如何将相控阵技术用于功放设计？空间功率合成技术简介

2.2 空间功率合成技术介绍
 
空间功率合成是指多路微波信号在微波波导腔体内的空间中进行功率合成，充分利用了波导损耗小的特点，同时发挥波导阻抗变换灵活的优势，实现多路数和高效率的功率合成。由于在带宽很宽，因此传统的平面合成损耗过大，而采用低损耗的空间合成方式，可以大大降低合成和分配损耗。例如如果采用传统的平面二叉树的合成方式，合成16路功率器件，那么就需要经过4级功率合成，导致合成损耗过大，合成效率大大降低。

（a）平面合成



（b）空间功率合成
图3  平面合成与空间功率合成
空间合成的优势在于可以实现多路的直接合成，而不是通过二叉树多级合成的方式，减少了合成的损耗。例如每一级的二叉树合成采用wilkinson合成器，电损耗在0.6dB左右，考虑到传输线的损耗，总合成损耗约为0.75dB。如果合成16路需要4级合成，总损耗约为3dB。也就是说需要额外增加1倍的功率器件。而应识科技的同轴腔空间合成是16路直接合成为1路，其损耗是固定的。由下图可以看出，当合成的单元数达到一定程度后，空间合成的输出功率要大大高于传统的二叉树合成。



图4         用于16路空间合成的功率合成器性能与平面合成对比
上图展示了采用空间合成的功率合成器，16路功率器件的输出将通过该功率合成器进行一次合成，具有极高的合成效率。
空间合成的原理结构和实际外观如下图所示：

图5  空间合成原理结构
 
2.3 固态空间合成放大器技术优势
 
与行波管放大器相比，本技术方案具有如下优势：
1）极低的供电电压
空间功率合成技术使用固态管芯 (< 28VDC)，而行波管的供电电压非常高 (>1kV)。这也直接导致应识科技产品的供电电路的可靠性远高于真空管，复杂性也大大降低简化。
2）启动准备时间
固态产品的启动时间几乎为零，而行波管放大器至少需几分钟。这在战时对抗时是致命的缺点。
3）可靠性
空间合成固态功率放大器产品的使用寿命达十万小时级，而行波管放大器的寿命仅数百到几千小时。
4）频率带宽
固态产品的带宽可以达到10倍频程，超过TWTA一倍。
5）软性失效
空间合成采用芯片阵列工作方式，内部有16路通道，即使有几路MMIC失效，整个模块仍然工作只是输出功率减小。行波管放大器只使用一个真空电子管，一旦失效就完全停止工作。
6）耐用性好
真空管的密封性，以及其玻璃结构都导致其极易遭受使用不当或外来环境变化而受损。应识科技产品是基于半导体芯片的技术，耐用性好。
7）AM-PM 失真
我们实际测量数据证明我们的模块在1DB压缩点附近都极少出现AM-PM失真，而行波管放大器需要从饱和功率后退16DB或更多以减低AM-PM失真至允许范围。
8）成本更低
空间合成固态功率放大器使用固态半导体管芯。固态半导体管芯可以大规模使用自动设备生产，其良率 (>90%)，一致性极高。行波管仍然处于半自动生产状态，良率 (<80%)，一致性更低。再加上供电电压的成本差别，以及生产调试的简化。大批量生产以后，成本可以比TWTA更低。
 
同样与传统的固态平面合成功放相比，空间合成功放有如下优势：
 
1）成本更低
相比于传统固态放大器使用的高损耗的多级二叉树合成，空间合成固态功放仅采用一次合成，效率高、损耗低，故同样的输出功率可以使用更少的功率芯片，节约了系统成本。通常空间合成放大器的成本仅为传统平面合成放大器的60%。
2）效率更高
空间功率合成技术使得整个模块的插损比传统的二叉树结构低约3dB，折合效率可以提高1倍。

1. 体积更小，重量更轻
    
   由于空间合成功率放大器的效率高，因此需要的散热器的尺寸和重量都大大低于传统固态功率放大器，因此体积和重量都可以大大降低。
    
    
    
   下表是以6-18G 100W功率放大器为例对几种放大器进行对比：
    

 
3  基于空间合成的功率放大器和其他传统平面合成功率放大器对比
        
该6-18GHz 50W 固态功放组件是基于公司成熟的6-18G 50W宽带功率放大器产品基础上，对产品的体积重量进行优化后，针对不同功率要求，推出的两款空间合成功率放大器，输出功率分别为50W和100W。下表为选取国内外知名厂家的平面合成宽带放大器关键指标与程星的空间合成功率放大器进行对比：