幅相平衡對功率合成的影響分析及應對措施

在無線通信發射系統中，功率放大器是最關鍵的單機，在各種類型的發射機中功率放大器占整個發射系統功耗的60% 以上甚至90%，成為影響系統性能的關鍵因素。因此，提高功率放大器的效率對減少能源消耗、減輕熱設計壓力、降低產品成本都有重要意義。

因單個有源放大器件輸出功率受限，在大功率功放中經常采用功率合成的方案來實現整機輸出功率指標，由于功率管及其附屬電路均不可避免存在一些差異，導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的增益等指標。

1 發射機功率合成理論

圖1 N路功率合成網絡

一般N路功率合成原理如圖1，假設其為無耗網絡，則其S參數為：

   (1)

設?_i為合成器第i 路的輸入信號相位， G_i為第i路信號的功率增益（可以通過功率增益獲得放大后的信號幅度），則n 路功率合成的效率為：

   (2)

由以上公式可以得出如下結論：

1）功率合成的效率不僅與合成器本身的幅度和相位相關，更與輸入的各放大單元的信號幅度和相位相關；

2）當合成器設計好以后，其參數就已經確定。只有各功放單元輸出信號的幅度和相位可供我們調整。

2 不同增益和相位下的合成效率

在功放單元中功率合成網絡對功放整機的增益與效率是非常重要的，為敘述簡便，下面以兩路同相合成原理來說明幅度和相位在功率合成中的作用。設兩路輸入信號為：

V₁=e^jωt

V₂=(1+δA)e^jωte^jδ?   (3)

δA，δ?分別代表兩路信號的幅度和相位的不一致性。則輸出為：

V_out=V₁+V₂

   (4)

定義兩路信號幅度較大的信號幅度為1，則δA為一取值為-1~0 的負值，δA=0 表示兩路信號幅度完全平衡，此時若δ? = 0 ，即相位也完全平衡，則合成輸出的幅度為2，合成效率達到100%，實際中有傳導損耗等功率損失，不可能達到100% 的合成效率，但是可以得出結論：對幅度和相位的平衡要求是獲得高效率功率合成的充要條件。下面分步討論：

1）幅度完全平衡時δA=0 ，相位不平衡δ?=0 時對合成效率的影響：

此時，合成輸出的幅度為：

   (5)

相對理想合成時損耗為：

   (6)

根據式（6）計算的在不同相位差的情況下相對理想合成時的損耗如表1。

表1 幅度完全平衡時δA=0，相位不平衡δ?=0時對合成效率的影響

由表1可以看出，在幅度完全平衡的情況下，兩路信號的相位差在15° 以下時對合成損耗的影響是微小的。在微波功率合成中，我們希望獲得較高的合成效率，就要調整相位平衡度到達到一定的要求。

圖2為根據上述分析獲得的合成損耗曲線（輸入幅度不平衡0~40 dB 范圍）。

圖2 合成損耗與幅度及相位不平衡的關系曲線（0~40 dB）

2）相位完全平衡時δ?=0 ，幅度不平衡δA=0 時對合成效率的影響：

此時，等式變為：=2+δA，相對理想合成的損耗為：

IL = 20log   (7)

在功率分配器中有幅度平衡度的概念，如幅度平衡度為±0.3 dB ，表示兩路輸出信號存在一定的幅度誤差，這個誤差的范圍是±0.3 dB ，即一路信號的功率相對另一路有可能大0.3 dB 也可能小0.3 dB。在微波功率合成中，如果兩路信號幅度不平衡，合成效率就會降低。根據公式IL = 20log計算由于幅度的不平衡引起的合成損耗可以獲得表2。

表2 相位完全平衡時δ?=0，幅度不平衡引入的合成損耗

由表2可以看出功率合成對幅度平衡的要求，當有0.2~0.3 dB的不平衡度時，將導致0.1dB以上的損耗。

圖3為根據上述分析獲得的合成損耗曲線（輸入幅度不平衡0~2dB范圍）。

圖3 合成損耗與幅度及相位不平衡的關系曲線(0~2dB)

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

表3 幅度不平衡度0.3dB，不同相位差導致的合成損耗

由表3、4 可以看出，當兩路信號幅度不完全平衡時，對信號相位平衡的要求開始嚴格起來。工程中幅度平衡度為0.3 dB 時，要求相位差10° 在以下，才能保證合成損耗在0.2 dB 以下。因此如何實現幅度和相位的高度平衡是功率放大器中的重要研究內容。

表4 幅度不平衡度0.5dB，不同相位差引入的合成損耗

3 實現合成輸出端幅度和相位的平衡應對措施

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，根據工程實踐我們總結了提高功放相位一致性指標的措施。

1）功放單元配相法

通常每個網絡(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，這是一種加到網絡上的信號變化幅度引起的網絡增益變化，產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，當功放模塊接近飽和時，功率管的偏置點會有所改變，使此時輸出信號的相位發生波動。

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的微分，由圖可以看出，在1 dB壓縮點以內，相移的變化率非常小，例如，圖中1 dB壓縮點處相移變化率是0.03，假設不失真相移是10° ，那么在1 dB 壓縮點處的相移是10.3° 。因此，對于固態功放，只要保證功放管工作在非壓縮區（通常是指1 dB 壓縮點以內），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，產生的相位失真比較大，但只要保證功放之間工作狀態一致，那么其相移曲線也應該是一致的，對多路功放之間的相位差影響不大。

圖4 功放相位隨功率變化曲線

實際我們可以根據功放單元的相位實際測試結果合理調配，對各模塊的相位進行優化排序，使用相位相近的模塊進行合成，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行相位調配

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

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

4 結束語

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。另外在產品批量化的生產加工中，也可以將相位和幅度差異小的模塊進行集中組裝整機來提高合成效率。

參考文獻：

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[4] 李五星,崔樂園,吳鐵柱,等.一種提高微波徑向功率合成效率的設計[J].電子質量,2022(7).

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（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年7月期）