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)某型號雷達(dá)的C波段跟蹤發(fā)射機(jī)在功率合成的時候，由于各個末級功放模塊及系統(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。針對此問題，本文分析了相位不匹配對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，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)的峰值功率起伏過大；另一種是輸出功率過低，整個帶內(nèi)的峰值功率普遍較低，個別頻率點(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、合成的方法來提高總輸出功率。它的外部是一個系統(tǒng)框架，框架背后有8根等長半鋼電纜?？蚣軆?nèi)部由一個前級功放模塊、四個末級功放模塊和一個輸出檢測單元，共同組成一個完整的發(fā)射機(jī)系統(tǒng)。

1.2 功率合成過程

發(fā)射機(jī)工作時，把頻率綜合器[3]送來的發(fā)射信號，首先經(jīng)前級放大器放大，放大后的信號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放大器的輸入端，分別驅(qū)動四個末級放大器；四個末級放大器放大的輸出信號，再經(jīng)過系統(tǒng)框架背面的另外四根半鋼電纜，送到輸出檢測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)過一個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、末級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，在室溫條件下前級功放器輸出的峰值功率不低于50W，末級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)由多級模塊及部件組成。前級、末級放大器與輸出檢測單元之間通過微波無源器件共同構(gòu)成發(fā)射機(jī)系統(tǒng)。末級模塊輸出的信號在帶狀線合成器內(nèi)合成，通過40dB定向耦合器輸出。在整個系統(tǒng)鏈路中，帶狀線合成器和40dB定向耦合器會對信號合成造成影響。根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，可以計算出系統(tǒng)損耗，技術(shù)指標(biāo)如表格1所示。

表格1 末級后各部分技術(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|；

可求出每一級功率損耗的計算方法：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)功率合成過程中，會產(chǎn)生相位差的部件包含兩個方面因素：系統(tǒng)框架背部的半鋼電纜和末級放大器。

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)該是等長的。但是在生產(chǎn)加工過程中，半鋼電纜的長度并非嚴(yán)格等長，因此就會在各個半鋼電纜之間產(chǎn)生一定的相位差。由半鋼電纜的長度誤差所引入的相位差，下面舉例說明。

假定發(fā)射機(jī)工作頻率：f0=6GHz；

發(fā)射信號在自由空間中的波長：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跟電纜的長度差的關(guān)系：360°/33.7mm≈10.7°/mm；

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

根據(jù)以往實(shí)測的結(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整個發(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)會進(jìn)行介紹。

2.3.2 末級放大器

末級放大器內(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)的時候取自一片晶圓的不同部分，所以會產(chǎn)生相位差。放大器生產(chǎn)出來以后，管子內(nèi)部的相位差就已經(jīng)確定了，無法再改變。

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

表格2 末級放大器相位測試記錄

相位差頻率生產(chǎn)序號 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)行相位測試，而是按照生產(chǎn)序號的順序直接對末級放大器進(jìn)行組合，四個發(fā)射機(jī)每一個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 相位差對信號合成效率的影響

3.1 信號合成

跟蹤發(fā)射機(jī)的輸出功率，是在輸出檢測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合成為一路。合成后的信號頻率不變，振幅相互疊加，合成后的信號振幅小于四路信號振幅的標(biāo)量和，幅度大小跟四路信號之間的相位差有關(guān)系。

3.2 相位差對功率合成的影響

四路同頻率的微波信號合成，在相位相等的情況下，振幅會相互疊加：

V總=V1+V2+V3+V4

如果信號之間存在著相位差，那么合成后的信號為：

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

其中，Δφ1～Δφ3是三路信號相對第一路的相位差。

由于末級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的振幅相等，同時選出相位差最大的兩個正弦波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，以兩路信號的疊加為例，說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：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，只是初相位相對于Va發(fā)生了Δφ/2的偏移。

由于信號功率不滿足疊加原理，必須采用電壓進(jìn)行信號合成分析，而功率與電壓之間存在一個平方的比例關(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)計算可得：Δφ≤24.3°，即合成信號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 末級配相法

根據(jù)末級放大器相位測試的結(jié)果合理調(diào)配，可以有效地降低相位差對功率合成的影響。以表格2中的測試結(jié)果為基礎(chǔ)，根據(jù)相位測試結(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)化后的末級放大器排序

頻率生產(chǎn)序號 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)果重新對末級放大器進(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°。通過調(diào)整末級模塊的位置，可以使這部分相位差起到一個中和的作用，進(jìn)一步縮小發(fā)射機(jī)系統(tǒng)相位差對功率合成的影響。

5 結(jié)束語

通過配相位提高跟蹤發(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值，在今后遇到類似的功率合成問題時，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[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，高級工程師。研究方向?yàn)槲⒉夹g(shù)。

TN957.3

A

1008-8652(2017)03-064-05