影響功率合成效率的因素分析及解決方法

謝卓遠(yuǎn) 晁衛(wèi)東 雷張華

(西安電子工程研究所 710100)

影響功率合成效率的因素分析及解決方法

謝卓遠(yuǎn) 晁衛(wèi)東 雷張華

(西安電子工程研究所 710100)

當(dāng)某型號(hào)雷達(dá)的C波段跟蹤發(fā)射機(jī)在功率合成的時(shí)候，由于各個(gè)末級(jí)功放模塊及系統(tǒng)框架之間存在著相位不匹配等原因，致使功率合成的效率不高。針對(duì)此問(wèn)題，本文分析了相位不匹配對(duì)功率合成造成的影響，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波段跟蹤發(fā)射機(jī)是某火控系統(tǒng)的重要組成部分。為了保證雷達(dá)在各種極端環(huán)境下，能夠達(dá)到其作用距離的要求，因此在分系統(tǒng)調(diào)試階段，對(duì)發(fā)射機(jī)的輸出功率提出了嚴(yán)苛的指標(biāo)要求：需要將跟蹤發(fā)射機(jī)輸出的峰值功率提高到560W以上。為了獲得盡可能高的輸出功率，就需要在功率合成時(shí)，減少一切可能造成發(fā)射機(jī)功率損失的因素，提高合成效率[1]。

然而在早期的調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，有些發(fā)射機(jī)功率合成的效果并不太理想。遇到的問(wèn)題主要有兩種：一種是發(fā)射機(jī)工作頻帶內(nèi)功率起伏大，最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的峰值功率起伏過(guò)大；另一種是輸出功率過(guò)低，整個(gè)帶內(nèi)的峰值功率普遍較低，個(gè)別頻率點(diǎn)很低，甚至不足400W，這種情況如圖1所示。造成功率合成效果差的原因是多方面的，主要包括模塊功率低、系統(tǒng)損耗大、相位不匹配等因素[2]。本文將對(duì)這些原因逐一分析，并提出提高發(fā)射機(jī)功率合成效率的方法。

1 跟蹤發(fā)射機(jī)組成及工作原理

1.1 發(fā)射機(jī)組成

C波段跟蹤發(fā)射機(jī)采用了功率分配、合成的方法來(lái)提高總輸出功率。它的外部是一個(gè)系統(tǒng)框架，框架背后有8根等長(zhǎng)半鋼電纜。框架內(nèi)部由一個(gè)前級(jí)功放模塊、四個(gè)末級(jí)功放模塊和一個(gè)輸出檢測(cè)單元，共同組成一個(gè)完整的發(fā)射機(jī)系統(tǒng)。

1.2 功率合成過(guò)程

發(fā)射機(jī)工作時(shí)，把頻率綜合器[3]送來(lái)的發(fā)射信號(hào)，首先經(jīng)前級(jí)放大器放大，放大后的信號(hào)由一分四功率分配器等分為四路。經(jīng)由系統(tǒng)框架背面的四根半鋼電纜輸出至末級(jí)放大器的輸入端，分別驅(qū)動(dòng)四個(gè)末級(jí)放大器；四個(gè)末級(jí)放大器放大的輸出信號(hào)，再經(jīng)過(guò)系統(tǒng)框架背面的另外四根半鋼電纜，送到輸出檢測(cè)模塊的帶狀線合成器中進(jìn)行功率合成。合成后的功率再經(jīng)過(guò)一個(gè)40dB定向耦合器輸出，經(jīng)射頻電纜送至天線，功率合成示意圖如圖2所示：

2 影響功率合成效率的因素

2.1 功率因素

前級(jí)、末級(jí)功率放大器的輸出功率大小，是發(fā)射機(jī)總輸出功率[4]的決定因素之一。根據(jù)指標(biāo)要求，在室溫條件下前級(jí)功放器輸出的峰值功率不低于50W，末級(jí)功率放大器輸出的峰值功率不低于180W，而功率指標(biāo)在模塊調(diào)試過(guò)程中予以保證。

2.2 系統(tǒng)損耗因素

發(fā)射機(jī)系統(tǒng)由多級(jí)模塊及部件組成。前級(jí)、末級(jí)放大器與輸出檢測(cè)單元之間通過(guò)微波無(wú)源器件共同構(gòu)成發(fā)射機(jī)系統(tǒng)。末級(jí)模塊輸出的信號(hào)在帶狀線合成器內(nèi)合成，通過(guò)40dB定向耦合器輸出。在整個(gè)系統(tǒng)鏈路中，帶狀線合成器和40dB定向耦合器會(huì)對(duì)信號(hào)合成造成影響。根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，可以計(jì)算出系統(tǒng)損耗，技術(shù)指標(biāo)如表格1所示。

表格1 末級(jí)后各部分技術(shù)指標(biāo)

技術(shù)指標(biāo)名稱 輸入口駐波(VSWR)插入損耗(dB)帶狀線合成器lt;1.2gt;-0.640dB耦合器lt;1.2gt;-0.3

根據(jù)插入損耗公式：IL=-20log|S21|；

可求出每一級(jí)功率損耗的計(jì)算方法：Pd=P+(1-|S22|2)；

帶狀線合成器損耗：Pd1=180×[1-10-0.06]≈23.2W；

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

總損耗功率為：Pd=23.2+10.3≈33.5W；

四路末級(jí)總損耗功率為：4Pd=134W；

扣除了系統(tǒng)損耗后的發(fā)射機(jī)輸出功率為：180×4-134=586W。

2.3 相位因素

在發(fā)射機(jī)功率合成過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生相位差的部件包含兩個(gè)方面因素：系統(tǒng)框架背部的半鋼電纜和末級(jí)放大器。

2.3.1 系統(tǒng)框架背部的半鋼電纜

根據(jù)圖紙的要求，所有半鋼電纜都應(yīng)該是等長(zhǎng)的。但是在生產(chǎn)加工過(guò)程中，半鋼電纜的長(zhǎng)度并非嚴(yán)格等長(zhǎng)，因此就會(huì)在各個(gè)半鋼電纜之間產(chǎn)生一定的相位差。由半鋼電纜的長(zhǎng)度誤差所引入的相位差，下面舉例說(shuō)明。

假定發(fā)射機(jī)工作頻率：f0=6GHz；

發(fā)射信號(hào)在自由空間中的波長(zhǎng)：λ0=c/f0=50mm。其中c為真空中的光速；

半鋼電纜中填充的介質(zhì)為聚四氟乙烯，其介電常數(shù)：εr=2.2；

電纜之間的相位差Δφ跟電纜的長(zhǎng)度差的關(guān)系：360°/33.7mm≈10.7°/mm；

根據(jù)計(jì)算，兩根半鋼電纜的長(zhǎng)度每相差1mm，產(chǎn)生的相位誤差：Δφ≈10.7°。

根據(jù)以往實(shí)測(cè)的結(jié)果，半鋼導(dǎo)致的相位差基本都能保證在10°以內(nèi)。對(duì)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的功率合成影響不大。如果能利用這些相位差對(duì)整個(gè)發(fā)射機(jī)進(jìn)行相位調(diào)配，還能產(chǎn)生一些積極地作用，具體方法在后面的章節(jié)會(huì)進(jìn)行介紹。

2.3.2 末級(jí)放大器

末級(jí)放大器內(nèi)部的功率放大器是產(chǎn)生相位差的最重要因素。由于放大器內(nèi)部的半導(dǎo)體材料，在生產(chǎn)的時(shí)候取自一片晶圓的不同部分，所以會(huì)產(chǎn)生相位差。放大器生產(chǎn)出來(lái)以后，管子內(nèi)部的相位差就已經(jīng)確定了，無(wú)法再改變。

表格2列舉了某一次對(duì)16個(gè)末級(jí)放大器進(jìn)行相位測(cè)試的實(shí)際結(jié)果。以生產(chǎn)序號(hào)11001為相位基準(zhǔn)，其余15個(gè)末級(jí)放大器在各頻率點(diǎn)產(chǎn)生的相位差。

表格2 末級(jí)放大器相位測(cè)試記錄

相位差頻率生產(chǎn)序號(hào) 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

如果不進(jìn)行相位測(cè)試，而是按照生產(chǎn)序號(hào)的順序直接對(duì)末級(jí)放大器進(jìn)行組合，四個(gè)發(fā)射機(jī)每一個(gè)都存在較大的相位差。表格3反映了每一套發(fā)射機(jī)組合以后，工作頻帶內(nèi)的相位差程度。

表格3 最大相位、平均最大相位差與輸出功率

末級(jí)模塊組合最大相位差頻帶內(nèi)平均最大相位差輸出功率(W)f1f2f3f4f5f6f711001～1100436°25.7°58158056957857757855711005～1100858°46.8°54250649549750251545811009～1101245°32.8°58555753654854858551511013～1101657°42.8°559548492501495558463

3 相位差對(duì)信號(hào)合成效率的影響

3.1 信號(hào)合成

跟蹤發(fā)射機(jī)的輸出功率，是在輸出檢測(cè)模塊里的帶狀線合成器中進(jìn)行功率合成的。帶狀線合成器能夠把四路微波型號(hào)合成為一路。合成后的信號(hào)頻率不變，振幅相互疊加，合成后的信號(hào)振幅小于四路信號(hào)振幅的標(biāo)量和，幅度大小跟四路信號(hào)之間的相位差有關(guān)系。

3.2 相位差對(duì)功率合成的影響

四路同頻率的微波信號(hào)合成，在相位相等的情況下，振幅會(huì)相互疊加：

V總=V1+V2+V3+V4

如果信號(hào)之間存在著相位差，那么合成后的信號(hào)為：

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

其中，Δφ1～Δφ3是三路信號(hào)相對(duì)第一路的相位差。

由于末級(jí)功放模塊之間的功率起伏不大，為了分析方便假定所有信號(hào)的振幅相等，同時(shí)選出相位差最大的兩個(gè)正弦波Vg與Vb進(jìn)行分析，Vg與Vb之間的相位差Δφ=max{Δφ1、Δφ2、Δφ3}。

如圖4所示，以兩路信號(hào)的疊加為例，說(shuō)明相位差與功率合成之間的關(guān)系：

虛線表示的是合成后的信號(hào)：V總

實(shí)線表示的分別是：

Va=AsinωtVb=Asin(ωt+Δφ)

它們之間的關(guān)系是：

V總=Va+Vb=Asinωt+Asin(ωt+Δφ)

由和差化積公式可得：

V總=2Asin(ωt+Δφ/2)·cos(Δφ/2)

=2Acos(Δφ/2)·sin(ωt+Δφ/2)

式中2Acos(Δφ/2)反映了兩路正弦波之間的相位差Δφ與合成后的正弦波的電壓幅度之間的關(guān)系；

Δφ表示的是正弦波1與正弦波2之間的相位差；cos(Δφ/2)表示的是合成后由于相位差引起的電壓幅度衰減的比例；sin(ωt+Δφ/2)表示合成后的正弦波頻率不變，只是初相位相對(duì)于Va發(fā)生了Δφ/2的偏移。

由于信號(hào)功率不滿足疊加原理，必須采用電壓進(jìn)行信號(hào)合成分析，而功率與電壓之間存在一個(gè)平方的比例關(guān)系，最終得到相位差與合成效率之間的關(guān)系為η=cos2(Δφ/2)≥560/576。

根據(jù)上面的公式，表格4列舉了典型的相位差與合成效率之間的關(guān)系。

表格4 相位差與合成效率的關(guān)系

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

根據(jù)指標(biāo)要求規(guī)定，發(fā)射機(jī)總輸出功率不低于560W，僅考慮系統(tǒng)損耗情況的總輸出功率約為586W。結(jié)合上面推導(dǎo)處的關(guān)系式，就可以計(jì)算出滿足功率合成要求的相位差取值范圍。

η=cos2(Δφ/2)≥560/586≈0.955

經(jīng)計(jì)算可得：Δφ≤24.3°，即合成信號(hào)之間的相位差要求在24.3°以內(nèi)。

4 提高合成效率的方法

4.1 末級(jí)配相法

根據(jù)末級(jí)放大器相位測(cè)試的結(jié)果合理調(diào)配，可以有效地降低相位差對(duì)功率合成的影響。以表格2中的測(cè)試結(jié)果為基礎(chǔ)，根據(jù)相位測(cè)試結(jié)果，按相位從大到小的順序重新優(yōu)化排序。優(yōu)化后的結(jié)果如表格5所示。

表格5 優(yōu)化后的末級(jí)放大器排序

頻率生產(chǎn)序號(hào) 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

根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)果重新對(duì)末級(jí)放大器進(jìn)行組合。重新組合后的發(fā)射機(jī)，相位差明顯縮小，輸出功率明顯提高。表格6列出了優(yōu)化后的末級(jí)放大器組合方式，以及相位差和輸出功率的情況。

表格6 優(yōu)化后的發(fā)射機(jī)相位差與輸出功率

優(yōu)化后的組合最大相位差頻帶內(nèi)平均最大相位差輸出功率(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，優(yōu)化過(guò)后的發(fā)射機(jī)與按順序組合的發(fā)射機(jī)相比，輸出功率有顯著的提高，頻帶內(nèi)的功率起伏也變得很小。

4.2 半鋼電纜相位差的調(diào)配作用

因?yàn)榘脘撾娎|的加工誤差會(huì)產(chǎn)生一定的相位差。半鋼電纜之間的相位差比較小，一般不大于10°。通過(guò)調(diào)整末級(jí)模塊的位置，可以使這部分相位差起到一個(gè)中和的作用，進(jìn)一步縮小發(fā)射機(jī)系統(tǒng)相位差對(duì)功率合成的影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)配相位提高跟蹤發(fā)射機(jī)的輸出功率的方法，是在工作實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的一套調(diào)試方法。這種方法分析了跟蹤發(fā)射機(jī)在功率合成過(guò)程中， 影響功率合成的各種因素，得出配相位法可以使發(fā)射機(jī)能夠獲得最大的輸出功率。該方法具有一定的推廣價(jià)值，在今后遇到類似的功率合成問(wèn)題時(shí)，提供了一種解決思路。

[1] 廖承恩. 微波技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

[2] 李躍峰.脈沖功率放大器相位測(cè)量方法[J].火控雷達(dá)技術(shù)，2005，34(3):54-57.

[3] 張寅.低相噪小步進(jìn)頻率綜合其的設(shè)計(jì)[J].工程技術(shù)，2013，12:212-214.

[4] 丁鷺飛，耿富錄.雷達(dá)原理(第三版)[M]. 西安：西安電子科技大學(xué)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

謝卓遠(yuǎn)(1978-),男，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)槲⒉夹g(shù)。

TN957.3

A

1008-8652(2017)03-064-05