基于鏡像電橋的超寬帶功放二次諧波調(diào)諧方法

魯 帆，孫 彪，鄧 暢，康小克

(1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101;2.成都中科天御通信技術(shù)有限公司，四川 成都 610000)

0 引 言

在現(xiàn)代通信、雷達(dá)及電子對(duì)抗領(lǐng)域中，固態(tài)功率放大器的應(yīng)用范圍越來越廣泛，發(fā)射機(jī)系統(tǒng)對(duì)功率放大的輸出功率和頻率帶寬要求也越來越高，因此，設(shè)計(jì)低功耗、高穩(wěn)定功率輸出的固態(tài)功率放大器尤為重要。然而由于半導(dǎo)體自身物理特性的影響，相對(duì)于真空器件，單只固態(tài)功率管芯片輸出功率有限[1-3]，且隨著頻率和帶寬增加，單功率芯片的輸出功率也會(huì)明顯減小，無法滿足電子系統(tǒng)的大功率需求。采用功率合成技術(shù)，將若干分立芯片功率矢量疊加，再實(shí)現(xiàn)大功率輸出。

隨著系統(tǒng)指標(biāo)越來越嚴(yán)格，針對(duì)寬帶大功率放大組件，除了要求發(fā)射功率更高以外，帶內(nèi)雜散、諧波以及靜噪等相關(guān)指標(biāo)要求也越為苛刻。通過多級(jí)放大和均衡電路設(shè)計(jì)，將輸入信號(hào)逐級(jí)穩(wěn)步放大(避免功率深度飽和)，可以有效降低靜態(tài)噪聲。為了提高輸出功率和合成效率，利用數(shù)字預(yù)失真(DPD)可以改進(jìn)功率放大器的線性度[4]，如F類或F-1類[5-6]高效率功率放大器。而此類放大器需要奇次諧波和偶次諧波的開路或短路條件(頻率已知)，很難實(shí)現(xiàn)寬帶設(shè)計(jì)，對(duì)于諧波指標(biāo)，特別是超寬帶帶內(nèi)諧波，更是無法抑制。因此，本文提出一種新的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)功率放大器，可以實(shí)現(xiàn)超寬帶二次諧波抑制要求。

1 實(shí)現(xiàn)原理

一般情況下，二次諧波和三次諧波對(duì)功率放大器的輸出功率和效率有較大的影響，更高次諧波阻抗對(duì)功率放大器的性能影響相對(duì)較小，而過多考慮諧波影響會(huì)增加設(shè)計(jì)電路的復(fù)雜度，但對(duì)性能的改進(jìn)較小。因此，本文只針對(duì)二次諧波抑制進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)的功率放大器二次諧波調(diào)諧電路如圖1所示，調(diào)諧電路由微帶低通濾波電路、1/4波長(zhǎng)線和切換開關(guān)電路組成。由于λg/4微帶線對(duì)基波和奇次諧波是開路，對(duì)偶次諧波是短路，設(shè)置微帶電路L的長(zhǎng)度為λg/4，優(yōu)化匹配電路，可以實(shí)現(xiàn)二次諧波的最佳反射。然而λg/4只能針對(duì)中心和有限窄帶內(nèi)頻率有較好的二次諧波抑制，針對(duì)超寬帶設(shè)計(jì)電路，很難保證所有頻點(diǎn)都實(shí)現(xiàn)二次諧波阻抗匹配。為了解決這個(gè)問題，有人提出功放工作頻率分段并增加匹配電路的方式實(shí)現(xiàn)頻率的諧波抑制[7-10]，而這種方法能夠拓寬的頻率帶寬有限。

圖1 傳統(tǒng)二次諧波調(diào)諧電路

本文提出一種覆蓋6～18 GHz的超寬帶諧波調(diào)諧的方法，通過鏡像電橋?qū)崿F(xiàn)二次諧波調(diào)諧，實(shí)現(xiàn)功放功率的高效輸出。

由文獻(xiàn)[11]可知，耦合電橋和放大器都可以等效成四端口網(wǎng)絡(luò)，其傳輸矩陣分別如下：

90°耦合電橋，其傳輸矩陣為：

180°耦合電橋，其傳輸矩陣為：

對(duì)于基波信號(hào)，放大器近似傳輸矩陣為：

式中：G為基波信號(hào)的增益系數(shù)。

對(duì)于二次諧波信號(hào)，90°和180°耦合電橋?qū)?yīng)放大器近似傳輸矩陣為：

利用傳輸矩陣相乘得到的合成電路等效總矩陣，可以求得不同電橋?qū)?yīng)的基波和二次諧波。

假設(shè)射頻信號(hào)為：

P0=A1e-j1(ωt+φ)+B1e-j2(ωt+φ′)

(1)

式中：A1e-j1(ωt+φ)為基波功率；B1e-j2(ωt+φ)為二次諧波信號(hào)；ω為頻率周期；φ和φ′分別為基波信號(hào)和二次諧波信號(hào)的初始相位。

如圖2所示，射頻信號(hào)經(jīng)過功率合成網(wǎng)絡(luò)輸出變?yōu)椋?/p>

P1=A2e-j1(ωt+φ)+B2e-j2(ωt+φ′)

(2)

圖2 傳統(tǒng)功率合成電路

圖3 基于90°電橋電路設(shè)計(jì)

如圖3所示，利用負(fù)載匹配耦合四端口網(wǎng)絡(luò)的某一輸入端口，射頻信號(hào)經(jīng)過另一輸出端口進(jìn)入90°電橋后，直通端輸出的射頻和二次諧波信號(hào)沒有變化，可用式(1)表示；耦合端輸出射頻和二次諧波信號(hào)則變?yōu)楣?3)[11]：

P1′=A3e-j1(ωt+φ+90°)+B3e-j2(ωt+φ′+90°)

(3)

直通端和耦合端輸出信號(hào)經(jīng)過放大電路傳輸至鏡像耦合四端口90°電橋，可以得出電橋輸出端口1的射頻和二次諧波信號(hào)變?yōu)椋?/p>

P2=2A4e-j1(ωt+φ+90°)+2B4e-j2(2ωt+φ′+180°)

(4)

輸出端口2的射頻和二次諧波信號(hào)變?yōu)椋?/p>

P3=2B4e-j2(2ωt+φ′)

(5)

同理，如圖4所示，針對(duì)同一射頻信號(hào)輸入，若更換為鏡像四端口180°電橋，則可以得出電橋輸出端口1的射頻和二次諧波信號(hào)變?yōu)?

P4=2A5e-j1(ωt+φ+180°)

(6)

圖4 基于180°電橋電路設(shè)計(jì)

輸出端口2的射頻和二次諧波信號(hào)變?yōu)椋?/p>

P5=2A5e-j1(ωt+φ)

(7)

從公式(1)～(7)可以看出，與傳統(tǒng)功分合成電路比較，利用90°鏡像耦合電橋，可以理論上實(shí)現(xiàn)3 dB的諧波抑制；利用180°鏡像耦合電橋，可以理論上實(shí)現(xiàn)無窮大的諧波抑制。

2 仿真計(jì)算

針對(duì)上述公式推導(dǎo)得出的結(jié)論，通過ADS仿真軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，如圖5所示。建立傳統(tǒng)功率合成網(wǎng)絡(luò)仿真模型，設(shè)定輸入射頻信號(hào)頻率6 GHz，功率為0 dBm，合成支路放大器增益10 dBm，輸出P-1為5 dBm。

圖5 傳統(tǒng)功率合成網(wǎng)絡(luò)仿真模型

如圖6所示，合成網(wǎng)絡(luò)輸出口對(duì)應(yīng)基波6 GHz的功率為6.16 dBm，二次諧波功率為-4.44 dBm。

如圖7所示，針對(duì)上述同樣輸入，利用90°鏡像耦合電橋替換功分合成網(wǎng)絡(luò)。仿真結(jié)果如圖8所示，可以看出，輸出基波信號(hào)功率不變，二次諧波功率由-4.44 dBm變?yōu)?7.45 dBm，調(diào)諧抑制3 dB，與理論公式推導(dǎo)結(jié)論吻合。

圖6 傳統(tǒng)功率合成網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果

同理，如圖9所示，針對(duì)上述同樣輸入，利用180°鏡像耦合電橋替換功分合成網(wǎng)絡(luò)。仿真結(jié)果如圖10所示，可以看出，輸出基波信號(hào)功率不變，二次諧波功率由-4.44 dBm變?yōu)?329.6 dBm，調(diào)諧抑制接近無窮大，與理論公式推導(dǎo)結(jié)論吻合。

3 實(shí)測(cè)分析

針對(duì)上述模型，搭建實(shí)物平臺(tái)測(cè)試，如圖11和圖12所示。

圖11為傳統(tǒng)功分合成電路，利用1對(duì)功分器(黑色)和限幅放大器搭建測(cè)試模型，其中2～18 GHz功分器的插入損耗為7 dB，2～12 GHz限幅放大器飽和輸出功率為3±1 dBm(-50～-20 dBm輸入)。如圖12所示，利用1對(duì)90°鏡像電橋和限幅器搭建測(cè)試平臺(tái)，2種電路分別利用信號(hào)源輸入頻率2 GHz,功率-30 dBm，頻譜分析儀測(cè)試輸出結(jié)果(-10 dB衰減匹配)如表1所示。

表1 2種電路實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

圖7 90°耦合電橋功率合成仿真模型

圖8 90°耦合電橋功率合成仿真結(jié)果

從表1可以看出，相對(duì)于傳統(tǒng)電路，基于90°鏡像耦合電路可以實(shí)現(xiàn)2.6 dB的二次諧波抑制，符合理論推導(dǎo)計(jì)算。

4 結(jié)束語

本文提出一種基于鏡像耦合電橋的功率合成電路二次諧波調(diào)諧的方法，通過理論和仿真計(jì)算得出結(jié)論，即90°鏡像耦合電橋可以實(shí)現(xiàn)3 dB的諧波抑制；180°鏡像耦合電橋可具備無窮大的諧波調(diào)諧能力?；诂F(xiàn)有的耦合電路和放大器搭建實(shí)物測(cè)試平臺(tái)，實(shí)測(cè)結(jié)果表明90°鏡像耦合電橋可實(shí)現(xiàn)2.5 dB諧波調(diào)諧，進(jìn)一步驗(yàn)證了上述結(jié)論。此方法對(duì)寬帶功率放大器合成效率和諧波抑制指標(biāo)有較明顯的提升，這為設(shè)計(jì)超寬帶空間或平面功率合成實(shí)現(xiàn)大功率輸出要求的放大器有非常重要的意義，也為大功率放大器的工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

圖9 180°耦合電橋功率合成仿真模型

圖10 180°耦合電橋功率合成仿真結(jié)果

圖12 90°耦合電橋?qū)崪y(cè)平臺(tái)