幅相平衡對(duì)功率合成的影響分析及應(yīng)對(duì)措施

在無(wú)線通信發(fā)射系統(tǒng)中，功率放大器是最關(guān)鍵的單機(jī)，在各種類型的發(fā)射機(jī)中功率放大器占整個(gè)發(fā)射系統(tǒng)功耗的60% 以上甚至90%，成為影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。因此，提高功率放大器的效率對(duì)減少能源消耗、減輕熱設(shè)計(jì)壓力、降低產(chǎn)品成本都有重要意義。

因單個(gè)有源放大器件輸出功率受限，在大功率功放中經(jīng)常采用功率合成的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)整機(jī)輸出功率指標(biāo)，由于功率管及其附屬電路均不可避免存在一些差異，導(dǎo)致合成的各路信號(hào)在幅度和相位上均會(huì)不一致，最終會(huì)影響到功率合成的效率及整機(jī)的增益等指標(biāo)。

1 發(fā)射機(jī)功率合成理論

圖1 N路功率合成網(wǎng)絡(luò)

一般N路功率合成原理如圖1，假設(shè)其為無(wú)耗網(wǎng)絡(luò)，則其S參數(shù)為：

   (1)

設(shè)?_i為合成器第i 路的輸入信號(hào)相位， G_i為第i路信號(hào)的功率增益（可以通過(guò)功率增益獲得放大后的信號(hào)幅度），則n 路功率合成的效率為：

   (2)

由以上公式可以得出如下結(jié)論：

1）功率合成的效率不僅與合成器本身的幅度和相位相關(guān)，更與輸入的各放大單元的信號(hào)幅度和相位相關(guān)；

2）當(dāng)合成器設(shè)計(jì)好以后，其參數(shù)就已經(jīng)確定。只有各功放單元輸出信號(hào)的幅度和相位可供我們調(diào)整。

2 不同增益和相位下的合成效率

在功放單元中功率合成網(wǎng)絡(luò)對(duì)功放整機(jī)的增益與效率是非常重要的，為敘述簡(jiǎn)便，下面以兩路同相合成原理來(lái)說(shuō)明幅度和相位在功率合成中的作用。設(shè)兩路輸入信號(hào)為：

V₁=e^jωt

V₂=(1+δA)e^jωte^jδ?   (3)

δA，δ?分別代表兩路信號(hào)的幅度和相位的不一致性。則輸出為：

V_out=V₁+V₂

   (4)

定義兩路信號(hào)幅度較大的信號(hào)幅度為1，則δA為一取值為-1~0 的負(fù)值，δA=0 表示兩路信號(hào)幅度完全平衡，此時(shí)若δ? = 0 ，即相位也完全平衡，則合成輸出的幅度為2，合成效率達(dá)到100%，實(shí)際中有傳導(dǎo)損耗等功率損失，不可能達(dá)到100% 的合成效率，但是可以得出結(jié)論：對(duì)幅度和相位的平衡要求是獲得高效率功率合成的充要條件。下面分步討論：

1）幅度完全平衡時(shí)δA=0 ，相位不平衡δ?=0 時(shí)對(duì)合成效率的影響：

此時(shí)，合成輸出的幅度為：

   (5)

相對(duì)理想合成時(shí)損耗為：

   (6)

根據(jù)式（6）計(jì)算的在不同相位差的情況下相對(duì)理想合成時(shí)的損耗如表1。

表1 幅度完全平衡時(shí)δA=0，相位不平衡δ?=0時(shí)對(duì)合成效率的影響

由表1可以看出，在幅度完全平衡的情況下，兩路信號(hào)的相位差在15° 以下時(shí)對(duì)合成損耗的影響是微小的。在微波功率合成中，我們希望獲得較高的合成效率，就要調(diào)整相位平衡度到達(dá)到一定的要求。

圖2為根據(jù)上述分析獲得的合成損耗曲線（輸入幅度不平衡0~40 dB 范圍）。

圖2 合成損耗與幅度及相位不平衡的關(guān)系曲線（0~40 dB）

2）相位完全平衡時(shí)δ?=0 ，幅度不平衡δA=0 時(shí)對(duì)合成效率的影響：

此時(shí)，等式變?yōu)椋?img src="http://editerupload.eepw.com.cn/202308/1691660013197790.png" title="1691660013197790.png" alt="1691660013197790.png" width="51" height="40"/>=2+δA，相對(duì)理想合成的損耗為：

IL = 20log   (7)

在功率分配器中有幅度平衡度的概念，如幅度平衡度為±0.3 dB ，表示兩路輸出信號(hào)存在一定的幅度誤差，這個(gè)誤差的范圍是±0.3 dB ，即一路信號(hào)的功率相對(duì)另一路有可能大0.3 dB 也可能小0.3 dB。在微波功率合成中，如果兩路信號(hào)幅度不平衡，合成效率就會(huì)降低。根據(jù)公式IL = 20log計(jì)算由于幅度的不平衡引起的合成損耗可以獲得表2。

表2 相位完全平衡時(shí)δ?=0，幅度不平衡引入的合成損耗

由表2可以看出功率合成對(duì)幅度平衡的要求，當(dāng)有0.2~0.3 dB的不平衡度時(shí)，將導(dǎo)致0.1dB以上的損耗。

圖3為根據(jù)上述分析獲得的合成損耗曲線（輸入幅度不平衡0~2dB范圍）。

圖3 合成損耗與幅度及相位不平衡的關(guān)系曲線(0~2dB)

在實(shí)際工程應(yīng)用中幅度和相位完全平衡不可能達(dá)到， 表3、表4給出了當(dāng)幅度不平衡度在0.3 dB 和0.5 dB時(shí)，不同的相位差對(duì)合成損耗的影響。

表3 幅度不平衡度0.3dB，不同相位差導(dǎo)致的合成損耗

由表3、4 可以看出，當(dāng)兩路信號(hào)幅度不完全平衡時(shí)，對(duì)信號(hào)相位平衡的要求開(kāi)始嚴(yán)格起來(lái)。工程中幅度平衡度為0.3 dB 時(shí)，要求相位差10° 在以下，才能保證合成損耗在0.2 dB 以下。因此如何實(shí)現(xiàn)幅度和相位的高度平衡是功率放大器中的重要研究?jī)?nèi)容。

表4 幅度不平衡度0.5dB，不同相位差引入的合成損耗

3 實(shí)現(xiàn)合成輸出端幅度和相位的平衡應(yīng)對(duì)措施

從前面論述可知，合成器輸入端各放大單元的相位不一致性比幅度不一致性對(duì)功率合成的影響更大，為改善功放整機(jī)的合成效率必須保證各功放模塊的相位一致性。功放的相移應(yīng)包括兩方面，一種是無(wú)源線性器件的相位延遲，還有一種就是非線性器件的相位失真帶來(lái)的相位偏移，根據(jù)工程實(shí)踐我們總結(jié)了提高功放相位一致性指標(biāo)的措施。

1）功放單元配相法

通常每個(gè)網(wǎng)絡(luò)(包括功放模塊)都會(huì)存在一定的幅度相位失真，幅度失真(也叫非線性失真)是AM-AM的失真，這是一種加到網(wǎng)絡(luò)上的信號(hào)變化幅度引起的網(wǎng)絡(luò)增益變化，產(chǎn)生新的信號(hào)頻率分量的失真；相位失真(也叫線性失真)是AM-PM 的失真，當(dāng)功放模塊接近飽和時(shí)，功率管的偏置點(diǎn)會(huì)有所改變，使此時(shí)輸出信號(hào)的相位發(fā)生波動(dòng)。

圖4中微分相位是相移的變化率，指放大器輸入輸出相移隨輸入功率變化的函數(shù)的微分，由圖可以看出，在1 dB壓縮點(diǎn)以內(nèi)，相移的變化率非常小，例如，圖中1 dB壓縮點(diǎn)處相移變化率是0.03，假設(shè)不失真相移是10° ，那么在1 dB 壓縮點(diǎn)處的相移是10.3° 。因此，對(duì)于固態(tài)功放，只要保證功放管工作在非壓縮區(qū)（通常是指1 dB 壓縮點(diǎn)以內(nèi)），相位失真隨幅度的變化是非常小的。另外，即使功放工作在壓縮區(qū)，產(chǎn)生的相位失真比較大，但只要保證功放之間工作狀態(tài)一致，那么其相移曲線也應(yīng)該是一致的，對(duì)多路功放之間的相位差影響不大。

圖4 功放相位隨功率變化曲線

實(shí)際我們可以根據(jù)功放單元的相位實(shí)際測(cè)試結(jié)果合理調(diào)配，對(duì)各模塊的相位進(jìn)行優(yōu)化排序，使用相位相近的模塊進(jìn)行合成，可以極大降低相位差對(duì)功率合成的影響。

2）使用射頻電纜或微帶線進(jìn)行相位調(diào)配

根據(jù)公式計(jì)算，使用同軸電纜進(jìn)行相移，在1 000 MHz點(diǎn)，每改變1 mm長(zhǎng)度，相移可以改變1.8° ，在2 000 MHz點(diǎn)，每改變1 mm 長(zhǎng)度，相移可以改變3.6° 。依此類推，通過(guò)改變相移補(bǔ)償電路中的電纜長(zhǎng)度，來(lái)補(bǔ)償功放模塊的相位。

另外通過(guò)在功放模塊前端增加多節(jié)不同長(zhǎng)度的微帶線來(lái)改變電長(zhǎng)度，同樣也可以達(dá)到補(bǔ)償功放模塊相移離散性要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)分析合成器輸入功放模塊的增益、相位與功率合成效率之間的關(guān)系，給出了不同相位和幅度條件下的合成損耗分布。從合成損耗曲線圖可以看出，功放模塊的相位不一致性比增益不一致性對(duì)功率合成的影響更大。因此，要提高功率放大器的合成效率，首先要盡可能保證各功放模塊的相位一致性。另外在產(chǎn)品批量化的生產(chǎn)加工中，也可以將相位和幅度差異小的模塊進(jìn)行集中組裝整機(jī)來(lái)提高合成效率。

參考文獻(xiàn)：

[1] ANDREI G. 射頻與微波功率放大器設(shè)計(jì)[M].張玉興,趙宏飛,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[2] 鄭新,李文輝,潘厚忠.雷達(dá)發(fā)射機(jī)技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006,208-213.

[3] 曾凡劍,孫列鵬,施龍波,等.增益和相位一致性對(duì)功率合成效率的影響[J].強(qiáng)激光與粒子束,2019(5).

[4] 李五星,崔樂(lè)園,吳鐵柱,等.一種提高微波徑向功率合成效率的設(shè)計(jì)[J].電子質(zhì)量,2022(7).

[5] 藍(lán)永海.一種寬帶多路功率合成器設(shè)計(jì)[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2013(5).

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年7月期）