摘 要： 無人機(jī)機(jī)載功率放大器的性能一直是限制無人機(jī)技術(shù)發(fā)展的主要因素，為此提出了將功率合成技術(shù)應(yīng)用于無人機(jī)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的方法解決上述問題。利用微帶線技術(shù)結(jié)合系統(tǒng)性的電路調(diào)試方法，輔以Advanced Design System仿真軟件優(yōu)化設(shè)計，同時采用實頻技術(shù)法進(jìn)行寬帶功放設(shè)計，成功研制了頻段在1.3 GHz~1.7 GHz的功率放大器，單路功率放大器采用級聯(lián)的技術(shù)輸出功率為8 W，兩路合成后，實測總輸出功率為15.67 W，合成效率達(dá)97%，性能穩(wěn)定，達(dá)到實用水平。
關(guān)鍵詞： 功率合成技術(shù)；無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈；輸出功率
0 引言
功率放大器（Power Amplifier，PA）是數(shù)據(jù)鏈路射頻發(fā)射設(shè)備中的核心器件，主要用于提高發(fā)射信號功率從而增大通信距離。PA的設(shè)計難點在于在保證系統(tǒng)正常穩(wěn)定工作的前提下如何能獲得更高的輸出功率。本文以應(yīng)用于無人機(jī)上的機(jī)載功率放大器為例，介紹了采用微波功率合成技術(shù)設(shè)計研制機(jī)載功放組件[1-4]的完整設(shè)計過程。功率合成技術(shù)應(yīng)用于無人機(jī)數(shù)據(jù)系統(tǒng)是一種全新的嘗試，功率合成技術(shù)具有損耗低、頻帶寬、隔離度優(yōu)異的特點，適用于無人機(jī)飛行時復(fù)雜惡劣的高空環(huán)境。該技術(shù)的應(yīng)用大幅提高了輸出功率，使得無人機(jī)在一定載荷下具有更大的飛行范圍[5-6]，節(jié)約了人力物力成本，保證了無人機(jī)飛行的成功進(jìn)行[7]。
1 功率放大器的設(shè)計原理與方法
1.1技術(shù)主要組成部分
通過采用功率合成技術(shù)改善無人機(jī)機(jī)載功率放大器性能，使得整個數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)可以得到更大的輸出功率，增大無人機(jī)飛行范圍，提高整個無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)性能。L波段功率合成功率放大器整體原理圖如圖1所示。
1.2 系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)
系統(tǒng)性能指標(biāo)如表1所示。
1.3功率合成原理
圖2為微波功率合成中功率合成與分配單元，圖3為功率合成器模塊。采用微帶線的方式實現(xiàn)功率合成與分配單元[8]。微帶線是由一對傳輸線構(gòu)成的，線長為中心頻率對應(yīng)的1/4波長。工作原理如下：在該結(jié)構(gòu)單元中，端口1稱為輸入端，端口2稱為耦合端，端口3稱為直通端，端口4稱為隔離端。作為功分器使用時，端口1輸入信號，電流由端口1流向端口3。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，產(chǎn)生由端口4流向端口2的感應(yīng)電流。在電場作用下，會產(chǎn)生流向端口2和端口4的電流。在端口4，由于電場耦合電流和磁場耦合電流方向相反，如果剛好使兩個電流的幅度大小相等，則能量抵消，故端口4無能量輸出。在理想情況下，可證明，當(dāng)帶狀線長度為λ/4時，兩線間耦合最大，并且輸入端口1和輸出端口2、3與耦合器相匹配時，端口4沒有能量輸出，而端口2和3各輸出信號源功率的一半。由于傳輸線為1/4波長，端口3信號相位滯后端口2 90°。
圖3所示模塊作為功率合成器使用，合成時，信號源加在端口1和端口4，信號相位相差90°。公式分析推導(dǎo)：
U1在直通端口，端口3產(chǎn)生的信號U3為：
U1在耦合端口，端2口產(chǎn)生的信號U2為：
另一路加在隔離端的輸入信號U4為：
U4信號在端口3產(chǎn)生的信號U3′為：
U4信號在端口2產(chǎn)生的信號U2′為：
合成時，直通端口的信號總和為：
耦合端口的信號總和為：
端口1和端口4的輸入功率分別為P1、P2。
端口3的總功率為：
綜上所述，在端口1和端口4加入兩路大小相等、相位相差90°的信號，可以在端口3得到功率合成信號。
2 功率放大器的仿真與設(shè)計
2.1 功分器仿真與設(shè)計
功分器仿真原理如圖4所示，使用ADS仿真，結(jié)果如圖5所示。可以看出，功分器的插損為3 dB左右，隔離度在20 dB以上。
實際設(shè)計的功分器版圖如圖6所示，功分器和功率合成器是相同的結(jié)構(gòu)，只需要把輸入輸出相互調(diào)換即可。
設(shè)計中需要注意以下幾點：
（1）功分器微帶結(jié)構(gòu)中連接電阻采用兩根寬度非常小的細(xì)線，用來模擬高阻狀態(tài)；
（2）功分器輸出與功率放大器輸入端之間要提前預(yù)留π衰位置，方便后面調(diào)試使用；
（3）線寬設(shè)計時要同時兼顧50 匹配；
（4）微帶線表面綠油要剝除。
2.2 功率放大器設(shè)計方案
功率放大器的具體實現(xiàn)方式如下：由兩級放大器級聯(lián)，單路最終總輸出功率達(dá)到8 W。兩路合成，使總輸出功率達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計要求的15 W以上。兩級級聯(lián)的放大器為：ADI的ADL5342和TriQuint的AP561-F。級聯(lián)之后，達(dá)到單路39 dBm（8 W）的輸出功率。
圖7和圖8給出了功放設(shè)計中使用的ADL5342和AP561-F的匹配電路版圖設(shè)計方案。
設(shè)計中需要注意以下幾點：
（1）信號路上并聯(lián)電容距離輸入輸出端為特定的尺寸，該距離不可隨意改動，否則會影響電路匹配，最終影響輸出功率值；
（2）信號線兩側(cè)要布好接地孔。
3 整機(jī)調(diào)試與實驗測試
總輸出功率由功分器和功率放大器兩部分決定。輸入到功率合成器的兩路信號必須大小相等以及具有固定相位差才能保證高效率的功率合成，如果存在相位偏差，或者輸入到功率合成器的兩路輸入信號功率大小不一樣，則功率合成效率會明顯降低。功分器輸出信號經(jīng)過功率放大器之后，相位會出現(xiàn)偏差，兩路輸出功率大小也不一致。
調(diào)試核心要點：通過在功分器輸出與功率放大器輸入之間加π衰位以及功放輸出端預(yù)留并聯(lián)電容位的方式調(diào)節(jié)功率放大器輸入輸出匹配，解決相位偏差和輸出功率不一致的問題。通過在輸出端預(yù)留位對輸出并聯(lián)電容位置和電容的大小進(jìn)行微調(diào)，可以改善S21系數(shù)；在預(yù)留的π衰位加電感和電容，并進(jìn)行容值和感值的微調(diào)可以實現(xiàn)對S11系數(shù)的優(yōu)化，同時可以極大地減小相位偏差。調(diào)節(jié)前后相位偏差對比如表2所示，整機(jī)最終測試結(jié)果如表3所示。
如圖9所示，功率合成后最終輸出總功率為15.67 W（41.95 dBm），功率合成器合成效率為97%。實測指標(biāo)滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。
4 結(jié)論
本文提出了一種基于功率合成技術(shù)，應(yīng)用于無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的機(jī)載功率放大器，該功率合成放大器具有損耗低、頻帶寬、隔離度優(yōu)異的特點，十分適用于無人機(jī)飛行時復(fù)雜惡劣的高空環(huán)境，優(yōu)化了無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈鏈路系統(tǒng)，提高了無人飛行的穩(wěn)定性。經(jīng)過測試，該功率合成放大器在L波段1.3 GHz~1.7 GHz性能良好，實測總輸出功率為15.67 W，功率合成效率為97%，穩(wěn)定性優(yōu)異，已達(dá)到實用水平。
參考文獻(xiàn)
[1] TAHARA Y， OH-HASHI H， BAN T， et al. A low-loss serial power combiner using novel suspended stripline couplers[J]. IEEE MTT-S International， Microwave Symposium Digest，2001（1）：39-42.
[2] Jia Pengcheng， Chen L Y， Chang Naishuo， et al. Design of waveguide finline arrays for spatial power combining[J].IEEE Transactions on Microwave Theory Techniques，2001， 49（4）：609-614.
[3] 張玉興.射頻與微波晶體管功率放大器工程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.
[4] 周煥文，王長河.關(guān)于400兆赫50瓦功率晶體管的阻抗與匹配問題[J].半導(dǎo)體情報，1979（Z1）：5-17.
[5] 黃香馥.寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)[M].西安：西北電訊工程學(xué)院出版社，1986.
[6] POZAR D M. Microwave engineering[M]. America： Wiley，2006.
[7] 雷國忠.固態(tài)發(fā)射機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究[J].火控雷達(dá)技術(shù)，2000，29（4）：1-6.
[8] 鄧紹范.微波功率合成技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1990.