探析高功率放大器的適用環(huán)境與安全性

陳剛

（中華通信系統(tǒng)有限責(zé)任公司河北分公司 河北石家莊 050000）

寬帶擴(kuò)大器的設(shè)計者必須適應(yīng)各種條件下不同的設(shè)計要求，所以如果想要擴(kuò)大放大器設(shè)備在不同環(huán)境和不同領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，就一定要將設(shè)計的考量范圍擴(kuò)大，運(yùn)用線性設(shè)計的方法，從而保證放大器在處理諧波頻譜的過程當(dāng)中實(shí)現(xiàn)全反射。除此之外，還應(yīng)當(dāng)考察不同的應(yīng)用領(lǐng)域，如雷達(dá)、發(fā)射機(jī)等應(yīng)用領(lǐng)域而言，擴(kuò)大器還需要可以接受輸入輸出端很大的失配電流，這往往是因?yàn)榻尤肓朔糯笃鞯奶炀€系統(tǒng)，并且終端可以負(fù)載的大小也有不同的情況，還可能由于裝置對象本身具有不同的反射性能，而導(dǎo)致擴(kuò)大器的接受情況有所不同。如果在以上的這些領(lǐng)域當(dāng)中引入放大器，則擴(kuò)大器的強(qiáng)健性至關(guān)重要，要保證其在使用過程當(dāng)中處于穩(wěn)定狀態(tài)不易損壞。因?yàn)榉糯笃鲹p壞所造成的無法檢測結(jié)果會造成工程癱瘓，這將意味著整個工程的時間成本將增加，從而導(dǎo)致施工延誤的情況發(fā)生，使得整個工程的成本提高，影響工程最終的經(jīng)濟(jì)效益。因此從經(jīng)濟(jì)的視角來看，這會導(dǎo)致前期的成本及后期的維護(hù)運(yùn)用成本有所提高。因此，放大器設(shè)備的安全性和易維護(hù)性是實(shí)現(xiàn)上述總體施工效益的重中之重。除此之外，還應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，如果想要有效地減少大功率放大器的施工費(fèi)用和日后維護(hù)的費(fèi)用，就必須盡量增加功率效率。本文將就此展開詳盡論述，認(rèn)為在為某一種特殊用途尋找放大器的時候，最關(guān)鍵的條件是能夠在特定的客觀環(huán)境當(dāng)中使得標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的設(shè)計參數(shù)都能夠適應(yīng)環(huán)境的要求，從而讓不同功率的放大器或變壓器參數(shù)時使用方法不相同的放大器物盡其用［1］。

1 高功率寬帶放大器設(shè)計的問題與挑戰(zhàn)

產(chǎn)品設(shè)計高輸出功率的寬頻放大時，工程人員必須考慮寬度、增益、輸入輸出電量及其在不同頻率和不同的相位狀態(tài)之時可能會出現(xiàn)失配的情況，這就導(dǎo)致其行為特征出現(xiàn)異質(zhì)，因此線性程度有所不同，諧波特征也有所不同，還應(yīng)當(dāng)考慮其中功率、效率等部分的影響情況，從而能夠得到一個比較合理和規(guī)范的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在工程當(dāng)中，眾多技術(shù)指標(biāo)往往都是相互聯(lián)系的，如果給出了一個特定的晶體管，則該種類確定之后，設(shè)計的寬度也要隨之變化，信號電路獲取的輸出功率最小值和最大值也隨之發(fā)生了變化，這樣輸出功率也有所不同。同樣，功放管的壽命也非常取決于放大電路的散熱能力設(shè)計，以及在功放管外圍的保護(hù)電路。

針對A類增強(qiáng)器，結(jié)晶管往往偏位于某個很大的靜態(tài)電壓上，這樣一來就能夠獲得一種極為線性的增強(qiáng)特征，但同時也要承擔(dān)很差的功耗效果，從而對結(jié)晶管產(chǎn)生了較大的散熱方面的要求［2］。

一旦使用Gan晶體管，結(jié)溫的降低將對壽命有更大的好處。由于目前的熱功率放電管技術(shù)可以產(chǎn)生更大的熱射頻功率密度，并獲得更緊湊、更小規(guī)模的熱放大電路，因此，設(shè)計問題就變成了如何設(shè)計更合理的散熱結(jié)構(gòu)，以克服功率放電管散熱產(chǎn)生的巨大熱量。對于A類放大器，這通常很難實(shí)現(xiàn)，因此需要更多的晶體管設(shè)計，并降低每個晶體管的最大功率輸出，以克服散熱容量的計算問題。然而，在沒有射頻技術(shù)輸入的情況下，A型放大器通常仍能產(chǎn)生良好的結(jié)溫。主要原因是形成了較大的靜態(tài)偏置電流。因此，一旦空氣散熱能力的設(shè)計處理不當(dāng)，應(yīng)用壽命將大大縮短。

對于特定的應(yīng)用領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)最高功率輸出并不總是需要寬帶放大，通過EMS測試。例如，在200V/s的EMS系統(tǒng)中，通過向EMS天線系統(tǒng)增加頻率放大而產(chǎn)生的電能的校正曲線。人們可能會看到，一定的場強(qiáng)必須通過不同的電力生產(chǎn)來實(shí)現(xiàn)。在100MHz時，所需的最大正向輸出功率可能在1050W以內(nèi)，但在200MHz及以上時，所需的最大正向輸出功率降低到600W以下，一些高頻點(diǎn)甚至可以降低到400W以下。然而，在這些特定的EMS領(lǐng)域，AB類放大器比A類放大器具有更好的效率，因此，晶體管可以在較低的結(jié)溫下形成更長的使用壽命。

不要選擇高輸出功率寬帶放大器，因?yàn)槌唏v波比會給晶體管內(nèi)部帶來很大壓力。此外，由于反饋射頻傳導(dǎo)，輸出功率將在反向放大電路中消失，從而提高晶體管的結(jié)溫。為了避免超高駐波比對反向放大的影響，有必要設(shè)計合理的低輸出功耗結(jié)構(gòu)電路，這可以通過使用高散熱系統(tǒng)和合理的布局方法來實(shí)現(xiàn)，主要是通過在相應(yīng)的熱點(diǎn)布置熱傳感器和其他設(shè)備，或者通過監(jiān)測晶體管相應(yīng)的電壓和電流變化。此外，功率放大器設(shè)計師和產(chǎn)品設(shè)計師還必須確定如何增加零五導(dǎo)體公司適當(dāng)數(shù)量的無線電功率單元，以確保放大電路在極低駐波比的情況下是否仍能提供適當(dāng)?shù)恼蜉敵龉β剩蛘叻糯箅娐肥欠衲茉谔囟v波比的條件下后退，更多的半導(dǎo)體無線電功率單元意味著更昂貴的放大電路需要更高的市場價格。

2 高功率放大器適用環(huán)境的相關(guān)要求

2.1 環(huán)境適應(yīng)性要求

適宜的環(huán)境保護(hù)工程項(xiàng)目是指與工程設(shè)計、試驗(yàn)和制造有關(guān)的各種活動，能夠滿足人們系統(tǒng)地適應(yīng)自然環(huán)境的定性和定量需求。環(huán)保適用工程設(shè)計內(nèi)容：環(huán)保適用工程設(shè)計、環(huán)保適用試驗(yàn)等，分階段實(shí)施。通過該產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)計劃，可以確定該產(chǎn)品的研發(fā)階段。產(chǎn)品設(shè)計的研究階段一般是討論階段、產(chǎn)品設(shè)計方案論證、過程討論階段（包括設(shè)計定稿階段）、生產(chǎn)階段［3］。

2.2 確定各階段工作項(xiàng)目

環(huán)境適應(yīng)性工作項(xiàng)目的適配，必須根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對環(huán)境裝備開發(fā)的實(shí)際需求、開發(fā)合同內(nèi)容及標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)文件中環(huán)境適應(yīng)性工作項(xiàng)目內(nèi)容的規(guī)定而進(jìn)行適當(dāng)剪裁，或去除標(biāo)準(zhǔn)對產(chǎn)品中不適宜和不必要內(nèi)容的規(guī)定，或調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)條文規(guī)定或增補(bǔ)在標(biāo)準(zhǔn)中沒有提及的各項(xiàng)規(guī)定。

2.3 環(huán)境適應(yīng)性工作項(xiàng)目評估

設(shè)計師系統(tǒng)地協(xié)助科研計劃主管部門所編制的環(huán)境工程工作計劃，要與可行性、維護(hù)性、保障性、安全等各種環(huán)境管理工作目標(biāo)協(xié)調(diào)性統(tǒng)一，減少不必要的環(huán)境管理的復(fù)雜性。同時，科研規(guī)劃部門還必須將環(huán)境工程的具體工作計劃納入科研生產(chǎn)主計劃，通過科研生產(chǎn)主計劃網(wǎng)絡(luò)圖實(shí)施具體計劃管理，環(huán)境工程工作計劃部門通常需要包括以下內(nèi)容：（1）協(xié)議及相關(guān)文件中規(guī)定的環(huán)境適應(yīng)性條件；（2）各環(huán)境工程項(xiàng)目負(fù)責(zé)部門及人員；（3）建設(shè)項(xiàng)目內(nèi)容和主要特點(diǎn)、各類環(huán)境工程的建設(shè)范圍、時間條件和竣工形式，以及項(xiàng)目竣工結(jié)果的檢查和評價方法；（4）環(huán)境工程中與工程設(shè)計和可靠性的接口合作；（5）環(huán)境工程工作的評估要求；（6）環(huán)境工程工作所需的科學(xué)技術(shù)資料等。

2.4 制定環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計準(zhǔn)則

制定環(huán)保適應(yīng)性設(shè)計規(guī)范要求，指導(dǎo)設(shè)計人員進(jìn)行環(huán)保設(shè)計。（1）根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、手冊和施工經(jīng)驗(yàn)，制定專門的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計規(guī)范，供設(shè)計人員使用；由于各種環(huán)境要求對產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量的影響和機(jī)理不同，有必要針對不同的環(huán)境條件給出具體的環(huán)境保護(hù)和適當(dāng)?shù)脑O(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。（2）環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計規(guī)范應(yīng)是工程設(shè)計評價的基礎(chǔ)。待確定的事項(xiàng)包括產(chǎn)品的環(huán)保適應(yīng)性設(shè)計條件，主要涉及環(huán)保特性和材料應(yīng)力強(qiáng)度要求（量值和影響時限），以及對環(huán)保適應(yīng)性產(chǎn)品設(shè)計條件的限制性要求［4］。

2.5 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計

設(shè)計師組織設(shè)計者系統(tǒng)實(shí)施環(huán)境條件適宜工程設(shè)計，使所設(shè)計的產(chǎn)品能夠達(dá)到所規(guī)范的環(huán)保環(huán)境適應(yīng)性要求。在設(shè)計中應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵循環(huán)境條件適宜準(zhǔn)則，根據(jù)相關(guān)環(huán)境條件和合適的設(shè)計手冊，選擇合適的環(huán)境工程設(shè)計技術(shù)和方法，使產(chǎn)品達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境適應(yīng)水平，應(yīng)考慮適合工程設(shè)計的環(huán)境條件要點(diǎn)：（1）完善適合設(shè)計和施工工藝的環(huán)境條件；（2）合理地設(shè)計剩余量（耐環(huán)境條件的剩余量）；（3）避免瞬態(tài)過殘余應(yīng)力影響的預(yù)防措施；（4）采用耐環(huán)境性強(qiáng)的零部件、電子器件和建筑材料；（5）采取保護(hù)措施改善環(huán)境或減少影響，如投資凍結(jié)措施、降噪措施等；（6）保護(hù)涂層（如工業(yè)涂層）設(shè)計或應(yīng)用于產(chǎn)品。

在工程設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)專門的環(huán)境保護(hù)適宜工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行環(huán)境保護(hù)適宜工程設(shè)計。自然環(huán)境適宜產(chǎn)品設(shè)計工作，應(yīng)當(dāng)同工業(yè)自然環(huán)境適宜研究試驗(yàn)、工程應(yīng)用環(huán)境試驗(yàn)、農(nóng)業(yè)自然環(huán)境測試和其他工程設(shè)計研究試驗(yàn)緊密結(jié)合，運(yùn)用這些試驗(yàn)的有關(guān)信息，對當(dāng)前所存在的工業(yè)自然環(huán)境適宜脆弱環(huán)節(jié)，進(jìn)行了合理設(shè)計措施和加以完善。同時，還應(yīng)貫徹自然環(huán)境適宜的評估準(zhǔn)則，利用自然環(huán)境研究試驗(yàn)和使用農(nóng)業(yè)自然環(huán)境試驗(yàn)的成果，對高功率反相放大器進(jìn)行自然環(huán)境適宜評估，并滿足工程設(shè)計要求。

3 高功率放大器的安全性相關(guān)要求

多功率放大器是大功率多電壓信號設(shè)備，安全既影響著人員、機(jī)器設(shè)備的安全性和系統(tǒng)效率，又控制著作戰(zhàn)目標(biāo)的完成度，為了保證系統(tǒng)的正常操作使用，需要保障人員、機(jī)器設(shè)備的健康安全性［5］。

3.1 高功率放大器的安全一般要求

（1）根據(jù)系統(tǒng)設(shè)備的特點(diǎn)，及時采取經(jīng)濟(jì)合理的方式實(shí)施安全設(shè)計，滿足系統(tǒng)和全站的安全要求，提高其應(yīng)用效率。

（2）通過系統(tǒng)可靠性分析方法，判斷系統(tǒng)設(shè)備可能存在的風(fēng)險，并從設(shè)計方案中去除風(fēng)險。如果確定的風(fēng)險無法降低，則通過設(shè)計措施將風(fēng)險降至最低。

（3）在方案設(shè)計中，系統(tǒng)各設(shè)備部分應(yīng)合理配置，設(shè)計人員應(yīng)盡量避免在使用、維護(hù)、維護(hù)等工作過程中可能出現(xiàn)的隱患。

（4）在系統(tǒng)站的工程設(shè)計中，應(yīng)充分考慮在使用和維護(hù)過程中可能對人因失誤造成的危害，并在工程設(shè)計中采用防錯設(shè)計，以盡量減少對人因失誤可能造成的危害，并采取相應(yīng)的對策。

（5）設(shè)計由軟件管理或監(jiān)控的功能，以盡量減少危險事件或故障的發(fā)生。

（6）面對可能的一級和二級危險或A、B級危險風(fēng)險，報告、預(yù)防措施或任何類型的提示不應(yīng)被視為降低風(fēng)險的唯一主要措施，但在系統(tǒng)工程設(shè)計中，應(yīng)采取其他適當(dāng)?shù)姆椒ê皖A(yù)防措施，以避免發(fā)生I類和II類危險或A、B類可能性級別的危險。

3.2 高功率放大器的安全危害評估與處理

為了降低危害，應(yīng)當(dāng)首先明確危害的程度和危險可能性分級，并進(jìn)行危險性評價，然后根據(jù)有關(guān)危險性的評價結(jié)果對已確定的危害按照安全措施的優(yōu)先順序，并采用安全設(shè)計方法來減少可能產(chǎn)生的危害。在方案設(shè)計初期的風(fēng)險評價中，必須著重考察風(fēng)險的必要性，這樣就為方案設(shè)計確定提供了基礎(chǔ)；而一旦某種風(fēng)險在方案設(shè)計初期就無法消除，那么風(fēng)險評價人員將綜合考察風(fēng)險產(chǎn)生的可能性和后果及其對風(fēng)險的影響，從而進(jìn)行已確認(rèn)風(fēng)險的優(yōu)先次序和完善措施［6］。

3.3 高功率放大器的安全性工作項(xiàng)目

根據(jù)已完成的產(chǎn)品項(xiàng)目計劃，還必須執(zhí)行各實(shí)施環(huán)節(jié)的大功率放大器安全計劃。安全工作項(xiàng)目的編輯必須按照企業(yè)設(shè)備開發(fā)、開發(fā)合同的具體要求和相關(guān)文件中關(guān)于安全工作項(xiàng)目管理的規(guī)定進(jìn)行，以去除對生產(chǎn)中不正確和不必要的規(guī)定，以及在有關(guān)條文規(guī)定或補(bǔ)充生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)中所沒有包含的各項(xiàng)規(guī)定。

必須根據(jù)安全管理要求和內(nèi)容編制安全管理計劃。經(jīng)過該管理工作計劃的制訂，就可以合理地安排各個作業(yè)階段，指導(dǎo)安全作業(yè)，調(diào)整各個部門，統(tǒng)一管理安全設(shè)施，以及監(jiān)控設(shè)施裝置的壽命周期，使其對全部保安管理工作目標(biāo)都了然于胸，從而大大提高施工的安全、可靠度、穩(wěn)定能力、保障性，增強(qiáng)了工程設(shè)計管理的綜合能力，減少了無謂的安全作業(yè)重復(fù)。在進(jìn)行生產(chǎn)規(guī)劃的制定之時，也就必須把基本安全作業(yè)規(guī)劃融入設(shè)計內(nèi)容，以便于形成一種清晰全面的施工規(guī)劃圖，促進(jìn)在現(xiàn)實(shí)施工作業(yè)中的安全規(guī)劃管理?；景踩鳂I(yè)規(guī)劃內(nèi)容通常包括：（1）基本安全規(guī)定和一般安全作業(yè)項(xiàng)目規(guī)定；（2）各種安全工作項(xiàng)目的責(zé)任機(jī)關(guān)、責(zé)任管理人員；（3）各種安全工作項(xiàng)目的具體范圍、實(shí)施階段、時間規(guī)定；（4）安全考核條件。

在產(chǎn)品開發(fā)過程中，應(yīng)有有效的風(fēng)險報告、預(yù)測及改善的控制制度，設(shè)置風(fēng)險日志記錄，根據(jù)用戶提出的要求降低的危險及可接受風(fēng)險的不同程度，對已確定的超過及超出用戶規(guī)定的最低限額的危險進(jìn)行記錄于風(fēng)險日志中，并完整記錄降低危險或降低有關(guān)危險采取的不同手段。

4 結(jié)語

在系統(tǒng)工程當(dāng)中，在安全性設(shè)計足夠準(zhǔn)確與詳盡之時，才可以進(jìn)行更加精確、系統(tǒng)的風(fēng)險分析工作。系統(tǒng)分析方法將隨著工程設(shè)計的進(jìn)展而不斷調(diào)整，對所有子系統(tǒng)及部件進(jìn)行綜合分析，并評估了與使用情況和故障模式有關(guān)的風(fēng)險，尤其是對整個系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，提出了降低系統(tǒng)已判定的風(fēng)險或降低其危險性所需的措施外，還應(yīng)評估設(shè)計變化將如何影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。選用部分系統(tǒng)的危險性分析技術(shù)后，還應(yīng)減少給系統(tǒng)危險性分析方法所造成的損失。在評價應(yīng)用問題對部分操作系統(tǒng)風(fēng)險管理成果的影響后，還需要跟蹤操作系統(tǒng)和應(yīng)用發(fā)展過程中不同階段的數(shù)據(jù)結(jié)果，以便于及時發(fā)現(xiàn)需要解決的應(yīng)用問題，并采取措施。在工程設(shè)計和研制過程中的安全條件以及為減少危害而采取的工程設(shè)計、控制裝備、安全裝置等措施，必須采用化學(xué)分析、檢測等技術(shù)手段來檢驗(yàn)；對國家安全有危害的關(guān)鍵設(shè)備和軟件以及無法用分析或檢測等方式證明的安全措施，都可以通過誘發(fā)故障或模擬故障的可靠性測試來證明。如果安全性試驗(yàn)因?yàn)槭召M(fèi)太高而無法有效時，也可采用工程分析、類推、試驗(yàn)室試驗(yàn)、功能模擬及小尺寸模擬來進(jìn)行，以滿足要求。