一种脉冲固态功率放大器及设计方法与流程

本发明涉及脉冲固态功放技术领域，尤其是一种脉冲固态功率放大器及设计方法。

背景技术：

在现有技术下，脉冲固态功放的高速上升沿和高效率指标难以兼顾。对于脉冲功放而言，供电电流的变化速率会直接影响脉冲上升沿。如果功放偏置在A类工作状态下，静态和满功率状态的电流几乎不变，上升沿时间可以很短，但众所周知，A类功放的效率低，在脉冲状态下消耗大量功耗。为保证功放效率，功率管通常偏置在接近B类或者C类状态，功放静态电流很小甚至夹断，在脉冲到来时才开始建立峰值电流，在图1所示的常规馈电网络中，由于去耦电感的影响，供电电流不能和输入脉冲或者调制包络上升得一样快或者比它更快，那么满功率输出脉冲波形将会延迟一些时间，通常C类脉冲功放的上升沿在μs量级。对于极窄脉冲信号(如脉宽在几十纳秒以内)的应用，现有脉冲功放技术的上升沿时间太长，无法实现有效的放大。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术中功放领域脉冲响应时间与电源效率之间的矛盾，在较高的效率下难以实现纳秒级脉冲上升沿存在的问题，提供一种脉冲固态功率放大器及设计方法。通过对微波功率管栅极馈电网络以及漏级馈电网络进行改进，解决现有脉冲功放技术中脉冲响应时间与电源效率之间的矛盾，在较高的效率下实现纳秒级脉冲上升沿。

本发明采用的技术方案如下：

一种脉冲固态功率放大器包括输入匹配电路、输出匹配电路、微波功率管、栅极馈电网络、栅压温补电路以及栅极馈电网络，所述漏级馈电网络是n级π型网络；第n级π型网络包括第n电容和第n电感；正供电电源给栅压温补电路供负电压；负供电电源给逻辑馈电网络供正电压；栅压温补电路通过栅极馈电网络与输入阻抗匹配网络一输入端连接，输入阻抗匹配网络另一输入端输入射频信号，输入阻抗匹配网络输出端与微波功率管栅极连接；微波功率管漏级与输出阻抗匹配网络一输入端连接；射频信号通过输入阻抗匹配网络后，使得微波功率管偏置于进B类静态工作点；

所述第一电容一端接地，第一电容另一端、第一电感一端及电源端连接，第一电感另一端与第二电感一端、第二电容另一端连接；所述第二电容一端接地；

所述第二电容另一端、第三电感一端及第三电容另一端连接；所述第三电容一端接地；

所述第n-1电容另一端、第n电感一端及第n电容另一端连接；第n电容一端接地；

所述第n电感另一端与输出阻抗匹配网络连接。

进一步的，所述栅压温补电路包括：负供电电源通过第一电阻与三极管集电极连接，三极管集电极与三极管基级之间跨接第二电阻，三极管基级通过第三电阻接地，三极管发射机接地；三极管集电极与栅极馈电网络连接，其中：

将公式((2)带入公式(1)可得，

即微波功率管栅极电压

β为三极管放大系数，R1、R2、R3分别为第一电阻、第二电阻、第三电阻阻值；V_负电源为负供电电源供电电压值。

进一步的，所述n等于2到6。

一种脉冲固态功率放大器设计方法包括：

步骤1：正供电电源给栅压温补电路供负电压；负供电电源给逻辑馈电网络供正电压；

步骤2：栅压温补电路通过栅极馈电网络与输入阻抗匹配网络一输入端连接，输入阻抗匹配网络另一输入端输入射频信号，输入阻抗匹配网络输出端与微波功率管栅极连接；微波功率管漏级与输出阻抗匹配网络一输入端连接；所述漏级馈电网络是n级π型网络；其中第n级π型网络包括第n电容和第n电感；所述第一电容一端接地，第一电容另一端、第一电感一端及电源端连接，第一电感另一端与第二电感一端、第二电容另一端连接；所述第二电容一端接地；所述第二电容另一端、第三电感一端及第三电容另一端连接；所述第三电容一端接地；所述第n-1电容另一端、第n电感一端及第n电容另一端连接；第n电容一端接地；所述第n电感另一端与输出阻抗匹配网络连接；

步骤3：射频信号通过输入阻抗匹配网络后，使得微波功率管偏置于进B类静态工作点。

进一步的，所述栅压温补电路包括：负供电电源通过第一电阻R1与三极管集电极连接，三极管集电极与三极管基级之间跨接第二电阻，三极管基级通过第三电阻接地，三极管发射机接地；三极管集电极与栅极馈电网络连接，其中：

将公式((2)带入公式(1)可得，

即微波功率管栅极电压

其中，β为三极管放大系数，R1、R2、R3分别为第一电阻、第二电阻、第三电阻阻值；V_负电源为负供电电源供电电压值。

进一步的，所述n等于2到6。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明中通过栅压温度补偿电路采用的三极管BE结电压的负温度特性，当温度升高时，Vbe下降，相应的Vgs上升，从而达到调节Vgs使得漏级电流Id保持稳定的目的。

漏级馈电网络，由多组串联电感和并联电容级联，形成N节г型网络，通过该网络在传输特性上对电流瞬态响应时间的匹配性，可以很好的解决脉冲电流的快速响应问题。

经测试验证，使用本发明的新型功放电路，可以将固态功放的脉冲上升沿控制在10纳秒以内，使固态功放能适应极窄脉宽的脉冲样式；同时固态功放在-40～+55℃的温度范围内，效率可达40％以上，有效减轻了系统供电及散热压力。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是常规功放漏极馈电网络。

图2是本发明组成框图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明相关说明：

1、栅极偏置电路是给功率管提供所需栅压，使其导通。漏级偏置电路是提供功率管放大所需的直流能量。放大器输入匹配网络、放大器输出匹配网络都是现有技术设计。栅极稳步电路供负电压，漏极馈电网络供正电压。

2、通常放大器增益具有负温度曲线，即低温时增益增加，高温时增益减少。这就会导致放大器在高低温环境下增益变化量变大，有可能在低温时功率过高产生自激损坏放大器，高温时功率降低而达不到指标要求。这种现象在放大器级联后会由于每级放大器温度变化叠加而变得更加明显。

为了降低由于温度带来的功率放大器的增益变化，需要在电路中加入温度控制电路。通常做法是采用自动电平控制电路来实现。

b类放大器：放大器只有在有信号时正半周导通，没有信号时处于截止状态，功率管截止时的静态电流为零，说明功放不工作时没有静态功耗，从而使其效率比A类要高。由于B类放大器只在半个周期导通，输出有很大失真，理论上可以通过推挽电路中由于正半轴和负半轴在合成时其交界处存在失真的现象，称为交越失真。因此实际应用中B类放大器较少用到。

本发明提出了一种新型的脉冲功放电路结构，主要由馈电网络、射频通道和微波功率管三部分组成，其中，与传统功放电路的区别主要在于馈电网络。本发明的工作原理说明如下：

在快速上升沿设计方面，由于漏极馈电网络的对脉冲电流的瞬态响应决定了功放上升沿的时间，传统的漏极馈电网络采用1/4波长线，其带宽无法满足脉冲电流的快速响应。为解决电流的瞬态响应问题，采用了图2中所示的新型馈电网络(12)，由多组串联电感和并联电容级联，形成N级г型网络，通过该网络在传输特性上对电流瞬态响应时间的匹配性，可以很好的解决脉冲电流的快速响应问题。

新型功放的各组成部分如图2所示。其中，馈电网络包括：直流供电DC/DC变换器(11)、漏极馈电网络(12)、栅极馈电网络(13)、栅压温度补偿电路(14)、；射频通道包括输入阻抗匹配电路(21)、输出阻抗匹配电路(22)；主要放大器件为微波功率管(3)。

在高效率设计方面，采取将微波功率管(3)偏置于近B类静态工作点的方法，尽可能减少功放在脉冲间隙期的直流功耗，同时通过栅极温度补偿电路(14)，使微波功率管(3)在全温范围内保持内静态工作点稳定，避免静态工作电流增加导致的功放效率下降。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。