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(jì)，同時(shí)采用實(shí)頻技術(shù)法進(jìn)行寬帶功放設(shè)計(jì)，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(jí)聯(lián)的技術(shù)輸出功率為8 W，兩路合成后，實(shí)測(cè)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(shí)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(hào)功率從而增大通信距離。PA的設(shè)計(jì)難點(diǎn)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(jì)研制機(jī)載功放組件[1-4]的完整設(shè)計(jì)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(diǎn)，適用于無人機(jī)飛行時(shí)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(jì)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(gè)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(gè)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(jì)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(shí)現(xiàn)功率合成與分配單元[8]。微帶線是由一對(duì)傳輸線構(gòu)成的，線長為中心頻率對(duì)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(shí)，端口1輸入信號(hào)，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(chǎng)作用下，會(huì)產(chǎn)生流向端口2和端口4的電流。在端口4，由于電場(chǎng)耦合電流和磁場(chǎng)耦合電流方向相反，如果剛好使兩個(gè)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(shí)，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(shí)，端口4沒有能量輸出，而端口2和3各輸出信號(hào)源功率的一半。由于傳輸線為1/4波長，端口3信號(hào)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(shí)，信號(hào)源加在端口1和端口4，信號(hào)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(hào)U3為：
U1在耦合端口，端2口產(chǎn)生的信號(hào)U2為：
另一路加在隔離端的輸入信號(hào)U4為：
U4信號(hào)在端口3產(chǎn)生的信號(hào)U3′為：
U4信號(hào)在端口2產(chǎn)生的信號(hào)U2′為：
合成時(shí)，直通端口的信號(hào)總和為：
耦合端口的信號(hào)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(hào)，可以在端口3得到功率合成信號(hào)。
2 功率放大器的仿真與設(shè)計(jì)
2.1 功分器仿真與設(shè)計(jì)
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?？梢钥闯?，功分器的插損為3 dB左右，隔離度在20 dB以上。
實(shí)際設(shè)計(jì)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(jì)中需要注意以下幾點(diǎn)：
?。?）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)；
?。?）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(jì)時(shí)要同時(shí)兼顧50 匹配；
?。?）微帶線表面綠油要?jiǎng)兂?/p>
2.2 功率放大器設(shè)計(jì)方案
功率放大器的具體實(shí)現(xiàn)方式如下：由兩級(jí)放大器級(jí)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(jì)要求的15 W以上。兩級(jí)級(jí)聯(lián)的放大器為：ADI的ADL5342和TriQuint的AP561-F。級(jí)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(jì)中使用的ADL5342和AP561-F的匹配電路版圖設(shè)計(jì)方案。
設(shè)計(jì)中需要注意以下幾點(diǎn)：
?。?）信號(hào)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(dòng)，否則會(huì)影響電路匹配，最終影響輸出功率值；
?。?）信號(hào)線兩側(cè)要布好接地孔。
3 整機(jī)調(diào)試與實(shí)驗(yàn)測(cè)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(hào)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(hào)功率大小不一樣，則功率合成效率會(huì)明顯降低。功分器輸出信號(hào)經(jīng)過功率放大器之后，相位會(huì)出現(xiàn)偏差，兩路輸出功率大小也不一致。
調(diào)試核心要點(diǎn)：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(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)S11系數(shù)的優(yōu)化，同時(shí)可以極大地減小相位偏差。調(diào)節(jié)前后相位偏差對(duì)比如表2所示，整機(jī)最終測(cè)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(shí)測(cè)指標(biāo)滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(diǎn)，十分適用于無人機(jī)飛行時(shí)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(cè)試，該功率合成放大器在L波段1.3 GHz~1.7 GHz性能良好，實(shí)測(cè)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(shí)用水平。
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