幅相平衡对功率合成的影响分析及应对措施

在无线通信发射系统中，功率放大器是最关键的单机，在各种类型的发射机中功率放大器占整个发射系统功耗的60% 以上甚至90%，成为影响系统性能的关键因素。因此，提高功率放大器的效率对减少能源消耗、减轻热设计压力、降低产品成本都有重要意义。

因单个有源放大器件输出功率受限，在大功率功放中经常采用功率合成的方案来实现整机输出功率指标，由于功率管及其附属电路均不可避免存在一些差异，导致合成的各路信号在幅度和相位上均会不一致，最终会影响到功率合成的效率及整机的增益等指标。

1 发射机功率合成理论

图1 N路功率合成网络

一般N路功率合成原理如图1，假设其为无耗网络，则其S参数为：

   (1)

设ϕ_i为合成器第i 路的输入信号相位， G_i为第i路信号的功率增益（可以通过功率增益获得放大后的信号幅度），则n 路功率合成的效率为：

   (2)

由以上公式可以得出如下结论：

1）功率合成的效率不仅与合成器本身的幅度和相位相关，更与输入的各放大单元的信号幅度和相位相关；

2）当合成器设计好以后，其参数就已经确定。只有各功放单元输出信号的幅度和相位可供我们调整。

2 不同增益和相位下的合成效率

在功放单元中功率合成网络对功放整机的增益与效率是非常重要的，为叙述简便，下面以两路同相合成原理来说明幅度和相位在功率合成中的作用。设两路输入信号为：

V₁=e^jωt

V₂=(1+δA)e^jωte^jδϕ   (3)

δA，δϕ分别代表两路信号的幅度和相位的不一致性。则输出为：

V_out=V₁+V₂

   (4)

定义两路信号幅度较大的信号幅度为1，则δA为一取值为-1~0 的负值，δA=0 表示两路信号幅度完全平衡，此时若δϕ = 0 ，即相位也完全平衡，则合成输出的幅度为2，合成效率达到100%，实际中有传导损耗等功率损失，不可能达到100% 的合成效率，但是可以得出结论：对幅度和相位的平衡要求是获得高效率功率合成的充要条件。下面分步讨论：

1）幅度完全平衡时δA=0 ，相位不平衡δϕ=0 时对合成效率的影响：

此时，合成输出的幅度为：

   (5)

相对理想合成时损耗为：

   (6)

根据式（6）计算的在不同相位差的情况下相对理想合成时的损耗如表1。

表1 幅度完全平衡时δA=0，相位不平衡δϕ=0时对合成效率的影响

由表1可以看出，在幅度完全平衡的情况下，两路信号的相位差在15° 以下时对合成损耗的影响是微小的。在微波功率合成中，我们希望获得较高的合成效率，就要调整相位平衡度到达到一定的要求。

图2为根据上述分析获得的合成损耗曲线（输入幅度不平衡0~40 dB 范围）。

图2 合成损耗与幅度及相位不平衡的关系曲线（0~40 dB）

2）相位完全平衡时δϕ=0 ，幅度不平衡δA=0 时对合成效率的影响：

此时，等式变为：=2+δA，相对理想合成的损耗为：

IL = 20log   (7)

在功率分配器中有幅度平衡度的概念，如幅度平衡度为±0.3 dB ，表示两路输出信号存在一定的幅度误差，这个误差的范围是±0.3 dB ，即一路信号的功率相对另一路有可能大0.3 dB 也可能小0.3 dB。在微波功率合成中，如果两路信号幅度不平衡，合成效率就会降低。根据公式IL = 20log计算由于幅度的不平衡引起的合成损耗可以获得表2。

表2 相位完全平衡时δϕ=0，幅度不平衡引入的合成损耗

由表2可以看出功率合成对幅度平衡的要求，当有0.2~0.3 dB的不平衡度时，将导致0.1dB以上的损耗。

图3为根据上述分析获得的合成损耗曲线（输入幅度不平衡0~2dB范围）。

图3 合成损耗与幅度及相位不平衡的关系曲线(0~2dB)

在实际工程应用中幅度和相位完全平衡不可能达到， 表3、表4给出了当幅度不平衡度在0.3 dB 和0.5 dB时，不同的相位差对合成损耗的影响。

表3 幅度不平衡度0.3dB，不同相位差导致的合成损耗

由表3、4 可以看出，当两路信号幅度不完全平衡时，对信号相位平衡的要求开始严格起来。工程中幅度平衡度为0.3 dB 时，要求相位差10° 在以下，才能保证合成损耗在0.2 dB 以下。因此如何实现幅度和相位的高度平衡是功率放大器中的重要研究内容。

表4 幅度不平衡度0.5dB，不同相位差引入的合成损耗

3 实现合成输出端幅度和相位的平衡应对措施

从前面论述可知，合成器输入端各放大单元的相位不一致性比幅度不一致性对功率合成的影响更大，为改善功放整机的合成效率必须保证各功放模块的相位一致性。功放的相移应包括两方面，一种是无源线性器件的相位延迟，还有一种就是非线性器件的相位失真带来的相位偏移，根据工程实践我们总结了提高功放相位一致性指标的措施。

1）功放单元配相法

通常每个网络(包括功放模块)都会存在一定的幅度相位失真，幅度失真(也叫非线性失真)是AM-AM的失真，这是一种加到网络上的信号变化幅度引起的网络增益变化，产生新的信号频率分量的失真；相位失真(也叫线性失真)是AM-PM 的失真，当功放模块接近饱和时，功率管的偏置点会有所改变，使此时输出信号的相位发生波动。

图4中微分相位是相移的变化率，指放大器输入输出相移随输入功率变化的函数的微分，由图可以看出，在1 dB压缩点以内，相移的变化率非常小，例如，图中1 dB压缩点处相移变化率是0.03，假设不失真相移是10° ，那么在1 dB 压缩点处的相移是10.3° 。因此，对于固态功放，只要保证功放管工作在非压缩区（通常是指1 dB 压缩点以内），相位失真随幅度的变化是非常小的。另外，即使功放工作在压缩区，产生的相位失真比较大，但只要保证功放之间工作状态一致，那么其相移曲线也应该是一致的，对多路功放之间的相位差影响不大。

图4 功放相位随功率变化曲线

实际我们可以根据功放单元的相位实际测试结果合理调配，对各模块的相位进行优化排序，使用相位相近的模块进行合成，可以极大降低相位差对功率合成的影响。

2）使用射频电缆或微带线进行相位调配

根据公式计算，使用同轴电缆进行相移，在1 000 MHz点，每改变1 mm长度，相移可以改变1.8° ，在2 000 MHz点，每改变1 mm 长度，相移可以改变3.6° 。依此类推，通过改变相移补偿电路中的电缆长度，来补偿功放模块的相位。

另外通过在功放模块前端增加多节不同长度的微带线来改变电长度，同样也可以达到补偿功放模块相移离散性要求。

4 结束语

本文通过分析合成器输入功放模块的增益、相位与功率合成效率之间的关系，给出了不同相位和幅度条件下的合成损耗分布。从合成损耗曲线图可以看出，功放模块的相位不一致性比增益不一致性对功率合成的影响更大。因此，要提高功率放大器的合成效率，首先要尽可能保证各功放模块的相位一致性。另外在产品批量化的生产加工中，也可以将相位和幅度差异小的模块进行集中组装整机来提高合成效率。

参考文献：

[1] ANDREI G. 射频与微波功率放大器设计[M].张玉兴,赵宏飞,译.北京:电子工业出版社,2006.

[2] 郑新,李文辉,潘厚忠.雷达发射机技术[M].北京:电子工业出版社,2006,208-213.

[3] 曾凡剑,孙列鹏,施龙波,等.增益和相位一致性对功率合成效率的影响[J].强激光与粒子束,2019(5).

[4] 李五星,崔乐园,吴铁柱,等.一种提高微波径向功率合成效率的设计[J].电子质量,2022(7).

[5] 蓝永海.一种宽带多路功率合成器设计[J].杭州电子科技大学学报,2013(5).

（本文来源于《电子产品世界》杂志2023年7月期）