毫米波波导功率合成器的设计与仿真(3)
功率合成放大器的原理图如图2-1所示
图2-1 功率合成放大器原理图
设第i路信号经过功率分配网络后其幅度和相位分别为 和 ，则
设放大器的传输函数为H(w)，则第i路信号输入到功率合成器为
功率合成器的输出信号为（2-6）
功率放大单元的输出电压和为（2-7）
理想功率分配网络输出端口幅相一致，且电路无损耗，即
代入式(2-4)得到
当各功率放大器都饱和输出时，其饱和输出电压为
功率合成效率η=合成器总的输出功率/功放单元输出功率总和
理想情况下，合成效率为2-11）
由此可见，功率合成技术并不提高功率放大器的增益，只会增大放大器输出功率。功率合成放大器由于功率分配/合成网络插入损耗以及各分配支路幅度相位不一致，设功率分配/合成网络插入损耗、幅度和相位误差分别为 ， ， 和 ，考虑放大器传输函数不一致时，则式2-4应写为
合成效率为 （2-13）
因此，功率合成放大器的总的输出功率由相位、幅度、放大单元不一致性、功率分配合成器插入损耗以及放大器输出功率决定。在非理想情况下，合成效率受各支路的幅度和相位不平衡影响，需要设计幅度和相位一致的功率分配/合成网络来提高合成效率。通过调节各路放大器偏压使得各路放大器一致，增加总的输出功率。
2.2 合成网络的合成效率分析
功率合成器的合成效率主要受功率合成网络性能决定，另外，合成效率也要受功率放大器的幅度、相位离散性影响。本节将介绍功率合成网络性能对功率合成器的合成效率的影响。
2.2.1 幅度、相位不平衡对合成效率的影响
如图2-2所示的两路功率合成放大结构，这里假设功率合成器是完全理想的，只考虑由于两个放大器的差异而引起的幅度和相位的偏差对合成效率的影响。
图2-2 两路功率合成放大示意图
当两个功率放大器的输出幅度和相位完全一致时，功率合成输出的功率是两功率放大器输出功率之和。但实际应用中，放大单元由于所用功率晶体管的差异而造成两个放大单元输出幅度和相位产生一定的差异。
这里假设图中两个放大器PA1和PA2的输出功率分别为P1和P2，引入的相位分别为 ， 则总输出功率P为[26]：
(2-14)
下面分别讨论幅度和相位的偏差对合成效率的影响：
（1）相位一致，幅度存在离散
当 = 时，式（2-14）可化简为：
(2-15)
此时，图 2-3 中两路功率合成放大器的合成效率为：
(2-16)
当用合成损耗表示时，相应的合成损耗为：
(2-17)
当 =0， 0，或 0, =0时，合成效率最低，仅为50%。当 = 时合成效率最大，为1。为能进一步了解 , 离散对合成效率的影响，表2-1列出了一些典型的数据,表中的
表 2-1 幅度离散对合成效率的影响
幅度离散ΔP（dB） 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
合成效率η(%) 100.00 99.917 99.670 99.264 98.703 97.998 97.159