N路功率合成的失效分析

蔡 昱，成海峰

（南京電子器件研究所微波與毫米波專用模塊電路研發部，南京 210016）

1 引言

近些年來，固態合成功率放大器被越來越多的人關注和研究。固態合成功率放大器一般以微波功率單片為核心器件，通過多路合成結構進行功率合成而獲得大功率輸出。隨著國內半導體工藝水平的不斷提高，采用GaAs材料的微波單片集成電路（MMIC）被廣泛應用，固態合成功率放大器也開始大量被應用到各種微波工程之中。根據目前國內的報道，已經有多種固態合成功率放大器的產品。這些產品皆以多路波導合成的方式獲得大功率。其中最具代表性的由南京電子器件研究所研制的Ku波段600W固態功率放大器采用了多達128路的功率合成。

在使用這些多路合成結構對大量功率器件進行功率合成時，一個或者多個器件的失效將對總體的輸出功率造成多大的影響便成為了大家極其關心的性能指標。本文就將從理論上分析器件失效對總體功率的影響，并以Ku波段八路合成功率模塊為例進行試驗驗證。

2 多端口合成網絡原理分析

圖1是一個N路功率合成器的框圖模型，我們可以看到b0為輸出信號，N個輸入端口，輸入信號為Ui1～Uin。輸出信號是所有輸入信號合成得到的，由此我們可以得出輸出信號的公式如下：

圖1 N端口合成網絡框圖

考慮在理想的狀態下，合成器N路的輸入信號一致，且駐波理想，沒有回波信號。即為：

我們可以看出在實現功率合成時，所有的輸出信號都從輸出端口流出，而沒有在輸入端反射。原因是并非只考慮單端口的輸入駐波好壞，而是N個端口入射波在該端口疊加的效果。事實上，一個無耗的多端口網絡是無法全部獲得較好的輸入駐波的。所以如果合成器的一個輸入端口適配，或者輸入異常，其他幾個輸入端口都會產生影響，其余N-1個端口的反射波將加大。最終對于輸出端的影響將遠遠超過原來輸出功率的1/N。

我們以最基礎的兩路波導合成器為模型對單端口的失效進行分析。圖2是一個兩路波導合成器的3D模型圖。其中Port1為輸出端口，Port2和Port3為輸入端口。

該合成器是一個三端口網路，其理想的三端口S參數網路矩陣如下，可以看到輸出端口的功率來自兩個輸入端口且各占50%。

在合成狀態中有可能出現的失效模式為其中一路的功率放大器出現故障不輸出功率。我們將上述模型設置成Port3端口輸入，其余兩個端口為輸出進行模擬仿真，得到以下的S參數矩陣。

可以看到相關Port2和Port3的S參數已經出現變化。由上述S參數矩陣可以得到:

Port1的輸出功率為Port3輸入功率的50%。而正常工作狀態下，輸出功率為Port2和Port3兩端口的輸入功率之和。所以一路失效會導致最終的合成功率變為原來的1/4，即下降6dB。

圖2 兩路波導合成器的3D模型圖

3 驗證試驗

我們以南京電子器件研究所研制的Ku波段寬帶功率放大模塊為試驗對象對失效模式進行試驗。圖3是該模塊的實物照片。

該功率模塊采用8路波導合成結構，可以實現Ku全頻帶70W的輸出功率。我們在試驗中通過將其中的一路功率器件斷電來模擬失效模式。圖4是該功率放大模塊關閉一路或多路獲得輸出功率的曲線。

我們可以看出正常工作狀態下輸出功率為72W，當1/2的器件關閉時，功率變為18.2W，約為原來的1/4；3/4的器件關閉時，功率變為4.6W，約為原來的1/16，符合前面的推導數據。

4 結論與分析

本文對固態合成功率放大器單路或多路失效進行了理論分析并對八路合成的固態功放進行了驗證試驗，得出了多路失效狀態下的功率曲線。

根據圖4的曲線，我們可以分析出功率模塊損壞的比例和功率下降比例的關系，表1具體列出了該比例關系。

根據上面的對應關系，我們可以將這一功率變化規律用于工程應用當中。在以2N路合成的固態功率放大器中，可以通過關閉其中的若干路來達到不同的功率輸出，以實現功率輸出管理。

［1］David B Rutledge, Nai-Shuo Cheng, Robert A York, et a1.Failures in Power-Combining Arrays [C]. IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, 1999, 47（7）：1 077-1 082.

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