影响功率合成效率的因素分析及解决方法

谢卓远 晁卫东 雷张华

(西安电子工程研究所 710100)

影响功率合成效率的因素分析及解决方法

谢卓远 晁卫东 雷张华

(西安电子工程研究所 710100)

当某型号雷达的C波段跟踪发射机在功率合成的时候，由于各个末级功放模块及系统框架之间存在着相位不匹配等原因，致使功率合成的效率不高。针对此问题，本文分析了相位不匹配对功率合成造成的影响，并提出提高功率合成效率的相位匹配方法。

功率合成；相位匹配

0 引言

C波段跟踪发射机是某火控系统的重要组成部分。为了保证雷达在各种极端环境下，能够达到其作用距离的要求，因此在分系统调试阶段，对发射机的输出功率提出了严苛的指标要求：需要将跟踪发射机输出的峰值功率提高到560W以上。为了获得尽可能高的输出功率，就需要在功率合成时，减少一切可能造成发射机功率损失的因素，提高合成效率[1]。

然而在早期的调试过程中发现，有些发射机功率合成的效果并不太理想。遇到的问题主要有两种：一种是发射机工作频带内功率起伏大，最高点与最低点的峰值功率起伏过大；另一种是输出功率过低，整个带内的峰值功率普遍较低，个别频率点很低，甚至不足400W，这种情况如图1所示。造成功率合成效果差的原因是多方面的，主要包括模块功率低、系统损耗大、相位不匹配等因素[2]。本文将对这些原因逐一分析，并提出提高发射机功率合成效率的方法。

1 跟踪发射机组成及工作原理

1.1 发射机组成

C波段跟踪发射机采用了功率分配、合成的方法来提高总输出功率。它的外部是一个系统框架，框架背后有8根等长半钢电缆。框架内部由一个前级功放模块、四个末级功放模块和一个输出检测单元，共同组成一个完整的发射机系统。

1.2 功率合成过程

发射机工作时，把频率综合器[3]送来的发射信号，首先经前级放大器放大，放大后的信号由一分四功率分配器等分为四路。经由系统框架背面的四根半钢电缆输出至末级放大器的输入端，分别驱动四个末级放大器；四个末级放大器放大的输出信号，再经过系统框架背面的另外四根半钢电缆，送到输出检测模块的带状线合成器中进行功率合成。合成后的功率再经过一个40dB定向耦合器输出，经射频电缆送至天线，功率合成示意图如图2所示：

2 影响功率合成效率的因素

2.1 功率因素

前级、末级功率放大器的输出功率大小，是发射机总输出功率[4]的决定因素之一。根据指标要求，在室温条件下前级功放器输出的峰值功率不低于50W，末级功率放大器输出的峰值功率不低于180W，而功率指标在模块调试过程中予以保证。

2.2 系统损耗因素

发射机系统由多级模块及部件组成。前级、末级放大器与输出检测单元之间通过微波无源器件共同构成发射机系统。末级模块输出的信号在带状线合成器内合成，通过40dB定向耦合器输出。在整个系统链路中，带状线合成器和40dB定向耦合器会对信号合成造成影响。根据技术指标，可以计算出系统损耗，技术指标如表格1所示。

表格1 末级后各部分技术指标

技术指标名称 输入口驻波(VSWR)插入损耗(dB)带状线合成器lt;1.2gt;-0.640dB耦合器lt;1.2gt;-0.3

根据插入损耗公式：IL=-20log|S21|；

可求出每一级功率损耗的计算方法：Pd=P+(1-|S22|2)；

带状线合成器损耗：Pd1=180×[1-10-0.06]≈23.2W；

定向耦合器损耗：Pd2=(180-23.2)×[1-10-0.03]≈10.3W；

总损耗功率为：Pd=23.2+10.3≈33.5W；

四路末级总损耗功率为：4Pd=134W；

扣除了系统损耗后的发射机输出功率为：180×4-134=586W。

2.3 相位因素

在发射机功率合成过程中，会产生相位差的部件包含两个方面因素：系统框架背部的半钢电缆和末级放大器。

2.3.1 系统框架背部的半钢电缆

根据图纸的要求，所有半钢电缆都应该是等长的。但是在生产加工过程中，半钢电缆的长度并非严格等长，因此就会在各个半钢电缆之间产生一定的相位差。由半钢电缆的长度误差所引入的相位差，下面举例说明。

假定发射机工作频率：f0=6GHz；

发射信号在自由空间中的波长：λ0=c/f0=50mm。其中c为真空中的光速；

半钢电缆中填充的介质为聚四氟乙烯，其介电常数：εr=2.2；

电缆之间的相位差Δφ跟电缆的长度差的关系：360°/33.7mm≈10.7°/mm；

根据计算，两根半钢电缆的长度每相差1mm，产生的相位误差：Δφ≈10.7°。

根据以往实测的结果，半钢导致的相位差基本都能保证在10°以内。对发射机系统的功率合成影响不大。如果能利用这些相位差对整个发射机进行相位调配，还能产生一些积极地作用，具体方法在后面的章节会进行介绍。

2.3.2 末级放大器

末级放大器内部的功率放大器是产生相位差的最重要因素。由于放大器内部的半导体材料，在生产的时候取自一片晶圆的不同部分，所以会产生相位差。放大器生产出来以后，管子内部的相位差就已经确定了，无法再改变。

表格2列举了某一次对16个末级放大器进行相位测试的实际结果。以生产序号11001为相位基准，其余15个末级放大器在各频率点产生的相位差。

表格2 末级放大器相位测试记录

相位差频率生产序号 相位差(°)f1f2f3f4f5f6f7110010000000110021010211513151911003-10-11-5-7-9-8-1711004-2-591240711005101113678711006-19-19-4-8-20-20-301100723233937262023110082218444231232811009242113710-4110107329271610131101197322821131011012-17-15-6-9-18-10-321101315241703511014-21-20-13-23-26-19-4511015-30-30-27-29-33-28-521101652141087-10

如果不进行相位测试，而是按照生产序号的顺序直接对末级放大器进行组合，四个发射机每一个都存在较大的相位差。表格3反映了每一套发射机组合以后，工作频带内的相位差程度。

表格3 最大相位、平均最大相位差与输出功率

末级模块组合最大相位差频带内平均最大相位差输出功率(W)f1f2f3f4f5f6f711001～1100436°25.7°58158056957857757855711005～1100858°46.8°54250649549750251545811009～1101245°32.8°58555753654854858551511013～1101657°42.8°559548492501495558463

3 相位差对信号合成效率的影响

3.1 信号合成

跟踪发射机的输出功率，是在输出检测模块里的带状线合成器中进行功率合成的。带状线合成器能够把四路微波型号合成为一路。合成后的信号频率不变，振幅相互叠加，合成后的信号振幅小于四路信号振幅的标量和，幅度大小跟四路信号之间的相位差有关系。

3.2 相位差对功率合成的影响

四路同频率的微波信号合成，在相位相等的情况下，振幅会相互叠加：

V总=V1+V2+V3+V4

如果信号之间存在着相位差，那么合成后的信号为：

V总=V2sinωt+V2sin(ωt+Δφ2)+V3sin(ωt+Δφ2)+V4sin(ωt+Δφ3)

其中，Δφ1～Δφ3是三路信号相对第一路的相位差。

由于末级功放模块之间的功率起伏不大，为了分析方便假定所有信号的振幅相等，同时选出相位差最大的两个正弦波Vg与Vb进行分析，Vg与Vb之间的相位差Δφ=max{Δφ1、Δφ2、Δφ3}。

如图4所示，以两路信号的叠加为例，说明相位差与功率合成之间的关系：

虚线表示的是合成后的信号：V总

实线表示的分别是：

Va=AsinωtVb=Asin(ωt+Δφ)

它们之间的关系是：

V总=Va+Vb=Asinωt+Asin(ωt+Δφ)

由和差化积公式可得：

V总=2Asin(ωt+Δφ/2)·cos(Δφ/2)

=2Acos(Δφ/2)·sin(ωt+Δφ/2)

式中2Acos(Δφ/2)反映了两路正弦波之间的相位差Δφ与合成后的正弦波的电压幅度之间的关系；

Δφ表示的是正弦波1与正弦波2之间的相位差；cos(Δφ/2)表示的是合成后由于相位差引起的电压幅度衰减的比例；sin(ωt+Δφ/2)表示合成后的正弦波频率不变，只是初相位相对于Va发生了Δφ/2的偏移。

由于信号功率不满足叠加原理，必须采用电压进行信号合成分析，而功率与电压之间存在一个平方的比例关系，最终得到相位差与合成效率之间的关系为η=cos2(Δφ/2)≥560/576。

根据上面的公式，表格4列举了典型的相位差与合成效率之间的关系。

表格4 相位差与合成效率的关系

相位差Δφ(°)0102030405060708090180合成效率η(%)1009996938882756758500

根据指标要求规定，发射机总输出功率不低于560W，仅考虑系统损耗情况的总输出功率约为586W。结合上面推导处的关系式，就可以计算出满足功率合成要求的相位差取值范围。

η=cos2(Δφ/2)≥560/586≈0.955

经计算可得：Δφ≤24.3°，即合成信号之间的相位差要求在24.3°以内。

4 提高合成效率的方法

4.1 末级配相法

根据末级放大器相位测试的结果合理调配，可以有效地降低相位差对功率合成的影响。以表格2中的测试结果为基础，根据相位测试结果，按相位从大到小的顺序重新优化排序。优化后的结果如表格5所示。

表格5 优化后的末级放大器排序

频率生产序号 f1f2f3f4f5f6f711008221844423123281100723233937262023110107329271610131101197322821131011002101021151315191100510111367871101315241703511009242113710-411001000000011004-2-59124071101652141087-1011003-10-11-5-7-9-8-1711006-19-19-4-8-20-20-3011012-17-15-6-9-18-10-3211014-21-20-13-23-26-19-4511015-30-30-27-29-33-28-52

根据优化后的结果重新对末级放大器进行组合。重新组合后的发射机，相位差明显缩小，输出功率明显提高。表格6列出了优化后的末级放大器组合方式，以及相位差和输出功率的情况。

表格6 优化后的发射机相位差与输出功率

优化后的组合最大相位差频带内平均最大相位差输出功率(W)f1f2f3f4f5f6f711008、1100711010、1101120°16°58658458558558358858111002、1100511013、1100923°12.3°59259459159258858957211001、1100411016、1100319°17.4°58558858058058258557011006、1101211014、1101523°17.1°588588580572585581571

由表格6可以看出，优化过后的发射机与按顺序组合的发射机相比，输出功率有显著的提高，频带内的功率起伏也变得很小。

4.2 半钢电缆相位差的调配作用

因为半钢电缆的加工误差会产生一定的相位差。半钢电缆之间的相位差比较小，一般不大于10°。通过调整末级模块的位置，可以使这部分相位差起到一个中和的作用，进一步缩小发射机系统相位差对功率合成的影响。

5 结束语

通过配相位提高跟踪发射机的输出功率的方法，是在工作实践中总结出来的一套调试方法。这种方法分析了跟踪发射机在功率合成过程中， 影响功率合成的各种因素，得出配相位法可以使发射机能够获得最大的输出功率。该方法具有一定的推广价值，在今后遇到类似的功率合成问题时，提供了一种解决思路。

[1] 廖承恩. 微波技术基础[M]. 西安：西安电子科技大学出版社，2002.

[2] 李跃峰.脉冲功率放大器相位测量方法[J].火控雷达技术，2005，34(3):54-57.

[3] 张寅.低相噪小步进频率综合其的设计[J].工程技术，2013，12:212-214.

[4] 丁鹭飞，耿富录.雷达原理(第三版)[M]. 西安：西安电子科技大学出版社，2002.

AnalysisofFactorsAffectingPowerSynthesisEfficiencyandSolution

Xie Zhuoyuan, ChaoWeidong, Lei Zhanghua

(Xi’an Electronic Engineering Research Institute, Xi’an 710100)

Power synthesizing efficiency of a C-band transmitter of tracking radar is not high enough because of phase mismatch between the last-stage power amplifier module and system framework. In order to solve this problem, impact of the phase mismatch on power synthesizing is analyzed, and the phase matching method for improving power synthesis efficiency is proposed.

power synthesis; phase matching

2017-04-11

谢卓远(1978-),男，高级工程师。研究方向为微波技术。

TN957.3

A

1008-8652(2017)03-064-05