微波固态功率放大器的研制

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1、杭州电子科技大学硕士学位论文1绪论1.1课题背景与研究意义本论文研究工作是为中国电子科技集团公司第五十研究所研制微波固态大功率放大器，目的是为某脉冲式谐波雷达项目提供大的脉冲功率输出，由于以前没有像这么大功率输出的功率放大器的设计经历和经验，再加上项目时间紧迫，因此论文的工作量很大，且时间也很紧迫。诸如这些原因，我首先查阅了国[1][2]内外关于固态雷达发射机的相关书籍，同时也检索了IEEE等上面的关于大功率放大器的几十篇相关文献，对固态雷达发射机的工作原理、设计方法以及关键问题等有了一个总体的

2、把握和理解，特别对于大功率的固态功率放大器有了一个比较深刻的理解，这为论文的研究做了有利的铺垫。本课题要求实现比较大的脉冲输出功率，传统的设计大功率放大器是用真空管来实现，但是用真空管设计有很多的缺点，随着半导体器件的不断发展，用半导体器件来设计大功率放大器显示出比真空管无比的优越性，通过比较得到固态[2]器件的优点：（1）固态器件的工作电压一般比较低，一般其工作电压都低于50V，这就使得微波固态功率放大器的结构简单，体积小，由于工作电压低也使得操作很安全；（2）微波固态功率管的可靠性高和寿命长

3、，其单管寿命为百万小时左右，但是电真空却只有数千小时；（3）比较固态器件和真空管设计发射机时，前者的平均无故障时间比后者要高；（4）固态器件工作时不需要预热阴极，这样就不存在预热延时，并且不耗费灯丝功率，因此可以使工作寿命大大的延长；（5）固态器件在相控阵雷达应用中，其灵活性很好。在相控阵雷达系统中，每个天线单元可以与单个有源收发组件相连接，这样就可以消除通常存在于真空管系统中，位于单个电子管（相当于一个点源）放大器与天线阵列表面之间的射频分配损耗。（6）当模块发生故障时，固态发射机系统具有故障

4、弱化能力。这是由发射机的机构所决定的，因为为了实现大的输出功率，发射机往往采用固态器件功率合成来实现，当其中某个模块出现故障的时候，其他器件任然可以正常工作而使故障得以弱化；1杭州电子科技大学硕士学位论文（7）相比真空管而言，固态器件可以获得更宽的带宽。通常固态发射机可以获得大于50%的带宽，而真空管只能获得10%~20%的瞬时带宽；通过比较分别用真空管和固态器件来设计功率放大器，并考虑到实验室现有条件、节约成本、供电简单、功耗低、维护成本低、寿命长、稳定可靠等众多因素，并结合查阅国内外文献资料

5、后，选择用固态器件设计该项目需要的大功率放大器是值得的，并且是比较好的选择。微波功率放大器作为发射机单元中至关重要的部件在许多微波电子设备和系统中广泛应用，微波固态功率放大器由于其所具有的优点而得以广泛应用，并且在中小功率的应用领域正在逐步取代电真空器件，并在高功率应用领域逐渐成为电真空器件的有益补充。通过本文的研究，不仅为脉冲式谐波雷达提供大功率微波固态功率放大器，更重要的是为今后研究更大功率放大器做好铺垫，因而开展微波固态功率放大器的研究具有十分重要的意义。1.2微波固态功率放大器的研究进展

6、迄今为止按照材料来划分，半导体功率器件的发展已经经历了三个阶段：第一代半导体功率器件是以Si为代表，这种器件的工作频带主要应用在S波段以及S波段以下的波段。在L频段以及L频段以下的Si半导体功率器件的脉冲输出功率达到几百瓦量级，在S频段脉冲输出功率大约为200W。第二代半导体功率器件是以GaAs为代表，这类功率器件最高频段可达到30GHz-100GHz，其中X波段最高输出功率可以达到25W，而C波段最高暑促功率可以达到80W。随着科技技术的不断发展，并且由于应用范围的不断扩大，这样对功率器件的要

7、求也就提出了很多更高的要求，很多应用要求功率放大器的输出功率达到千瓦级，并且对于工作的频段范围也从点频到窄频甚至到宽频，使得工作频率越来越高和工作带宽越来越宽，还有很多情况要使功率放大器工作在比较恶劣的环境下，这样就使得传统的功率器件不能完全满足现代各方面的需要，因此从上世纪50年代起，研究人员不断的加大对新一代宽禁带半导体材料的研究力度，这就是第三代半导体器件，其中具有代表性的是SiC、GaN等。比较这几种半导体材料，第三代半导体材料具有化学性能稳定、宽禁带以及抗辐射等优点，特别适合制造高[3

8、]温、高频、高功率、抗辐射的功率器件。现如今要求功率放大器的输出功率越来越大，为了满足不同情况的需求，研究人员在对功率放大器进行不断的改进，以提高其输出功率、效率等。微波固态器件的发展使微波固态功率放大器的发展成为可能，而微波固态技术的发展使微波固态功率放大器的各方面性能不断的提高。[4][5]1）在微波器件方面：1948年Shockley.Bardeen等人发明双极晶体管（BJT）和1952年提出的结型场效应管(JFET)以后，微波领域开始应用硅双极晶体管，2杭州电子科技大学硕士学位论文从而使