馮昕罡,葉振鋒

(西安導(dǎo)航技術(shù)研究所 通信事業(yè)部,陜西 西安　710068)

?

一種具有發(fā)射天線選擇功能的Lx波段功放設(shè)計

馮昕罡,葉振鋒

(西安導(dǎo)航技術(shù)研究所 通信事業(yè)部,陜西 西安710068)

摘要提出了一種Lx波段功放的設(shè)計方法。通過對基于3 dB電橋的功率合成電路進(jìn)行改進(jìn),功放可實現(xiàn)發(fā)射天線選擇功能。文中對該設(shè)計方法進(jìn)行了理論計算,以及基于ADS軟件的仿真分析,并研制出Lx波段的350 W功放試驗樣機(jī)。實際測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。

關(guān)鍵詞功率合成;發(fā)射天線選擇;Lx波段

全向通信的軍用數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)以及其他通信系統(tǒng),為了解決平臺特殊的加裝環(huán)境對信號的遮擋問題,一般設(shè)置兩個天線[1],根據(jù)通信需求,選擇任意一個或兩個天線同時發(fā)射,保證有效地通信區(qū)域范圍。為了實現(xiàn)發(fā)射天線選擇功能,通常在功放后設(shè)置大功率開關(guān)或針對每個天線配置獨立的功放電路,由于這些系統(tǒng)要求的發(fā)射功率一般為100 W以上,增加百瓦級功率的大功率開關(guān)、功放電路,將帶來設(shè)備成本提高以及體積、重量、功耗變大等問題,與目前軍用電子設(shè)備小型化、輕量化的發(fā)展趨勢[2]相背離。

本文通過對基于3 dB電橋的功率合成電路進(jìn)行理論分析,提出了一種通過改進(jìn)功率合成電路,實現(xiàn)發(fā)射天線選擇功能的功放設(shè)計方法,可除去大功率開關(guān)或多余的功放電路。文中借助ADS軟件對該設(shè)計方法進(jìn)行了仿真分析,并研制了Lx波段的350 W功放樣機(jī),實際測試結(jié)果良好。

1基于3 dB電橋的功率合成技術(shù)

由于單個固態(tài)功率管的輸出功率有限,通常借助功率分配、合成等電路[3-4],使多個功率管輸出功率矢量疊加,實現(xiàn)信號大功率輸出[5]。

如圖1所示,由于電路結(jié)構(gòu)簡單、工作頻率范圍較寬,基于3 dB電橋電路的功率合成技術(shù)[6-7]應(yīng)用廣泛。

圖1　基于3 dB電橋的功率合成框圖

圖1中,3 dB電橋可作為一個四端口網(wǎng)絡(luò),如圖2所示,以分支線耦合器形式的3 dB電橋為列,所有端口匹配良好的情況下,其S參數(shù)如式(1)所示[8-9]。

圖2　3 dB電橋作為四端口網(wǎng)絡(luò)的示意圖

(1)

利用式(1),可計算出圖1所示的電壓值V1和V2

(2)

(3)

若考慮兩個功率管的增益同為g,則再次利用式(1)可計算出

(4)

(5)

一般情況下,兩個功率管相位路徑基本相同,將式(2)和式(3)帶入式(4)和式(5)中,可計算出

(6)

(7)

正如上述計算過程所述:輸入信號經(jīng)3 dB電橋等分,分別通過兩個功率管放大,再進(jìn)入3 dB電橋進(jìn)行矢量疊加,完成大功率信號輸出。

2發(fā)射天線選擇功能設(shè)計

對如圖1所示的功率合成方法進(jìn)行改進(jìn),在功率管前設(shè)置移相器,如圖3所示。

圖3　加入移相器后的功率合成示意框圖

根據(jù)移相器的移相值θ1和θ2,基于3 dB電橋的S參數(shù),可計算出

(8)

(9)

(10)

(11)

將式(8)和式(9)帶入式(10)和式(11)中,可得

(12)

(13)

對vout1和vout2取模值

(14)

(15)

式(14)和式(15)可得出:vout1和vout2的模值由移相器相位值θ1和θ2的取值決定。

當(dāng)θ1和θ2取值相等時,可得

(16)

(17)

當(dāng)θ1=0°、θ2=180°時,可得

(18)

(19)

當(dāng)θ1=90°、θ2=180°時,可得

(20)

(21)

根據(jù)上述計算結(jié)果可得出:控制兩個移相器的移相值θ1和θ2,可實現(xiàn)發(fā)射信號選擇端口1輸出、端口2輸出或兩個端口同時輸出。

3基于ADS的仿真分析

為進(jìn)一步驗證上述計算結(jié)果,使用ADS(Advanced Design System)軟件進(jìn)了仿真,仿真模型如圖4所示。其中移相器PS1的相位值設(shè)置為0,移相器PS2的相位值設(shè)為變量θ,Tem1端口為信號輸入端口,Tem2和Tem3端口為兩個信號的輸出端口。

圖4　ADS軟件仿真模型

通過仿真分析,端口Tem2、Tem3與端口Tem1之間的S21、S31參數(shù)隨變量θ的變化曲線如圖5所示。

圖5　S參數(shù)仿真結(jié)果

從圖5中可看出,當(dāng)θ值變化,S21和S31參數(shù)隨之變化:當(dāng)θ參數(shù)為0°時,只有Tem3端口輸出信號;當(dāng)θ參數(shù)為180°時,只有Tem2端口輸出信號;當(dāng)θ為90°時,Tem1和Tem2兩個端口同時出信號,仿真結(jié)果與理論計算相一致。

4Lx波段功功放樣機(jī)研制

按照圖3所示的設(shè)計框圖,文中研制了Lx頻段350 w的功放樣機(jī),功率管選用Freescale公司的LDMOS[10]功率管。對功放樣機(jī)進(jìn)行了測試,測試結(jié)果良好,如圖6所示,功放實現(xiàn)了發(fā)射天線選擇功能。

圖6　Lx波段功放實際測試結(jié)果

5結(jié)束語

本文通過對基于3 dB電橋的功率合成技術(shù)進(jìn)行理論分析以及基于ADS軟件的仿真,提出了一種在功率合成電路中設(shè)置移相器,通過改變移相器移相量,實現(xiàn)發(fā)射天線選擇功能的功放設(shè)計方法,可除去設(shè)備中大功率開關(guān)或多余的功放電路。Lx波段功放試驗樣機(jī)測試結(jié)果良好,對于配置雙發(fā)射天線的應(yīng)用系統(tǒng)具有工程實用價值。

參考文獻(xiàn)

[1]劉需德,王萬義,邱致和,等.戰(zhàn)術(shù)通信、導(dǎo)航定位和識別綜合系統(tǒng)文集[M].北京:電子工業(yè)出版社,1992.

[2]金榮,張衡陽.美軍TTNT數(shù)據(jù)鏈發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀[J].現(xiàn)代導(dǎo)航,2014(2):154-156.

[3]Wu L,Sun z,Yilmaz h,et al.a dual-frequency wilkinson power divider[J].IEEE Transactions on Microwave Theory Technolog,2006,54(l):278-284.

[4]Yongshik L,East J R,Katehi L P b.Micromachined millimeter-wave module for power combining[J].IEEE MTT-s International Microwave Symp Digital,2004(1):349-352.

[5]宋開軍.基于波導(dǎo)的微波毫米波空間功率合成技術(shù)研究[D].成都:電子科技大學(xué),2007.

[6]劉煒.平面微波功率合成器的研究[D].南京:南京理工大學(xué),2007.

[7]韓煦.固態(tài)功率合成及高功率放大器技術(shù)研究[D].成都:電子科技大學(xué),2012.

[8]David M Pozar.微波工程[M].3版.張肇儀,周樂柱,吳德明,等,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[9]梁昌洪,謝擁軍,官伯然.簡明微波[M].北京:高等教育出版社,2006.

[10]黃江,王衛(wèi)華.新型的功率器件——射頻LDMOS[J].微波學(xué)報,2006,22(3):48-51.

An Lx Band PA with Transmit Antenna Selecting Function

FENG Xingang,YE Zhenfeng

(Department of Communications,Xi’an Research Institute of Navigation Technology,Xi’an 710068,China)

AbstractAn Lx band PA using an improved circuit of power combination based on 3 dB hybrid is proposed,which offers transmit antenna selection.Theory calculation and simulated analysis based on ADS (Advanced design system) are utilized.And a prototype of a 350 W Lx band power amplifier is fabricated.The measured results agree well with the simulation.

Keywordspower combination;transmit antenna selection;Lx band

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.05.012

收稿日期:2016-01-15

作者簡介:馮昕罡(1984—),男,工程師。研究方向:大功率功放及射頻電路設(shè)計與實現(xiàn)。

中圖分類號TN827+.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1007-7820(2016)05-042-03