一种具有发射天线选择功能的Lx波段功放设计

冯昕罡,叶振锋

(西安导航技术研究所 通信事业部,陕西 西安　710068)



一种具有发射天线选择功能的Lx波段功放设计

冯昕罡,叶振锋

(西安导航技术研究所 通信事业部,陕西 西安710068)

摘要提出了一种Lx波段功放的设计方法。通过对基于3 dB电桥的功率合成电路进行改进,功放可实现发射天线选择功能。文中对该设计方法进行了理论计算,以及基于ADS软件的仿真分析,并研制出Lx波段的350 W功放试验样机。实际测试结果与仿真结果基本一致。

关键词功率合成;发射天线选择;Lx波段

全向通信的军用数据链系统以及其他通信系统,为了解决平台特殊的加装环境对信号的遮挡问题,一般设置两个天线[1],根据通信需求,选择任意一个或两个天线同时发射,保证有效地通信区域范围。为了实现发射天线选择功能,通常在功放后设置大功率开关或针对每个天线配置独立的功放电路,由于这些系统要求的发射功率一般为100 W以上,增加百瓦级功率的大功率开关、功放电路,将带来设备成本提高以及体积、重量、功耗变大等问题,与目前军用电子设备小型化、轻量化的发展趋势[2]相背离。

本文通过对基于3 dB电桥的功率合成电路进行理论分析,提出了一种通过改进功率合成电路,实现发射天线选择功能的功放设计方法,可除去大功率开关或多余的功放电路。文中借助ADS软件对该设计方法进行了仿真分析,并研制了Lx波段的350 W功放样机,实际测试结果良好。

1基于3 dB电桥的功率合成技术

由于单个固态功率管的输出功率有限,通常借助功率分配、合成等电路[3-4],使多个功率管输出功率矢量叠加,实现信号大功率输出[5]。

如图1所示,由于电路结构简单、工作频率范围较宽,基于3 dB电桥电路的功率合成技术[6-7]应用广泛。

图1　基于3 dB电桥的功率合成框图

图1中,3 dB电桥可作为一个四端口网络,如图2所示,以分支线耦合器形式的3 dB电桥为列,所有端口匹配良好的情况下,其S参数如式(1)所示[8-9]。

图2　3 dB电桥作为四端口网络的示意图

(1)

利用式(1),可计算出图1所示的电压值V1和V2

(2)

(3)

若考虑两个功率管的增益同为g,则再次利用式(1)可计算出

(4)

(5)

一般情况下,两个功率管相位路径基本相同,将式(2)和式(3)带入式(4)和式(5)中,可计算出

(6)

(7)

正如上述计算过程所述:输入信号经3 dB电桥等分,分别通过两个功率管放大,再进入3 dB电桥进行矢量叠加,完成大功率信号输出。

2发射天线选择功能设计

对如图1所示的功率合成方法进行改进,在功率管前设置移相器,如图3所示。

图3　加入移相器后的功率合成示意框图

根据移相器的移相值θ1和θ2,基于3 dB电桥的S参数,可计算出

(8)

(9)

(10)

(11)

将式(8)和式(9)带入式(10)和式(11)中,可得

(12)

(13)

对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的取值决定。

当θ1和θ2取值相等时,可得

(16)

(17)

当θ1=0°、θ2=180°时,可得

(18)

(19)

当θ1=90°、θ2=180°时,可得

(20)

(21)

根据上述计算结果可得出:控制两个移相器的移相值θ1和θ2,可实现发射信号选择端口1输出、端口2输出或两个端口同时输出。

3基于ADS的仿真分析

为进一步验证上述计算结果,使用ADS(Advanced Design System)软件进了仿真,仿真模型如图4所示。其中移相器PS1的相位值设置为0,移相器PS2的相位值设为变量θ,Tem1端口为信号输入端口,Tem2和Tem3端口为两个信号的输出端口。

图4　ADS软件仿真模型

通过仿真分析,端口Tem2、Tem3与端口Tem1之间的S21、S31参数随变量θ的变化曲线如图5所示。

图5　S参数仿真结果

从图5中可看出,当θ值变化,S21和S31参数随之变化:当θ参数为0°时,只有Tem3端口输出信号;当θ参数为180°时,只有Tem2端口输出信号;当θ为90°时,Tem1和Tem2两个端口同时出信号,仿真结果与理论计算相一致。

4Lx波段功功放样机研制

按照图3所示的设计框图,文中研制了Lx频段350 w的功放样机,功率管选用Freescale公司的LDMOS[10]功率管。对功放样机进行了测试,测试结果良好,如图6所示,功放实现了发射天线选择功能。

图6　Lx波段功放实际测试结果

5结束语

本文通过对基于3 dB电桥的功率合成技术进行理论分析以及基于ADS软件的仿真,提出了一种在功率合成电路中设置移相器,通过改变移相器移相量,实现发射天线选择功能的功放设计方法,可除去设备中大功率开关或多余的功放电路。Lx波段功放试验样机测试结果良好,对于配置双发射天线的应用系统具有工程实用价值。

参考文献

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[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.

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[5]宋开军.基于波导的微波毫米波空间功率合成技术研究[D].成都:电子科技大学,2007.

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[7]韩煦.固态功率合成及高功率放大器技术研究[D].成都:电子科技大学,2012.

[8]David M Pozar.微波工程[M].3版.张肇仪,周乐柱,吴德明,等,译.北京:电子工业出版社,2006.

[9]梁昌洪,谢拥军,官伯然.简明微波[M].北京:高等教育出版社,2006.

[10]黄江,王卫华.新型的功率器件——射频LDMOS[J].微波学报,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

作者简介:冯昕罡(1984—),男,工程师。研究方向:大功率功放及射频电路设计与实现。

中图分类号TN827+.1

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)05-042-03