趙楠楠

（遵義師范學(xué)院信息工程學(xué)院，貴州 遵義563100）

隨著通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，對于寬帶寬、高效率大功率放大器的需求與日俱增。功率合成技術(shù)概念的提出解決了功率放大器的核心技術(shù)，經(jīng)近幾十年的發(fā)展，平面型、波導(dǎo)型和空間型等各種功率合成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被提出。其中平面型功率合成電路因其結(jié)構(gòu)簡單、低成本、兼容性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在微波毫米波通信系統(tǒng)中。本文以平面型功率合成電路為目標(biāo)進(jìn)行分析。

1 平面型功率合成電路的結(jié)構(gòu)及原理

平面型功率合成電路的結(jié)構(gòu)從原理上可以分為振蕩器型和放大器型兩類。振蕩器型功率合成技術(shù)，通過將振蕩器中的信號合并輸出高功率信號。放大器型功率合成技術(shù)，概括起來就是“分放總”：通過功分器把輸入信號分成N 路，N 路信號經(jīng)過并行放大網(wǎng)絡(luò)，最后由合成器將放大后的N 路信號合成為一路。由上述描述可知：功分網(wǎng)絡(luò)、功率放大網(wǎng)絡(luò)和合成網(wǎng)絡(luò)三部分組成了放大器型功率合成電路的核心，決定了功率放大器的性能和穩(wěn)定性。

圖1 平面型功率合成電路的結(jié)構(gòu)及原理

2 功率合成放大器的主要技術(shù)參數(shù)

2.1 工作帶寬分析

功分合成網(wǎng)絡(luò)的電路結(jié)構(gòu)和匹配情況決定了功率合成器的工作帶寬，優(yōu)化電路匹配可以增加工作帶寬。功率合成器所選功率放大器的額定工作帶寬也決定了功率合成器工作帶寬。

2.2 合成效率分析

合成效率分析中加入功放模塊為有源合成效率，反之為無源效率。合成效率是功率合成放大器的一個(gè)重要指標(biāo)，由輸出功率、功率附加效率以及耗散功率決定。另外，通過功分器劃分的各路信號之間的幅相、阻抗匹配等都會降低合成效率。

2.3 插入損耗分析

插入損耗是無源功率合成器中的損耗，是衡量功率合成放大器無源合成效率的重要指標(biāo)。主要來自電路輻射損耗、電路阻抗損耗和阻抗失配引起的反射損耗。

2.4 回波損耗分析

功率合成網(wǎng)絡(luò)在理想狀態(tài)下反射系數(shù)為零。但實(shí)際上，實(shí)際電路必存在相當(dāng)程度的阻抗失配，即回波損耗。

2.5 耗散功率分析

耗散功率為偏置電路中直流功率變?yōu)闊崮艿墓β?，是設(shè)計(jì)功率合成器熱沉?xí)r的重要參考。耗散功率的定義為：耗散功率=偏置電路直流功率-（輸出功率- 輸入功率），由于輸出功率由合成效率和功率放大網(wǎng)絡(luò)的性能決定，所以耗散功率主要由功率放大網(wǎng)絡(luò)的功率附加效率和合成效率決定。

2.6 功率附加效率分析

功率附加效率反應(yīng)了放大器對直流功率的轉(zhuǎn)化能力。定義為：附加效率=（輸出功率——輸入功率）/ 偏置電路直流功率

因此，功率合成器的主要技術(shù)參數(shù)為合成效率、工作帶寬、回波損耗、插入損耗、耗散功率和功率附加效率等。功率合成電路的電路結(jié)構(gòu)以及阻抗匹配決定了其工作帶寬和回波損耗，通過特定的電路結(jié)構(gòu)和匹配方式可實(shí)現(xiàn)特定的帶寬。在確定電路結(jié)構(gòu)后，工作帶寬和回波損耗主要靠提升電路匹配來保證。而插入損耗、功率附加效率及耗散功率主要取決于合成效率合成器的自身性能。

圖2 功率合成技術(shù)參數(shù)

3 功率合成電路設(shè)計(jì)原則

由圖1 所知，功率合成電路的設(shè)計(jì)，在滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（功率、容量、合成效率、帶寬、尺寸等）的前提下，根據(jù)所選放大器單元，對輸入信號進(jìn)行多路分配、放大、合成。合成效率的提高，降低損耗產(chǎn)熱，確保放大器工作穩(wěn)定[3]。功率合成電路的輸出相鄰端口間隔較小或輸出駐波較大時(shí)，相鄰信號相互干擾，降低放大電路功效，嚴(yán)重的甚至?xí)p毀功率放大器。功率合成器的熱沉工藝水平會影響功率放大器的壽命。固態(tài)功率放大單元、功率分配網(wǎng)絡(luò)和功率合成網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方案、工藝水平都會對功率合成器的性能產(chǎn)生決定性影響?；谏鲜龇治觯β屎铣呻娐返幕驹O(shè)計(jì)原則包括：

（1）降低輸入輸出端駐波比：為了保證放大器正常工作，采用合適的設(shè)計(jì)方案減小端口信號反射，采取較高水平工藝降低合成網(wǎng)絡(luò)的端口回波損耗，避免非工作信號經(jīng)放大器放大后影響工作信號功率。

（2）低電路損耗：電路損耗越低，合成效率越高，所以設(shè)計(jì)過程中選擇合理的傳輸結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)低損耗的傳輸電路，有助于提高合成效率。

（3）幅度和相位一致性：在電路設(shè)計(jì)過程中選擇對稱電路結(jié)構(gòu)；在具體裝配過程中選擇同批次放大器，同時(shí)盡可能提升安裝工藝水平，盡量的減小裝配誤差，以確保幅度和相位的一致性。

（4）增大隔離度：提升功率分配網(wǎng)絡(luò)、功率合成網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)相鄰支路之間的隔離度，不僅會避免因某一支路放大單元非正常工作時(shí)產(chǎn)生信號干擾，影響放大器正常工作，還會提高功分器的輸出駐波。

（5）結(jié)構(gòu)小型化：結(jié)構(gòu)小型化使得合成電路緊湊、易于集成，且電路損耗低，同時(shí)設(shè)備自身損耗功率也低，從而提高合成效率。

（6）功率容量：平面結(jié)構(gòu)功率容量低于空間結(jié)構(gòu)功率容量；而在功率合成放大器中在合成器中的信號功率要遠(yuǎn)大于放大器中的信號功率，尤其在合成器端口信號功率最大。所以在設(shè)計(jì)中要充分考慮電路功率容量，選擇合適的電路結(jié)構(gòu)，防止信號過大，造成擊穿現(xiàn)象。

4 結(jié)論

通過對平面型功率合成技術(shù)基礎(chǔ)的研究，明確了實(shí)現(xiàn)高性能功率合成放大器的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，提出了功率合成放大電路設(shè)計(jì)原則，為平面型功率合成技術(shù)提升找到著力點(diǎn)和切實(shí)可行的研究方向。