幅相平衡對功率合成的影響分析及應(yīng)對措施

薛新 章煜 董佳興等

摘 要：對輻度和相位平衡度對射頻與微波功率放大系統(tǒng)合成效率的影響因素進(jìn)行了分析，提出了工程實(shí)踐中提高功率合成效率的方法。

關(guān)鍵詞：幅度；相位；功率合成；效率

在無線通信發(fā)射系統(tǒng)中，功率放大器是最關(guān)鍵的單機(jī)，在各種類型的發(fā)射機(jī)中功率放大器占整個(gè)發(fā)射系統(tǒng)功耗的60% 以上甚至90%，成為影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。因此，提高功率放大器的效率對減少能源消耗、減輕熱設(shè)計(jì)壓力、降低產(chǎn)品成本都有重要意義。

因單個(gè)有源放大器件輸出功率受限，在大功率功放中經(jīng)常采用功率合成的方案來實(shí)現(xiàn)整機(jī)輸出功率指標(biāo)，由于功率管及其附屬電路均不可避免存在一些差異，導(dǎo)致合成的各路信號在幅度和相位上均會不一致，最終會影響到功率合成的效率及整機(jī)的增益等指標(biāo)。

1 發(fā)射機(jī)功率合成理論

一般N 路功率合成原理如圖1，假設(shè)其為無耗網(wǎng)絡(luò)，則其S 參數(shù)為：

在實(shí)際工程應(yīng)用中幅度和相位完全平衡不可能達(dá)到， 表3、表4 給出了當(dāng)幅度不平衡度在0.3 dB 和0.5 dB 時(shí)，不同的相位差對合成損耗的影響。

由表3、4 可以看出，當(dāng)兩路信號幅度不完全平衡時(shí)，對信號相位平衡的要求開始嚴(yán)格起來。工程中幅度平衡度為0.3 dB 時(shí)，要求相位差10° 在以下，才能保證合成損耗在0.2 dB 以下。因此如何實(shí)現(xiàn)幅度和相位的高度平衡是功率放大器中的重要研究內(nèi)容。

3 實(shí)現(xiàn)合成輸出端幅度和相位的平衡應(yīng)對措施

從前面論述可知，合成器輸入端各放大單元的相位不一致性比幅度不一致性對功率合成的影響更大，為改善功放整機(jī)的合成效率必須保證各功放模塊的相位一致性。功放的相移應(yīng)包括兩方面，一種是無源線性器件的相位延遲，還有一種就是非線性器件的相位失真帶來的相位偏移，根據(jù)工程實(shí)踐我們總結(jié)了提高功放相位一致性指標(biāo)的措施。

1）功放單元配相法

通常每個(gè)網(wǎng)絡(luò)（包括功放模塊）都會存在一定的幅度相位失真，幅度失真（也叫非線性失真）是AM-AM的失真，這是一種加到網(wǎng)絡(luò)上的信號變化幅度引起的網(wǎng)絡(luò)增益變化，產(chǎn)生新的信號頻率分量的失真；相位失真（也叫線性失真）是AM-PM 的失真，當(dāng)功放模塊接近飽和時(shí)，功率管的偏置點(diǎn)會有所改變，使此時(shí)輸出信號的相位發(fā)生波動(dòng)。

圖4 中微分相位是相移的變化率，指放大器輸入輸出相移隨輸入功率變化的函數(shù)的微分，由圖可以看出，在1 dB 壓縮點(diǎn)以內(nèi)，相移的變化率非常小，例如，圖中1 dB 壓縮點(diǎn)處相移變化率是0.03，假設(shè)不失真相移是10° ，那么在1 dB 壓縮點(diǎn)處的相移是10.3° 。因此，對于固態(tài)功放，只要保證功放管工作在非壓縮區(qū)（通常是指1 dB 壓縮點(diǎn)以內(nèi)），相位失真隨幅度的變化是非常小的。另外，即使功放工作在壓縮區(qū)，產(chǎn)生的相位失真比較大，但只要保證功放之間工作狀態(tài)一致，那么其相移曲線也應(yīng)該是一致的，對多路功放之間的相位差影響不大。

實(shí)際我們可以根據(jù)功放單元的相位實(shí)際測試結(jié)果合理調(diào)配，對各模塊的相位進(jìn)行優(yōu)化排序，使用相位相近的模塊進(jìn)行合成，可以極大降低相位差對功率合成的影響。

2）使用射頻電纜或微帶線進(jìn)行相位調(diào)配

根據(jù)公式計(jì)算，使用同軸電纜進(jìn)行相移，在1 000 MHz點(diǎn)，每改變1 mm長度，相移可以改變1.8° ，在2 000 MHz點(diǎn)，每改變1 mm 長度，相移可以改變3.6° 。依此類推，通過改變相移補(bǔ)償電路中的電纜長度，來補(bǔ)償功放模塊的相位。

另外通過在功放模塊前端增加多節(jié)不同長度的微帶線來改變電長度，同樣也可以達(dá)到補(bǔ)償功放模塊相移離散性要求。

4 結(jié)束語

本文通過分析合成器輸入功放模塊的增益、相位與功率合成效率之間的關(guān)系，給出了不同相位和幅度條件下的合成損耗分布。從合成損耗曲線圖可以看出，功放模塊的相位不一致性比增益不一致性對功率合成的影響更大。因此，要提高功率放大器的合成效率，首先要盡可能保證各功放模塊的相位一致性。另外在產(chǎn)品批量化的生產(chǎn)加工中，也可以將相位和幅度差異小的模塊進(jìn)行集中組裝整機(jī)來提高合成效率。