N路功率合成的失效分析

蔡 昱，成海峰

（南京電子器件研究所微波與毫米波專用模塊電路研發(fā)部，南京 210016）

1 引言

近些年來，固態(tài)合成功率放大器被越來越多的人關(guān)注和研究。固態(tài)合成功率放大器一般以微波功率單片為核心器件，通過多路合成結(jié)構(gòu)進(jìn)行功率合成而獲得大功率輸出。隨著國內(nèi)半導(dǎo)體工藝水平的不斷提高，采用GaAs材料的微波單片集成電路（MMIC）被廣泛應(yīng)用，固態(tài)合成功率放大器也開始大量被應(yīng)用到各種微波工程之中。根據(jù)目前國內(nèi)的報道，已經(jīng)有多種固態(tài)合成功率放大器的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品皆以多路波導(dǎo)合成的方式獲得大功率。其中最具代表性的由南京電子器件研究所研制的Ku波段600W固態(tài)功率放大器采用了多達(dá)128路的功率合成。

在使用這些多路合成結(jié)構(gòu)對大量功率器件進(jìn)行功率合成時，一個或者多個器件的失效將對總體的輸出功率造成多大的影響便成為了大家極其關(guān)心的性能指標(biāo)。本文就將從理論上分析器件失效對總體功率的影響，并以Ku波段八路合成功率模塊為例進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 多端口合成網(wǎng)絡(luò)原理分析

圖1是一個N路功率合成器的框圖模型，我們可以看到b0為輸出信號，N個輸入端口，輸入信號為Ui1～Uin。輸出信號是所有輸入信號合成得到的，由此我們可以得出輸出信號的公式如下：

圖1 N端口合成網(wǎng)絡(luò)框圖

考慮在理想的狀態(tài)下，合成器N路的輸入信號一致，且駐波理想，沒有回波信號。即為：

我們可以看出在實(shí)現(xiàn)功率合成時，所有的輸出信號都從輸出端口流出，而沒有在輸入端反射。原因是并非只考慮單端口的輸入駐波好壞，而是N個端口入射波在該端口疊加的效果。事實(shí)上，一個無耗的多端口網(wǎng)絡(luò)是無法全部獲得較好的輸入駐波的。所以如果合成器的一個輸入端口適配，或者輸入異常，其他幾個輸入端口都會產(chǎn)生影響，其余N-1個端口的反射波將加大。最終對于輸出端的影響將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過原來輸出功率的1/N。

我們以最基礎(chǔ)的兩路波導(dǎo)合成器為模型對單端口的失效進(jìn)行分析。圖2是一個兩路波導(dǎo)合成器的3D模型圖。其中Port1為輸出端口，Port2和Port3為輸入端口。

該合成器是一個三端口網(wǎng)路，其理想的三端口S參數(shù)網(wǎng)路矩陣如下，可以看到輸出端口的功率來自兩個輸入端口且各占50%。

在合成狀態(tài)中有可能出現(xiàn)的失效模式為其中一路的功率放大器出現(xiàn)故障不輸出功率。我們將上述模型設(shè)置成Port3端口輸入，其余兩個端口為輸出進(jìn)行模擬仿真，得到以下的S參數(shù)矩陣。

可以看到相關(guān)Port2和Port3的S參數(shù)已經(jīng)出現(xiàn)變化。由上述S參數(shù)矩陣可以得到:

Port1的輸出功率為Port3輸入功率的50%。而正常工作狀態(tài)下，輸出功率為Port2和Port3兩端口的輸入功率之和。所以一路失效會導(dǎo)致最終的合成功率變?yōu)樵瓉淼?/4，即下降6dB。

圖2 兩路波導(dǎo)合成器的3D模型圖

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

我們以南京電子器件研究所研制的Ku波段寬帶功率放大模塊為試驗(yàn)對象對失效模式進(jìn)行試驗(yàn)。圖3是該模塊的實(shí)物照片。

該功率模塊采用8路波導(dǎo)合成結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)Ku全頻帶70W的輸出功率。我們在試驗(yàn)中通過將其中的一路功率器件斷電來模擬失效模式。圖4是該功率放大模塊關(guān)閉一路或多路獲得輸出功率的曲線。

我們可以看出正常工作狀態(tài)下輸出功率為72W，當(dāng)1/2的器件關(guān)閉時，功率變?yōu)?8.2W，約為原來的1/4；3/4的器件關(guān)閉時，功率變?yōu)?.6W，約為原來的1/16，符合前面的推導(dǎo)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論與分析

本文對固態(tài)合成功率放大器單路或多路失效進(jìn)行了理論分析并對八路合成的固態(tài)功放進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，得出了多路失效狀態(tài)下的功率曲線。

根據(jù)圖4的曲線，我們可以分析出功率模塊損壞的比例和功率下降比例的關(guān)系，表1具體列出了該比例關(guān)系。

根據(jù)上面的對應(yīng)關(guān)系，我們可以將這一功率變化規(guī)律用于工程應(yīng)用當(dāng)中。在以2N路合成的固態(tài)功率放大器中，可以通過關(guān)閉其中的若干路來達(dá)到不同的功率輸出，以實(shí)現(xiàn)功率輸出管理。

［1］David B Rutledge, Nai-Shuo Cheng, Robert A York, et a1.Failures in Power-Combining Arrays [C]. IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, 1999, 47（7）：1 077-1 082.

［2］吳萬春. 微波網(wǎng)路及其應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社.

［3］N Marcuvitz. Waveguide Handbook [M]. New York：Peter Peregrinus Ltd. 1986.