功放在各领域中的应用

1、目录目录133 23 453 6功放应用不同领域功放应用不同领域 无线通信行业无线通信行业1 家电行业家电行业2 军工领域军工领域3 医疗保健业医疗保健业4 公安、消防、交通等专网公安、消防、交通等专网5无线通信领域无线通信领域直放站应用分类：直放站应用分类：无线通信领域无线通信领域u 无源互调测试仪无源互调测试仪1）可依托公司在功放及无源器件方面优势，体现与其它厂家不同点；2）出名的公司，如美国凯镭思（kaelus）无源互调测试仪在欧美市场占80%以上份额，罗森伯 格在中国占有较大份额，2013年安立（Anritsu）也推出了该产品，南京纳特也是该系列产 品；3）目标客户较多，包括运营商、设

2、备商、测量认证机构，2011年中移动进行过便携式无源互调 分析仪的招标，罗森伯格占有较大份额；4）可分为柜式和便携式，不过该产品对无源器件要求较高，功率为20W/每载波，共两载波，据 了解天馈事业部射频研发部以前做过类似产品，没有成功。无线通信领域无线通信领域u 功率容量测量仪功率容量测量仪1）可依托部门在功放及相关技术（如ATS、GUI）优势，体现与其它厂家不同点；2）澳华测控（PIMTEK）产品系列齐全，除了功率容量测量仪，也有无源互调测试仪；南京纳特 也是专业作这类产品的公司，据了解，京信公司天馈事业部就购买了该公司的产品，单频峰 值功率3000W，均值功率500W，价格在20万左右；3

3、）功放团队以前有开发这种设备经验，并针对公司内部以及外部有一定产品。音响、多媒体音频功放音响、多媒体音频功放1、功率放大器（简称“功放”）是音响系统的一个重要单元。它要将从调音台输出的音频信号经过压限器，均衡器、激励器进行加工处理，最后将这个音频信号的能量进行放大后来推动音箱，把声音送入声场。 音响、多媒体音频功放音响、多媒体音频功放2 2、按功放使用的元件来分：电子管式、晶体管式、集成电路式。、按功放使用的元件来分：电子管式、晶体管式、集成电路式。 A、电子管功放：以电子管作为功率放大的主件。（70年代前使用）。 优点：音色柔和，富有弹性，空间感强。 缺点：体积大、笨重、功率小，耗能多，工作

4、时需预热和散热。 B、晶体管功放：体积小，功率大，耗能低，技术指标高，具有良好的瞬间特性。 C、集成电路功放：噪声小，动态范围大，无需保护。 半导体微波炉半导体微波炉1 1）可依托部门在功放及批量生产方面优势，切入半导体微波炉；）可依托部门在功放及批量生产方面优势，切入半导体微波炉；2 2）美的）美的20122012年年4 4月首次提出采用月首次提出采用LDMOSLDMOS功放管实现半导体微波炉，反响剧烈，功放管实现半导体微波炉，反响剧烈，以前为磁控管需要电压以前为磁控管需要电压4000V4000V，寿命短、成本高，体积大，而半导体微波炉可，寿命短、成本高，体积大，而半导体微波炉可以采用以采用

5、32V32V或者更低，寿命长，体积小，安全，可为便携式微波炉的实现提供或者更低，寿命长，体积小，安全，可为便携式微波炉的实现提供更好解决方案，据了解，美的计划更好解决方案，据了解，美的计划20142014年销售几万台半导体微波炉；年销售几万台半导体微波炉；3 3）半导体微波炉领域较新，是目前家电厂商研究热点，是否可以通过）半导体微波炉领域较新，是目前家电厂商研究热点，是否可以通过OEMOEM业务业务切入该领域；切入该领域；4 4）车载微波炉目前属于较新产品，市场售价较高，国内厂商基本没有，主要）车载微波炉目前属于较新产品，市场售价较高，国内厂商基本没有，主要是美国厂家是美国厂家 WaveBox

6、 WaveBox提供，市场较大。提供，市场较大。半导体微波炉半导体微波炉风扇磁磁控控管管变压器风冷却风冷却供电系统发发射射微微波波腔体食物盛放加热处发射方式分类：1、侧面发射2、底部发射传统微波炉基本结构图传统微波炉基本结构图高压变压器高压变压器高压电容高压电容高压二极管高压二极管波导半导体微波炉半导体微波炉传统微波炉结构实物图传统微波炉结构实物图半导体微波炉半导体微波炉传统微波炉关键部件传统微波炉关键部件半导体微波炉半导体微波炉传传统统微微波波炉炉微微波波传传输输半导体微波炉半导体微波炉 一、磁控管一、磁控管 磁控管是微波电子管的一种，是一种重入式谐振型正交场振荡器，通常作为高功率微波能发生

7、器。它最主要的特点是高效率和低工作电压，其次是由于结构简单而带来的体积小、重量轻、使用方便、工作可靠和成本低等特点。主要用于雷达、通讯、电子对抗、微波加热等方面。 随着微波理疗、微波辐射武器、微波等离子推进、微波促进化学反应等方面的发展，磁控管行业也得到了较大发展。半导体微波炉半导体微波炉 一、磁控管一、磁控管 磁控管由于工作状态不同，可分为脉冲磁控管和连续波磁控管二类，前者主要用于雷达、通讯、电子对抗等，后者主要用于微波加热及医疗等微波设备，主要有三种：300W以下的供理疗用400-1000W供微波炉加热用1000W以上供工、农业使用 工作频率有915MHz和2450MHz两种半导体微波炉半

8、导体微波炉 一、磁控管一、磁控管 磁控管由于工作状态不同，可分为脉冲磁控管和连续波磁控管二类，前者主要用于雷达、通讯、电子对抗等，后者主要用于微波加热及医疗等微波设备，主要有三种：300W以下的供理疗用400-1000W供微波炉加热用1000W以上供工、农业使用 工作频率有915MHz和2450MHz两种半导体微波炉半导体微波炉二、磁控管工作原理二、磁控管工作原理 磁控管从原理上来讲是一种特殊的二极管，它有一个圆筒状的阴极以及一个与之同轴的阳极。在工作过程中阴极发射出的电子流在外部直流电场中获得动能，并将动能的一部分转换成振荡体系的交变电场，就使振荡体系维持稳定的振荡过程，振荡体系通过天线耦合

9、发射出微波。 重点：能量的来源；能量的交换。静态磁控管的基本特征 为了使问题简单，我们先来研究一下在平板电极系统中存在正交的直流电磁场时电子的运动特征，这样的磁控管称为“静态磁控管”。半导体微波炉半导体微波炉二、磁控管工作原理二、磁控管工作原理 假设两个无限大的相互平行的平板电极（近似磁控管的阴极与阳极）间的距离为d，两个极板之间的直流电压为V，这时两极之间的直流电场为E=V/d；两极板之间还同时存在一个与图面垂直的均匀直流磁场，其磁感应强度为B。半导体微波炉半导体微波炉二、磁控管工作原理二、磁控管工作原理1、静态磁控管中电子的运动（电场+磁场） 如无磁场，则电子逸出阴极之后，就会在电场力的作

10、用下直接向阳极运动，此电场力： 若除电场之外，在阴极阳极空间还有一个磁场，那么电子运动的轨迹就不再是直线。假设磁场强度是B，磁场方向与图面垂直，这时，电子就受到电场和磁场两种外力的作用。 磁场对电子的作用力是：在电子运动的全过程中，电场力F始终保持不变。但磁场力不但大小要变，而且方向也变。半导体微波炉半导体微波炉二、磁控管工作原理二、磁控管工作原理静态磁控管中电子的运动当磁通密度B=0时为直线1；BBKP时为曲线2；B=BKP时为曲线3；BBKP时为曲线4。半导体微波炉半导体微波炉二、磁控管工作原理二、磁控管工作原理2、磁控管中的谐振系统 多腔磁控管中的高频系统是一个有许多小的谐振腔组成的谐振

11、系统，这些小的谐振腔的数目在厘米波段上的管子中，一般可有832个，毫米波段会更多些。这些谐振腔均匀的分布在阳极圆周上，而且每一腔的缝隙口均与相互作用空间相通，每个小腔不是孤立的，他们通过相互作用空间和管子的顶部空间相互耦合在一起，从而形成一个复杂的多腔谐振系统。半导体微波炉半导体微波炉二、磁控管工作原理二、磁控管工作原理3、磁控管的自激 现在我们设想一种“展开”式的磁控管，组成阳极块的谐振腔不象平常一样排列在圆周上，而是排列成一条直线（图 12）。阳极与阴极之间有外加电源Ua构成足够大的电位差，并有一均匀磁场方向垂直图面向里。电子流在恒定磁场与电场作用下，“吹过”电谐振器，此时，电子流就按摆线

12、的轨迹运动电子流的速度达到固定值Ve时，在谐振器中建立起振荡。半导体微波炉半导体微波炉二、磁控管工作原理二、磁控管工作原理4、磁控管谐振系统的谐振模式n多腔磁控管的谐振系统是一个由N个谐振腔组成的复杂系统，我们假定各个谐振腔都是完全相同的。如果振荡已经产生，则在各个谐振腔中都有高频振荡。在不同的腔中，振荡的相位可以是不同的。但每两个相邻腔的振荡相位差应该是一样的。由于整个谐振系统是封闭的，环绕一整周时总的相位差应为零或2的整数倍。于是可得： N=2*n n=0、1、2、3、- (1) 其中N为阳极谐振腔的数目，为相邻谐振腔中电磁振荡的相位差。 由（1）式得： =2n/N (2) 也就是说，当磁

13、控管的腔数N确定后，可以有许多不同的相位差同时满足这一闭合回路的谐振条件。相应于不同的n就有不同的谐振模式，他们有不同的谐振频率和场结构。半导体微波炉半导体微波炉二、磁控管工作原理二、磁控管工作原理5、磁控管中电子与高频电磁场的相互作用磁控管中电子与高频电磁场的相互作用 （能量转换）（能量转换） 当振荡已经产生时，在相互作用空间就同时存在有四个场：恒定电场Eo、恒定磁场B0、高频电场E、高频磁场B。 如同所有其他振荡器自激的条件一样,电子沿阴极运动的平均速度与阴极谐振腔口高频场相位变化的速度同步，使电子运动经过各个腔口时始终都碰到是高频推斥场。 从物理意义上说，这一条件就意味着电子始终处于高频

14、场的减速场中，这样电子就最有效的把自己从直流电场中获得的能量交给高频场而完成能量转换的任务。半导体微波炉半导体微波炉二、磁控管工作原理二、磁控管工作原理微波炉磁控管的灯丝工作电压一般为交流33V，电流10A左右；阳极(对阴极)电压为直流4000V左右。磁控管通电工作时，灯丝被加热，同时在阴极 (灯丝)与阳极间形成高压电场，在电场作用下，阴极向阳极发射电子，阳极接收到电子而产生阳极电流。电子在到达每个扇形阳极谐振腔时，按其谐振频率振荡， 同时因环形磁钢产生的恒定磁场垂直于高压电场方向，在该磁场作用之下，电子沿着阴极、阳极间的圆周空间作摆轮曲线运动，形成一个积聚能量的旋转电子云，并 向阳极不断输送

15、，从而在阳极上获得稳定的每秒振动频率约为245亿次的微波振荡能量。微波能量的大小主要取决于阳极电压的高低和磁场的强弱，由于环形磁 钢的磁场强度恒定，故而微波输出功率主要与阳极电压相关。半导体微波炉半导体微波炉三、磁控管管芯构造三、磁控管管芯构造天线帽绝缘环均压环阳极筒灯丝天线磁极A侧阳极板磁极K侧半导体微波炉半导体微波炉四、微波炉微波传输示意图四、微波炉微波传输示意图半导体微波炉半导体微波炉半导体替代磁控管半导体替代磁控管7大核心技术：半导体大功率合成技术；半导体输出功率全程调节技术；半导体微波炉效率提升技术；加热频率自动控制技术；半导体微波馈入技术；半导体功率源负载刚性提升技术；半导体微波炉

16、匹配技术。半导体微波发生器 包括微波信号产生电路和功率放大电路另外，新概念有太阳能微波炉、云计算微波炉等。半导体微波炉半导体微波炉半导体替代磁控管半导体替代磁控管 目前半导体微波技术多采用源发生2450MHz小信号微波，再对小信号微波进行放大的原理。其中放大部分多采用两级放大，初次小信号放大和二次放大(图)。源、放大原理在大功率微波加热应用中成本高、系统复杂、设计开发困难。半导体微波炉半导体微波炉半导体替代磁控管半导体替代磁控管 240050MHz微波用于加热，对微波信号要求低，需要简化半导体微波源的微波发生原理，降低大功率半导体微波成本，提升半导体微波可靠性，提出了一种振荡式微波发生原理的半

17、导体微波，如图示。振荡式微波发生原理半导体微波炉半导体微波炉半导体微波炉工作原理半导体微波炉工作原理 LDMOS管通过自振荡电路产生频率245050MHz的微波，微波功率大小由LDMOS管的功率大小和数量决定。通过调节自振荡电路的可变电容值，可改变半导体微波输出微波频率大小根据实际食物的类型、加热状态变化时腔体驻波比大小，在245050MHz范围内选择驻波最小频率进行加热。半导体微波源所需电压为直流032V，通过调节输入电压的高低，能够调节半导体微波源的微波输出功率大小，实现半导体微波炉功率无级可调。半导体功率源包括：LDMOS管、偏压及控制电路、功率合成器、功率检测及控制电路等。偏压及控制电

18、路包括：半导体功率源输出功率检测、半导体功率源反射功率检测、半导体功率源关断信号、半导体功率源频率调整信号、半导体功率源直流+、-输入。雷达雷达1、雷达发射机的任务和基本结构雷达发射机的任务和基本结构 雷达是利用物体反射电磁波的特性来发现目标并确定目标的距离、方位、高度和速度等参数的。因此, 雷达工作时要求发射一种特定的大功率无线电信号。发射机在雷达中就是起这一作用的, 也就是说, 它为雷达提供一个载波受到调制的大功率射频信号, 经馈线和收发开关由天线辐射出去。 脉冲调制器大功率射频振荡器电 源定时信号至天线TrTrTr雷达雷达2、雷达发射机的放大器构成、雷达发射机的放大器构成固 体微波源中间

19、射频功率放大器输出射频功率放大器脉冲调制器脉冲调制器脉冲调制器定时器主控振荡器射频放大链电 源触发脉冲至天线雷达雷达2、雷达发射机的放大器构成、雷达发射机的放大器构成工作频率或波段的不同对发射机的设计影响很大, 它首先牵涉到发射管种类的选择, 例如目前在1000MHz以下主要采用微波三、四极管, 在1 000 MHz以上则有多腔磁控管、 大功率速调管、行波管以及前向波管等。在1000 MHz以上放大链通常有行波管-行波管、 行波管-速调管和行波管-前向波管等几种组成方式： 1) 行波管-行波管式放大链； 2) 行波管-速调管放大链 ；3) 行波管-前向波管放大链；雷达雷达3、雷达发射机组成框图

20、、雷达发射机组成框图第一级行波管第二级行波管定 向耦合器速测管20 mW32 dB 16 W24 dB 4 kW自固体微波源0.8 s环流器环流器稳压电源1.3 s240 V0稳压电源磁场电源调制器定时器1.3 s50 V调制器01.2 s50 V0预调器1.2 s01.0 s调制器预调器磁调压器高压电源 18 kV磁场电源0.7 s01.4 s 120 kV低压电源中压电源0.7 s50 V05 V0由测距机来的定时脉冲4 s0.8 s0.8 s钛泵电源32 dB0.8 s2.5 W至天线雷达雷达3、固态雷达发射机、固态雷达发射机 在S波段以下, 通常采用硅双极晶体管。表2.5列出了在某些雷

21、达固态发射模块中应用的大功率晶体管的特性。 在S波段以上则较多采用砷化镓场效应管(GaAs FET),目前它们的输出功率在810 GHz频率上可达20 W, 而在12 GHz以上时只有几瓦。 应用先进的集成电路工艺和微波网络技术, 将多个大功率晶体管的输出功率并行组合, 即可制成固态高功率放大器模块。 输出功率并行组合的主要要求是高功率和高效率，主要用于相控阵雷达。(a)11: n12 n1n1:11: n2132 n2输入P n2AA雷达雷达3、固态雷达发射机、固态雷达发射机微波单片集成微波单片集成(MMIC) 收发模块收发模块 微波单片集成电路采用了新的模块化设计方法, 将固态收发模块中的

22、有源器件(线性放大器、低噪声放大器、饱和放大器或有源开关等)和无源器件(电阻、电容、电感、二极管和传输线等)制作在同一块砷化镓(GaAs)基片上, 从而大大提高了固态收发模块的技术性能, 使成品的一致性好, 尺寸小, 重量轻。 12345T/R控制T/RT/R控制处理 A A A偏置控制 A A AT/R限幅器发射功率放大器环行器天线发射端口接收端口控制数据输入低噪声接收放大器超声波功率放大器超声波功率放大器超声波功率放大器超声波功率放大器超声波功率放大器超声波功率放大器用于支持无人机通信链路的功率放大器用于支持无人机通信链路的功率放大器与控制基地之间进行通信通信和联网时，需要一种能够支持安全

23、、无差错的视频和数据链路的宽带发射机。Merrimac Industries公司基于Multi-Mix多层电路技术，开发了一种定制化的功率放大器模块（PAM），从而支持这种坚固耐用的发射机功能。与行波管（TWT）功率模块相比，Multi-Mix PAM，能提供出众的平均无故障时间性能，以及在高震动的UAV/UGV环境下保持可靠通信的能力。Multi-Mix PAM能够支持超过40GHz宽带的链接并提供至少100W的功率。该模块通过熔融键合工艺将几层电路连接。电路另一面同底层金属板紧密结合，便于散热。由于电路表现出良好的热传导性，该模块能够放置嵌入式嵌入式晶体管管座，用于精简的UAV和UGV发射

24、放大器。Multi-Mix PAM可以采用由客户选定的高能器件技术，包括砷化镓（GaAs）、氮化铝（GaN）以及碳化硅（SiC）晶体管。用于卫星通信功率放大器用于卫星通信功率放大器 世界领先的高功率放大器制造商科通Xicom科技公司生产各种用于军用和商用卫星上行链路的管基和固态功率放大器（SSPA） 。产品功率范围涵盖8W至3000W，子带频率范围在2 GHz至45 GHz之间。放大器可用于固定和陆基、舰载以及机载移动装备。美国Comtech PST公司日前推出BME69189-20型固态功率放大器模块，用于空间、冷却和功率受限的电子战、雷达和通信系统。氮化镓基BME69189-20微波模块在

25、618 GHz频率范围运行时输出功率为20瓦。它可提供超宽带运作、高效率，在整个带宽全功率输出，坚固可靠，具有低谐波失真，并且紧凑和轻巧。功率电子器件输出功率20瓦时具有41分贝增益。宽带短波通信核磁共振核磁共振MRI射频功放射频功放作为磁共振成像设备中射频系统重要的组成部分，射频功放在发射通道中发挥着重要作用。高效率，高线性，高可靠性以及高功率是射频功放最重要的技术指标。采用先进的LDMOS半导体器件，实现宽范围输入信号下的高线性度；工作于class AB 状态的功放实现高效率和高功率的完美结合。核磁共振核磁共振低低场核磁共振成像系统射频功放：场核磁共振成像系统射频功放：功率等级，50W、1

26、00W、200W、300W、500W频率范围，10MHZ-30MHZ保护，输出驻波保护，输入功率保护，过温保护小尺寸，低成本高线性度，高可靠性，平均无故障时间大于20000小时低噪声，低相位误差精准的门控，延迟小于100nS 用途：MRI教学仪器、食品检测、植物种子无损检测、岩石标本检测等MRI成像系统 核磁共振核磁共振高场核磁共振成像系统射频功放：高场核磁共振成像系统射频功放：功率等级，1KW、3KW、5KW、6KW频率范围，5MHZ-30MHZ，30-60MHZ可靠的保护功能，输出驻波异常保护，输入功率异常保护低成本，小尺寸，3UU机箱高线性度，高可靠性，平均无故障时间大于20000小时低

27、噪声，低相位误差 用途：0.5T-3T医疗MRI设备、MR设备核磁共振核磁共振MRI射频功放由驱动功放、数控步进衰减器、末级功放、输入和输出功率检测电路、多功能自动控制电路组成。功率放大器中设置有一个多功能控制保护电路。多功能控制保护电路由三部分组成：检测、采样保护、MCU控制。多功能控制保护电路保证固态功率放大器的可靠稳定工作，在输入信号过大、过热、开路、短路、过流情况下保护功放，并提供功放的工作状态。当确认故障排除后，可通过远程恢复，推动功率放大器自行启动进入工作状态。核磁共振核磁共振核磁共振核磁共振梯度功率放大器梯度功率放大器其它电磁线圈相关的应用领域，包括：核磁共振、加速器中的粒子分析、半导体加工、动态扫描、材料分析最广泛的工作范围最广泛的工作范围我们的大功率梯度放大器可在 3 kW至300 kW 的峰值功率范围内工作，输出电压介于150V 至2100V之间。 梯度放大器是