平面型功率合成電路技術參數的研究

趙楠楠

（遵義師范學院信息工程學院，貴州 遵義563100）

隨著通信系統的快速發展，對于寬帶寬、高效率大功率放大器的需求與日俱增。功率合成技術概念的提出解決了功率放大器的核心技術，經近幾十年的發展，平面型、波導型和空間型等各種功率合成網絡結構被提出。其中平面型功率合成電路因其結構簡單、低成本、兼容性強等優點，被廣泛應用在微波毫米波通信系統中。本文以平面型功率合成電路為目標進行分析。

1 平面型功率合成電路的結構及原理

平面型功率合成電路的結構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，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，概括起來就是“分放總”：通過功分器把輸入信號分成N 路，N 路信號經過并行放大網絡，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：功分網絡、功率放大網絡和合成網絡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定性。

圖1 平面型功率合成電路的結構及原理

2 功率合成放大器的主要技術參數

2.1 工作帶寬分析

功分合成網絡的電路結構和匹配情況決定了功率合成器的工作帶寬，優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重要指標，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。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

功率合成網絡在理想狀態下反射系數為零。但實際上，實際電路必存在相當程度的阻抗失配，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為熱能的功率，是設計功率合成器熱沉時的重要參考。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絡的性能決定，所以耗散功率主要由功率放大網絡的功率附加效率和合成效率決定。

2.6 功率附加效率分析

功率附加效率反應了放大器對直流功率的轉化能力。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參數為合成效率、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構以及阻抗匹配決定了其工作帶寬和回波損耗，通過特定的電路結構和匹配方式可實現特定的帶寬。在確定電路結構后，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 功率合成技術參數

3 功率合成電路設計原則

由圖1 所知，功率合成電路的設計，在滿足設計標準（功率、容量、合成效率、帶寬、尺寸等）的前提下，根據所選放大器單元，對輸入信號進行多路分配、放大、合成。合成效率的提高，降低損耗產熱，確保放大器工作穩定[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，相鄰信號相互干擾，降低放大電路功效，嚴重的甚至會損毀功率放大器。功率合成器的熱沉工藝水平會影響功率放大器的壽命。固態功率放大單元、功率分配網絡和功率合成網絡的設計方案、工藝水平都會對功率合成器的性能產生決定性影響。基于上述分析，功率合成電路的基本設計原則包括：

（1）降低輸入輸出端駐波比：為了保證放大器正常工作，采用合適的設計方案減小端口信號反射，采取較高水平工藝降低合成網絡的端口回波損耗，避免非工作信號經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，所以設計過程中選擇合理的傳輸結構、設計低損耗的傳輸電路，有助于提高合成效率。

（3）幅度和相位一致性：在電路設計過程中選擇對稱電路結構；在具體裝配過程中選擇同批次放大器，同時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：提升功率分配網絡、功率合成網絡的每個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產生信號干擾，影響放大器正常工作，還會提高功分器的輸出駐波。

（5）結構小型化：結構小型化使得合成電路緊湊、易于集成，且電路損耗低，同時設備自身損耗功率也低，從而提高合成效率。

（6）功率容量：平面結構功率容量低于空間結構功率容量；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。所以在設計中要充分考慮電路功率容量，選擇合適的電路結構，防止信號過大，造成擊穿現象。

4 結論

通過對平面型功率合成技術基礎的研究，明確了實現高性能功率合成放大器的關鍵技術參數，提出了功率合成放大電路設計原則，為平面型功率合成技術提升找到著力點和切實可行的研究方向。