摘 要： 无人机机载功率放大器的性能一直是限制无人机技术发展的主要因素，为此提出了将功率合成技术应用于无人机数据系统的方法解决上述问题。利用微带线技术结合系统性的电路调试方法，辅以Advanced Design System仿真软件优化设计，同时采用实频技术法进行宽带功放设计，成功研制了频段在1.3 GHz~1.7 GHz的功率放大器，单路功率放大器采用级联的技术输出功率为8 W，两路合成后，实测总输出功率为15.67 W，合成效率达97%，性能稳定，达到实用水平。
关键词： 功率合成技术；无人机数据链；输出功率
0 引言
功率放大器（Power Amplifier，PA）是数据链路射频发射设备中的核心器件，主要用于提高发射信号功率从而增大通信距离。PA的设计难点在于在保证系统正常稳定工作的前提下如何能获得更高的输出功率。本文以应用于无人机上的机载功率放大器为例，介绍了采用微波功率合成技术设计研制机载功放组件[1-4]的完整设计过程。功率合成技术应用于无人机数据系统是一种全新的尝试，功率合成技术具有损耗低、频带宽、隔离度优异的特点，适用于无人机飞行时复杂恶劣的高空环境。该技术的应用大幅提高了输出功率，使得无人机在一定载荷下具有更大的飞行范围[5-6]，节约了人力物力成本，保证了无人机飞行的成功进行[7]。
1 功率放大器的设计原理与方法
1.1技术主要组成部分
通过采用功率合成技术改善无人机机载功率放大器性能，使得整个数据链路系统可以得到更大的输出功率，增大无人机飞行范围，提高整个无人机数据链系统性能。L波段功率合成功率放大器整体原理图如图1所示。
1.2 系统设计指标
系统性能指标如表1所示。
1.3功率合成原理
图2为微波功率合成中功率合成与分配单元，图3为功率合成器模块。采用微带线的方式实现功率合成与分配单元[8]。微带线是由一对传输线构成的，线长为中心频率对应的1/4波长。工作原理如下：在该结构单元中，端口1称为输入端，端口2称为耦合端，端口3称为直通端，端口4称为隔离端。作为功分器使用时，端口1输入信号，电流由端口1流向端口3。根据电磁感应定律，产生由端口4流向端口2的感应电流。在电场作用下，会产生流向端口2和端口4的电流。在端口4，由于电场耦合电流和磁场耦合电流方向相反，如果刚好使两个电流的幅度大小相等，则能量抵消，故端口4无能量输出。在理想情况下，可证明，当带状线长度为λ/4时，两线间耦合最大，并且输入端口1和输出端口2、3与耦合器相匹配时，端口4没有能量输出，而端口2和3各输出信号源功率的一半。由于传输线为1/4波长，端口3信号相位滞后端口2 90°。
图3所示模块作为功率合成器使用，合成时，信号源加在端口1和端口4，信号相位相差90°。公式分析推导：
U1在直通端口，端口3产生的信号U3为：
U1在耦合端口，端2口产生的信号U2为：
另一路加在隔离端的输入信号U4为：
U4信号在端口3产生的信号U3′为：
U4信号在端口2产生的信号U2′为：
合成时，直通端口的信号总和为：
耦合端口的信号总和为：
端口1和端口4的输入功率分别为P1、P2。
端口3的总功率为：
综上所述，在端口1和端口4加入两路大小相等、相位相差90°的信号，可以在端口3得到功率合成信号。
2 功率放大器的仿真与设计
2.1 功分器仿真与设计
功分器仿真原理如图4所示，使用ADS仿真，结果如图5所示。可以看出，功分器的插损为3 dB左右，隔离度在20 dB以上。
实际设计的功分器版图如图6所示，功分器和功率合成器是相同的结构，只需要把输入输出相互调换即可。
设计中需要注意以下几点：
（1）功分器微带结构中连接电阻采用两根宽度非常小的细线，用来模拟高阻状态；
（2）功分器输出与功率放大器输入端之间要提前预留π衰位置，方便后面调试使用；
（3）线宽设计时要同时兼顾50 匹配；
（4）微带线表面绿油要剥除。
2.2 功率放大器设计方案
功率放大器的具体实现方式如下：由两级放大器级联，单路最终总输出功率达到8 W。两路合成，使总输出功率达到系统设计要求的15 W以上。两级级联的放大器为：ADI的ADL5342和TriQuint的AP561-F。级联之后，达到单路39 dBm（8 W）的输出功率。
图7和图8给出了功放设计中使用的ADL5342和AP561-F的匹配电路版图设计方案。
设计中需要注意以下几点：
（1）信号路上并联电容距离输入输出端为特定的尺寸，该距离不可随意改动，否则会影响电路匹配，最终影响输出功率值；
（2）信号线两侧要布好接地孔。
3 整机调试与实验测试
总输出功率由功分器和功率放大器两部分决定。输入到功率合成器的两路信号必须大小相等以及具有固定相位差才能保证高效率的功率合成，如果存在相位偏差，或者输入到功率合成器的两路输入信号功率大小不一样，则功率合成效率会明显降低。功分器输出信号经过功率放大器之后，相位会出现偏差，两路输出功率大小也不一致。
调试核心要点：通过在功分器输出与功率放大器输入之间加π衰位以及功放输出端预留并联电容位的方式调节功率放大器输入输出匹配，解决相位偏差和输出功率不一致的问题。通过在输出端预留位对输出并联电容位置和电容的大小进行微调，可以改善S21系数；在预留的π衰位加电感和电容，并进行容值和感值的微调可以实现对S11系数的优化，同时可以极大地减小相位偏差。调节前后相位偏差对比如表2所示，整机最终测试结果如表3所示。
如图9所示，功率合成后最终输出总功率为15.67 W（41.95 dBm），功率合成器合成效率为97%。实测指标满足系统设计要求。
4 结论
本文提出了一种基于功率合成技术，应用于无人机数据链系统的机载功率放大器，该功率合成放大器具有损耗低、频带宽、隔离度优异的特点，十分适用于无人机飞行时复杂恶劣的高空环境，优化了无人机数据链链路系统，提高了无人飞行的稳定性。经过测试，该功率合成放大器在L波段1.3 GHz~1.7 GHz性能良好，实测总输出功率为15.67 W，功率合成效率为97%，稳定性优异，已达到实用水平。
参考文献
[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] 张玉兴.射频与微波晶体管功率放大器工程[M].北京：电子工业出版社，2013.
[4] 周焕文，王长河.关于400兆赫50瓦功率晶体管的阻抗与匹配问题[J].半导体情报，1979（Z1）：5-17.
[5] 黄香馥.宽带匹配网络[M].西安：西北电讯工程学院出版社，1986.
[6] POZAR D M. Microwave engineering[M]. America： Wiley，2006.
[7] 雷国忠.固态发射机关键技术的研究[J].火控雷达技术，2000，29（4）：1-6.
[8] 邓绍范.微波功率合成技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1990.