幅相平衡对功率合成的影响分析及应对措施

薛新 章煜 董佳兴等

摘 要：对辐度和相位平衡度对射频与微波功率放大系统合成效率的影响因素进行了分析，提出了工程实践中提高功率合成效率的方法。

关键词：幅度；相位；功率合成；效率

在无线通信发射系统中，功率放大器是最关键的单机，在各种类型的发射机中功率放大器占整个发射系统功耗的60% 以上甚至90%，成为影响系统性能的关键因素。因此，提高功率放大器的效率对减少能源消耗、减轻热设计压力、降低产品成本都有重要意义。

因单个有源放大器件输出功率受限，在大功率功放中经常采用功率合成的方案来实现整机输出功率指标，由于功率管及其附属电路均不可避免存在一些差异，导致合成的各路信号在幅度和相位上均会不一致，最终会影响到功率合成的效率及整机的增益等指标。

1 发射机功率合成理论

一般N 路功率合成原理如图1，假设其为无耗网络，则其S 参数为：

在实际工程应用中幅度和相位完全平衡不可能达到， 表3、表4 给出了当幅度不平衡度在0.3 dB 和0.5 dB 时，不同的相位差对合成损耗的影响。

由表3、4 可以看出，當两路信号幅度不完全平衡时，对信号相位平衡的要求开始严格起来。工程中幅度平衡度为0.3 dB 时，要求相位差10° 在以下，才能保证合成损耗在0.2 dB 以下。因此如何实现幅度和相位的高度平衡是功率放大器中的重要研究内容。

3 实现合成输出端幅度和相位的平衡应对措施

从前面论述可知，合成器输入端各放大单元的相位不一致性比幅度不一致性对功率合成的影响更大，为改善功放整机的合成效率必须保证各功放模块的相位一致性。功放的相移应包括两方面，一种是无源线性器件的相位延迟，还有一种就是非线性器件的相位失真带来的相位偏移，根据工程实践我们总结了提高功放相位一致性指标的措施。

1）功放单元配相法

通常每个网络（包括功放模块）都会存在一定的幅度相位失真，幅度失真（也叫非线性失真）是AM-AM的失真，这是一种加到网络上的信号变化幅度引起的网络增益变化，产生新的信号频率分量的失真；相位失真（也叫线性失真）是AM-PM 的失真，当功放模块接近饱和时，功率管的偏置点会有所改变，使此时输出信号的相位发生波动。

图4 中微分相位是相移的变化率，指放大器输入输出相移随输入功率变化的函数的微分，由图可以看出，在1 dB 压缩点以内，相移的变化率非常小，例如，图中1 dB 压缩点处相移变化率是0.03，假设不失真相移是10° ，那么在1 dB 压缩点处的相移是10.3° 。因此，对于固态功放，只要保证功放管工作在非压缩区（通常是指1 dB 压缩点以内），相位失真随幅度的变化是非常小的。另外，即使功放工作在压缩区，产生的相位失真比较大，但只要保证功放之间工作状态一致，那么其相移曲线也应该是一致的，对多路功放之间的相位差影响不大。

实际我们可以根据功放单元的相位实际测试结果合理调配，对各模块的相位进行优化排序，使用相位相近的模块进行合成，可以极大降低相位差对功率合成的影响。

2）使用射频电缆或微带线进行相位调配

根据公式计算，使用同轴电缆进行相移，在1 000 MHz点，每改变1 mm长度，相移可以改变1.8° ，在2 000 MHz点，每改变1 mm 长度，相移可以改变3.6° 。依此类推，通过改变相移补偿电路中的电缆长度，来补偿功放模块的相位。

另外通过在功放模块前端增加多节不同长度的微带线来改变电长度，同样也可以达到补偿功放模块相移离散性要求。

4 结束语

本文通过分析合成器输入功放模块的增益、相位与功率合成效率之间的关系，给出了不同相位和幅度条件下的合成损耗分布。从合成损耗曲线图可以看出，功放模块的相位不一致性比增益不一致性对功率合成的影响更大。因此，要提高功率放大器的合成效率，首先要尽可能保证各功放模块的相位一致性。另外在产品批量化的生产加工中，也可以将相位和幅度差异小的模块进行集中组装整机来提高合成效率。