S/X频段固态功放在大功率信号合成以前都是相同的设计，只是在最后合成阶段采用的合成方法不同：其中S频段固态功放采用8路功率信号同时输入到大功率合成器，最后合成出1kW功率（采用电缆连接）；X频段固态功放采用4路径向合成加2路波导合成器的合成方式，最后输出1kW功率（采用波导连接）。

1kW固态功放的前端设计是射频激励信号先经过40W前级功放预放大，达到需要的推动功率和提供足够的增益，预放后的信号经过功分器分别送8路末级功放进行放大。

主要技术指标

• 输入、输出工作频段：7140~7235MHz（X频段），2025~2120MHz（S频段）；
• 输入信号电平：（-10±5）dBm；
• 发射功率：≥1kW，30dB动态，1dB步进（功放出口）；
• 功率稳定度：±0.7dB/12h；
• 增益平坦度：±0.5dB（±10MHz内）。

组成及工作原理

S/X频段1kW功放由8个模块合成。X频段合成器采用两级合成网络，首先由4个模块采用四路径向合成器合成输出600W功率。然后2个600W功率输出再通过2路波导合成器输出1kW功率。其优点是合成损耗小，合成效率高，推动级与功放的控制模块分离，便于功放的调试和安装。S频段1kW功放采用8个模块直接合成的方案。原理框图如图3-40、图3-41所示。

8个200W功放与主电源放置在分离的插箱内，便于模块化维修。监控单元在功放插箱内，主要提供功放模块的保护、功放各种操作功能的实现，同时负责与总监控之间的通信并上报功放工作状态参数。

监控单元及微波控制模块安装在监控插箱，包括隔离器、微波控制模块、监控单元、AC/DC电源等。监控单元提供人机界面和分控功能，接收本控指令、提供增益控制等，并分别与8个功放插箱监控通信，实时掌握全局工作状态。状态显示和分控指令均在本插箱进行。

前级驱动功放安装在另一个插箱，包括2个40W功放模块、切换开关、功分器及AC/DC电源。2个40W功放模块可互为热备份。

大功率合成器输出后连接大功率环行器、定向耦合器和收阻谐波滤波器。定向耦合器有3路输出，2路为正向功率耦合，1路为反射功率耦合。1路前向和1路反向耦合信号经检波后送整机监控，经过数据处理后完成本机输出和反射功率显示，并根据输出和反射功率的关系实现ALC功率控制和功放自动保护功能。

监控设计

监控插箱安装有隔离器、微波控制模块、监控单元、AC/DC电源等。其原理框图如图3-42所示。

微波控制模块实现输入信号的功率检波，由射频输入开关控制，设置30dB数控衰减器。ALC用于保证输出功率的稳定性，保护末级功放的输入功率在规定的安全范围内。数控衰减器和ALC衰减器联合实现输出功率的控制。ALC的功能是通过监控处理器内部的8位D/A转换器控制模拟衰减器来实现的，它的调节步进是0.1dB；当ALC功能未启动时，可以按0.1dB的步进设置输出功率，启动ALC功能后，可使输出功率稳定在设置值。

监控单元实时查询8个200W功放模块的状态，保护功放安全工作。远程监控通过网络实现，键盘和显示器提供人机交互功能，可人工设置数控衰减量及其他相关监视控制查询功能。

前级驱动设计

前级驱动插箱安装有2个40W功放模块、切换开关、功分器及AC/DC电源。2个40W功放模块可互为热备份。前级功放提供必要的增益、足够的功率以推动末级功放的工作。

该插箱的工作状态送监控插箱进行监视，开关的切换控制受监控插箱控制。当监测到其中一个前级功放出现故障时，自动切换到另一个前级功放继续工作。

200W功放设计

每个200W功放插箱由1个200W功放模块、1个监控单元、1个电源、2个风机及串口组成，并且向监控提供4路监测信号（基板温度、工作电流、发射功率和反射功率）。其原理框图如图3-43所示。

监控单元监视功放模块的温度、电流、反射功率、发射功率，保护功放管，并通过串口与1kW功放总监控插箱通信，提供本级功放的状态参数。

X频段200W功放模块采用富士通公司的60W功率管，经过6路合成输出200W功率。

功放插箱热设计

功放插箱主要由200W功放模块、监控电源模块及一块控制电路板组成，插箱采用标准插箱。为了减少散热压力，将功放主电源单独设计一个插箱，与功放插箱配对使用。功放模块、电源模块基本数据参见表3-3。

由于功放模块属大功率模块，热耗散大，热流密度高，将散热方案定为强制风冷。选择风机时，在风量满足设计需求的情况下，尽量选择噪声小的风机。采用直接抽风式冷却的优点是：风机功耗不计入系统热功耗，而且不易形成风吹不到的死角。这是目前常用的直接风冷方式。

根据各模块尺寸及散热齿外形，将功放模块放置在左侧，尽量使功放模块占用整个风道，风路如图3-44中箭头所示。少量风可兼顾其他器件的冷却。

热耗及风道计算如下。

1）功放的发热功率P为750W，假定环境温度为28℃，出风口的温度为40℃。40℃时空气的密度ρ为1.128kg/m³，空气的比热c_p=1005J/（kg·K），则系统需求的总风量为

Q=P/（ρc_pΔt）=750/[1.128×1005×（40-28）]

=0.055（m³/s）=198.5（m³/h）

2）面板通风口面积：

A₁=156×8×10+128×8×2+96×8=15 296（mm²）=0.0153（m²）

3）功放前部通风面积：

A₂=175×175.3=30 677.5（mm²）=0.031（m²）

4）功放形成的风道面积：

A₃=4.5×106×24+（175-106）×175.3=23 543.7（mm²）=0.023（m²）

5）功放后部通风面积：

A₄=A₂=0.031m²

6）各段的风速计算：

v₁=Q/A₁=3.59（m/s）；

v₂=Q/A₂=1.78（m/s）；

v₃=Q/A₃=2.4（m/s）；

v₄=Q/A₂=v₂=1.78（m/s）

根据以上的计算结果，参照风扇的系统工作曲线图，保证散热要求的前提下，同时留有一定的裕量。

功率合成器的设计

X频段固态功放采用波导功率合成器，如图3-45所示，由6个波导HT接头和1个波导魔T组合成8路功率合成器，功率容量大，合成效率高。此方案较同轴合成器插损小。

功率合成器的合成效率是1kW功放合成的关键，因此应仔细分析合成器合成效率及其影响因数。此外，为了保证设备的正常运行，还需对功放进行冗余度设计。

功率合成器损耗对合成效率的影响

假设各路放大器的特性完全一致，只考虑合成器电路损耗对合成效率的影响，合成器单元损耗不同时的合成器合成效率见表3-4，a（dB）为合成器单元的损耗。由表3-4可见，合成单元损耗越大，合成效率越低。

合成器插损受到隔离、匹配、带宽、幅度与相位一致性等因数的影响。隔离度越大、匹配越好、带宽越小，则它的损耗越低。

4路合成时幅度、相位对合成效率的影响

首先分析2路合成时的情况，4路和8路可以此类推。假设功率合成器是理想的，即插损为0时，研究如图3-46所示的输入信号幅度、相位对合成效率的影响。

当2个放大器输出功率的幅度、相位完全相同时，总输出功率为单个放大器输出功率的2倍。但实际中，2个放大器的输出功率幅度、相位不可能完全一致，而且它们之间还存在相互制约、相互矛盾的关系，即幅度一致时，相位却不能保证；当相位调整到一致时，幅度关系却变差。

设图3-46中合成器输入功率分别为P₁和P₂，相位分别为φ₁和φ₂，则总输出功率为：

下面分别就幅度和相位不一致对合成效率的影响进行分析。

1）相位一致（φ₁=φ₂），幅度不同的影响

合成功率式（3-7）简化为

合成效率为

通过具体数据来观察幅度不同对合成效率的影响，如表3-5所示。可见，相位一致时，幅度不同对合成效率的影响较小。

对于4路合成，假设2路的幅度最大，另2路的幅度最小（这种情况下的合成效率是最低的，带有普遍性），经过公式推导，结果与表3-5相同。

2）幅度一致（P₁=P₂），相位不同的影响

合成功率式（3-7）简化为

相应合成效率为

通过具体数据来观察相位不同对合成效率的影响，如表3-6所示。

可见，当幅度一致时，相位不同对合成效率的影响非常大。而且在现实中，由于功放中电路的复杂和离散性影响，在微波频段，相位相差十几度，甚至几十度都是常见的。因此，我们在功率合成过程中，将重点采用移相技术，保证相位关系的一致性，这是功率合成的成败关键。

4路合成时的相位分析有2种情况：第一种情况是2路信号的相位处于最小位置，而另2路信号的相位处于最大位置，即极限分布；另一种情况是4路信号之间的相位差相等，即均匀分布。

对于第一种情况，推导结果与2路的情况相同。对于第二种情况，推导的输出功率和效率公式如下：

下面通过具体数据比较2种情况下的相位不同对合成效率的影响，如表3-7所示。

由表中可见，均匀分布和极限分布2种情况的合成效率有很大区别。由概率论可知，均匀分布和近似均匀分布的概率是比较大的，而极限分布属于小概率事件。我们考虑较坏的情况，取2种效率的平均值。

综合影响分析

总的合成效率是各因素单独效率的乘积，根据对8路合成模型的分析，8路合成的效率应为2路合成的3次方。当幅度不平衡为0.5dB，相位差为10°时，则合成效率为

η₁=η³=（99.67%×98.29%）³=94.0%

当8路合成器插损为0.9dB时，插损对效率的影响：η₂=81.3%

则总效率为

η₀=η₁η₂=94.0%×81.3%=76.4%

当每路功放插箱的输出功率达到180W时（模块为200W），总的输出功率为

P₀=76.4%×180×8=1100（W）=60.4d（Bm）。

功放冗余度设计

整个1kW功放由8个标准的功放插箱和合成器组成。考虑到维修成本和可靠性，单个功放插箱由1个200W功放模块、1个监控单元、1个电源、2个风机组成，最小可替换单元为200W功放模块，也可单个功放插箱整体更换。当一个单元出现故障时，整机的输出功率不会下降太多。

若n为功率合成的模块数量，m为模块损坏数量，以合路器正常输出功率P=1kW计算，功放模块失效数量与总输出功率关系如下：

对应关系如表3-8所示。