一种星载固态功率放大器抗微放电的方法及匹配电路技术

本发明专利技术提供了一种星载固态功率放大器抗微放电的匹配电路，包括输入匹配电路、输出匹配电路、功率晶体管以及栅极电压、漏极电压，栅极电压通过输入匹配电路输出端接入功率晶体管栅极，漏极电压通过输出匹配电路输入端接入功率晶体管漏极，功率晶体管源极接地，输出匹配电路包括主路微带线、两条支路微带线以及隔直电容，所述主路微带线的一端连接至功率晶体管漏极，另一端与隔直电容的一端连接，隔直电容的另一端作为输出匹配电路输出端；所述两条支路微带线的一端均接至主路微带线，另一端均悬空。采用本发明专利技术的匹配电路实现了单路微波功率放大器输出大于100W，微放电余量6dB的要求，有效解决了大功率微波固态功率放大器的星载微放电问题。

A method of anti micro discharge and matching circuit for solid-state power amplifier on board

【技术实现步骤摘要】
一种星载固态功率放大器抗微放电的方法及匹配电路
本专利技术涉及固态功率放大器领域，一种L、S波段星载固态功率放大器抗微放电的方法及匹配电路。
技术介绍
微放电又称为电子二次倍增效应，是一种真空谐振放电现象，原理图如图1。在真空中，电子被高频电场加速并撞击金属表面会引发电子二次发射。如果该金属表面二次电子发射系数大于1，并且该高频场的频率、场强和金属表面的距离满足一定条件，即可引发二次电子的倍增放大，引起放电。微放电现象可能导致以下危害：a)导致谐振类设备失谐，造成输出滤波器、多工器等的功能失效、系统输出功率的下降以及某些设备的损坏(如多工器的探针，隔离器负载等)；b)导致金属内部气体的逸出，由此而产生更为严重的气体放电；c)对电缆及连接器的表面产生慢性电蚀，最终导致其失效；d)产生远高于热噪声的附加噪声(约30dB)。国内现有的抗微放电设计技术主要针对如滤波器、多工器、隔离器等大功率无源器件，如专利技术专利“CN105449329抑制星载高功率微波铁氧体环行器微放电的设计方法”。大功率无源器件的抗微放电仿真技术和试验验证技术较为成熟，而对固态功率放大器类的有源电路抗微放电设计技术没有相关报道。微放电现象与输出功率和工作频率有关，输出功率越大，工作频率越低越容易发生微放电现象。目前星载L波段单路微波功率放大器的输出功率已经达到100W以上，整机固态功放达到200W，与以往的星载固态功放相比，输出功率增加了5倍，根据星载微放电的设计要求，需要微放电设计余量至少大于6dB，现有技术无法支持大功率固态功放的星载应用需求。根据微放电原理，两个金属表面之间存在间隙，同时存在高频时谐电场，微放电就可能发生。发生微放电的电场强度与部件内部缝隙尺寸和微波频率乘积有关，如图2所示。常用固态功放的匹配电路如图3所示，微放电的高风险区域主要有两处，集中在功率放大器的输出端，一是功率晶体管输出引脚和输出匹配电路的缝隙处，如图5所示；二是输出匹配电路的并联电容处，如图3所示的C3和C4，由于受电容尺寸限制，匹配电路和地之间的距离d1和d2过小，易发生微放电。
技术实现思路
针对上述存在的问题，提供了一种L、S波段星载固态功率放大器抗微放电的方法及匹配电路。本专利技术采用的技术方案如下：一种星载固态功率放大器抗微放电的匹配电路，包括输入匹配电路、输出匹配电路、功率晶体管以及栅极电压、漏极电压，栅极电压通过输入匹配电路输出端接入功率晶体管栅极，漏极电压通过输出匹配电路输入端接入功率晶体管漏极，功率晶体管源极接地，其特征在于，输出匹配电路包括主路微带线、两条支路微带线以及隔直电容，所述主路微带线的一端连接至输出匹配电路输入端，另一端与隔直电容的一端连接，隔直电容的另一端接至输出匹配电路输出端；所述两条支路微带线的一端均接至主路微带线，另一端均悬空。进一步的，所述两条支路微带线等效两个接地的并联电容。进一步的，所述主路微带线由依次串联的第一微带线、第二微带线、第三微带线组成，第三微带线与电容连接，第一微带线与功率晶体管漏极连接。进一步的，所述第一微带线、第二微带线、第三微带线具有不同的阻抗。进一步的，所述两条支路微带线分别为第四微带线、第五微带线，所述第四微带线的一端与第一微带线相接，另一端悬空；所述第五微带线的一端与第三微带线相接，另一端悬空。进一步的，所述漏极电压通过四分之一波长传输线连接至第一微带线与功率晶体管漏极相接的一端。本专利技术还提供了一种星载固态功率放大器抗微放电方法，适用于功率放大器的输出匹配电路，输出匹配包括主路微带线和连接在主路微带线上的两个并联的接地电容，其特征在于，分别采用微带线替换两个接地电容，替换后的微带线一端接至主路微带线，另一端悬空；通过调节微带线的阻抗使功率晶体管输出引脚处的电压波形全为正值，实现功率放大器的抗微电。进一步的，所述微带线的阻抗均可通过线宽与线长调节，阻抗与替换的电容满足如下关系：其中，C为电容，电长度θ＜π/2，ω为工作角频率，Z0为微带线特性阻抗。与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：提高了星载固态功率放大器的抗微放电能力，实现导航、通信等卫星平台L、S波段固态功放连续波输出200W以上，单路微波功率放大器输出大于100W，微放电余量6dB的的要求，有效解决了大功率微波固态功率放大器的星载微放电问题。附图说明图1是微放电原理框图。图2是微放电电压与频率和间隙乘积之间的关系图。图3是现有固态功率放大器匹配电路原理框图。图4是本专利技术固态功率放大器匹配电路原理框图。图5是本专利技术微波功率晶体管安装示意图。图6是本专利技术固态功率放大器输出引脚处的电压电流波形示意图。附图标记：1-功率晶体管，2-输入匹配电路，3-输出匹配电路，21-第六微带线，22-第七微带线，23-第二四分之波长传输线，31-第一微带线，32-第二微带线，33-第三微带线，34-第一四分之波长传输线，35-GND，36-第四微带线，37-第五微带线。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步描述。如图4所示，一种星载固态功率放大器抗微放电的匹配电路，包括输入匹配电路(2)、输出匹配电路(3)、功率晶体管(1)以及栅极电压Vgs、漏极电压Vds，栅极电压通过输入匹配电路输出端接入功率晶体管栅极，漏极电压通过输出匹配电路输入端接入功率晶体管漏极，功率晶体管源极接地，所述输出匹配电路包括主路微带线、两条支路微带线以及隔直电容，所述主路微带线的一端连接至功率晶体管漏极，另一端与隔直电容的一端连接，隔直电容的另一端作为输出匹配电路输出端；所述两条支路微带线的一端均接至主路微带线，另一端均悬空。在一个实施例中，所述功率晶体管为400W非内匹配微波功率晶体管。输入匹配电路(2)，包含不同阻抗的第六微带线(21)和第七微带线(22)，稳定电阻R1，第二四分之一波长线(23)，隔直电容C1。主要作用是把功率晶体管(1)的输入阻抗匹配到50Ω。输出匹配电路(3)，包含不同阻抗的串联第一微带线(31)、第二微带线(32)、第三微带线(33)，第一四分之一波长线(34)，隔直电容C2，并联第四微带线(36)、第五微带线(37)。主要作用是把功率晶体管(1)的输出阻抗匹配到50Ω。其中，输入匹配电路(2)，包含第六微带线(21)、第六微带线(22)，稳定电阻R1，第二四分之一波长线(23)，隔直电容C1；输入匹配电路输入端接至隔直电容C1的一端，隔直电容C1另一端依次连接第六微带线(21)、第六微带线(22)、功率晶体管(1)的栅极；栅极电压Vgs通过依次通过四分之一波长传输线(23)、电阻R1连接至功率晶体管(1)栅极。所述输入匹配电路将功率晶体管(1)的输入阻抗匹配至50Ω。所述第六微带线(21)和第六微带线(22)具有不同阻抗。输出匹配电路(3)，包括输出匹配电路包括主路微带线、两条支本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种星载固态功率放大器抗微放电的匹配电路，包括输入匹配电路、输出匹配电路、微波功率晶体管以及栅极电压、漏极电压，栅极电压通过输入匹配电路输出端接入功率晶体管栅极，漏极电压通过输出匹配电路输入端接入功率晶体管漏极，功率晶体管源极接地，其特征在于，输出匹配电路包括主路微带线、两条支路微带线以及隔直电容，所述主路微带线的一端连接至输出匹配电路输入端，另一端与隔直电容的一端连接，隔直电容的另一端接至输出匹配电路输出端；所述两条支路微带线的一端均接至主路微带线，另一端均悬空。/n

【技术特征摘要】
1.一种星载固态功率放大器抗微放电的匹配电路，包括输入匹配电路、输出匹配电路、微波功率晶体管以及栅极电压、漏极电压，栅极电压通过输入匹配电路输出端接入功率晶体管栅极，漏极电压通过输出匹配电路输入端接入功率晶体管漏极，功率晶体管源极接地，其特征在于，输出匹配电路包括主路微带线、两条支路微带线以及隔直电容，所述主路微带线的一端连接至输出匹配电路输入端，另一端与隔直电容的一端连接，隔直电容的另一端接至输出匹配电路输出端；所述两条支路微带线的一端均接至主路微带线，另一端均悬空。


2.根据权利要求1所述的匹配电路，其特征在于，所述主路微带线由依次串联的第一微带线、第二微带线、第三微带线组成，第三微带线与电容连接，第一微带线与功率晶体管漏极连接。


3.根据权利要求2所述的匹配电路，其特征在于，所述第一微带线、第二微带线、第三微带线具有不同的阻抗。


4.根据权利要求3所述的匹配电路，其特征在于，所述两条支路微带线分别为第四微带线、第五微带线，所述第四微带线的一端与第一微带线相接，另一端悬空；所述第五微带线的一端与第三微带线相接，另一端悬空。

...

【专利技术属性】
技术研发人员：敬小东，周祎，魏彦江，邱钢，王海龙，杨光，刘禹祈，郭少彬，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第二十九研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51