W功放原理框图
图3220W功放内部实物图
3）400W功放
主要技术指标：
输入功率：Pin=100W
输出功率：Pout>220W
上升沿:rt<150ns;
下降沿:ft<150ns;
该功放我们通过合成4只129W功率管来达到输出功率400W，分配合成网络采用微带型的Wilkinson合成/分配器来实现。具体原理框图见图4:
以上几种功放采用模块化设计，可根据用户需求设计出不同输出功率量级的功放.例如需要设计输出功率300W的放大器，可采用一级65W功率管驱动一个129W功率管，再驱动一级400W功放来实现，电路可直接借用，真正实现模块化设计。
图4400W功放原理框图
2关键技术
2.1快速脉冲上升沿的实现。
在窄脉宽情况下获得快速上升时间是本功放的难点。微波功率晶体管本身的上升时间一般在10ns以内，放大器的上升时间取决直流偏置的性能，特别是发射极的直流馈电电路；另外由于功率放大器工作在C类状态下，只有输入了足够的激励功率，器件才能正常工作。本功放对脉冲上升沿有严格的要求，为此主要的放大器均工作在深饱和状态，以保证有足够的激励功率来迅速启动器件。除此之外，由于放大器工作的瞬态，放大器的工作电流由储能电容提供，此电流一般较大，尤其是末级。因此储能电容的冲放电能力对脉冲上升沿有很大影响，在实际设计和调试中，我们采用并联两个或三个电容的方式来提高脉冲上升沿。针对以上影响上升沿的因素，我们通过选取高性能器件和精心调试等措施使上升时间满足指标要求。
２．２电磁兼容设计
功放内部有低频、高频电路，有模拟、数字电路，有高功率、低功率单元等复杂的电磁环境，所以其内部的电磁环境非常复杂。且功放离大功率速调管较近，要求有良好的抗干扰能力。功放的电磁兼容设计的好坏是关系到组件能否长期稳定和可靠的保障，为此我们设计时采取如下措施：
1）功放的输入端到驱动功放的输入端采用带金属屏蔽层的射频同轴电缆连接，以防止外界的电磁干扰。
2）功率放大链路的各级之间都有隔离器，保证了功率放大链路级间的隔离。
3）功率显示电路与射频电路互为独立单元，射频检波和比较放大电路等与高功率场相隔离，从而使功率检测电路稳定可靠。
2.3功率显示电路设计
定向耦合器及发射功率检波输出，送入保护电路内的运放放大至适当值，作为A/D转换器的模拟输入。电压基准给A/D转换器提供精确的外部电压电压基准。经过峰值采用，保持，放大后送出发射功率值的数字量显示到前面板。将检波电平放大（根据所选的A/D转换器的电压基准而定），根据显示精度选择合适的A/D转换器，经过采样，保持，数据锁存，数据读取，驱动，实现显示功能。实际测试中验证，该功率显示电路的显示精度可达到±2.5W，精度较高，满足可户的使用要求。
３结束语
129W功率管的技术指标在给定频率输出功率为129W。在我们的工作条件下，实际输出功率可达140W，从而整机输出功率比设计指标稍高，能更好的满足客户要求。
放大器采用先四路功率合成，再两路功率合成的方式，每个单管放大器的输出功率为129W，其电器性能一致性较好，由于工作频带窄，合成效率较好，达到了令人满意的输出功率。同时将四路合成的400W功率放大器作为一个基本的功率模块进行多级功率合成能够得到更大的输出功率,为后续更大功率放大器的设计打下基础。
放大器所有部件均安装在一个威图19英寸机箱内，结构紧凑，体积较小，使用方便，实际测试指标完全满足要求，为后续更功率的功放研制，特别是800W功放的研制奠定了基础。目前该功放已作为大功率速调管推动级应用于某国家重点实验室，一直工作良好。
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［责任编辑：薛俊歌］