平面型功率合成电路技术参数的研究

2020-08-12赵楠楠

科学技术创新 2020年24期

赵楠楠

（遵义师范学院信息工程学院，贵州遵义563100）

随着通信系统的快速发展，对于宽带宽、高效率大功率放大器的需求与日俱增。功率合成技术概念的提出解决了功率放大器的核心技术，经近几十年的发展，平面型、波导型和空间型等各种功率合成网络结构被提出。其中平面型功率合成电路因其结构简单、低成本、兼容性强等优点，被广泛应用在微波毫米波通信系统中。本文以平面型功率合成电路为目标进行分析。

1 平面型功率合成电路的结构及原理

平面型功率合成电路的结构从原理上可以分为振荡器型和放大器型两类。振荡器型功率合成技术，通过将振荡器中的信号合并输出高功率信号。放大器型功率合成技术，概括起来就是“分放总”：通过功分器把输入信号分成N 路，N 路信号经过并行放大网络，最后由合成器将放大后的N 路信号合成为一路。由上述描述可知：功分网络、功率放大网络和合成网络三部分组成了放大器型功率合成电路的核心，决定了功率放大器的性能和稳定性。

图1 平面型功率合成电路的结构及原理

2 功率合成放大器的主要技术参数

2.1 工作带宽分析

功分合成网络的电路结构和匹配情况决定了功率合成器的工作带宽，优化电路匹配可以增加工作带宽。功率合成器所选功率放大器的额定工作带宽也决定了功率合成器工作带宽。

2.2 合成效率分析

合成效率分析中加入功放模块为有源合成效率，反之为无源效率。合成效率是功率合成放大器的一个重要指标，由输出功率、功率附加效率以及耗散功率决定。另外，通过功分器划分的各路信号之间的幅相、阻抗匹配等都会降低合成效率。

2.3 插入损耗分析

插入损耗是无源功率合成器中的损耗，是衡量功率合成放大器无源合成效率的重要指标。主要来自电路辐射损耗、电路阻抗损耗和阻抗失配引起的反射损耗。

2.4 回波损耗分析

功率合成网络在理想状态下反射系数为零。但实际上，实际电路必存在相当程度的阻抗失配，即回波损耗。

2.5 耗散功率分析

耗散功率为偏置电路中直流功率变为热能的功率，是设计功率合成器热沉时的重要参考。耗散功率的定义为：耗散功率=偏置电路直流功率-（输出功率- 输入功率），由于输出功率由合成效率和功率放大网络的性能决定，所以耗散功率主要由功率放大网络的功率附加效率和合成效率决定。

2.6 功率附加效率分析

功率附加效率反应了放大器对直流功率的转化能力。定义为：附加效率=（输出功率——输入功率）/ 偏置电路直流功率

因此，功率合成器的主要技术参数为合成效率、工作带宽、回波损耗、插入损耗、耗散功率和功率附加效率等。功率合成电路的电路结构以及阻抗匹配决定了其工作带宽和回波损耗，通过特定的电路结构和匹配方式可实现特定的带宽。在确定电路结构后，工作带宽和回波损耗主要靠提升电路匹配来保证。而插入损耗、功率附加效率及耗散功率主要取决于合成效率合成器的自身性能。

图2 功率合成技术参数

3 功率合成电路设计原则

由图1 所知，功率合成电路的设计，在满足设计标准（功率、容量、合成效率、带宽、尺寸等）的前提下，根据所选放大器单元，对输入信号进行多路分配、放大、合成。合成效率的提高，降低损耗产热，确保放大器工作稳定[3]。功率合成电路的输出相邻端口间隔较小或输出驻波较大时，相邻信号相互干扰，降低放大电路功效，严重的甚至会损毁功率放大器。功率合成器的热沉工艺水平会影响功率放大器的寿命。固态功率放大单元、功率分配网络和功率合成网络的设计方案、工艺水平都会对功率合成器的性能产生决定性影响。基于上述分析，功率合成电路的基本设计原则包括：

（1）降低输入输出端驻波比：为了保证放大器正常工作，采用合适的设计方案减小端口信号反射，采取较高水平工艺降低合成网络的端口回波损耗，避免非工作信号经放大器放大后影响工作信号功率。

（2）低电路损耗：电路损耗越低，合成效率越高，所以设计过程中选择合理的传输结构、设计低损耗的传输电路，有助于提高合成效率。

（3）幅度和相位一致性：在电路设计过程中选择对称电路结构；在具体装配过程中选择同批次放大器，同时尽可能提升安装工艺水平，尽量的减小装配误差，以确保幅度和相位的一致性。

（4）增大隔离度：提升功率分配网络、功率合成网络的每个相邻支路之间的隔离度，不仅会避免因某一支路放大单元非正常工作时产生信号干扰，影响放大器正常工作，还会提高功分器的输出驻波。

（5）结构小型化：结构小型化使得合成电路紧凑、易于集成，且电路损耗低，同时设备自身损耗功率也低，从而提高合成效率。

（6）功率容量：平面结构功率容量低于空间结构功率容量；而在功率合成放大器中在合成器中的信号功率要远大于放大器中的信号功率，尤其在合成器端口信号功率最大。所以在设计中要充分考虑电路功率容量，选择合适的电路结构，防止信号过大，造成击穿现象。