CN103929158B - 一种w波段脉冲行波管大功率合成系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于微波毫米波技术领域，具体涉及一种W波段脉冲行波管大功率合成系统，包括波导功率分配器、第一可调衰减器、第一固态放大器、第一隔离器、第一行波管放大器、第二可调衰减器、移相器、第二固态放大器、第二隔离器、第二行波管放大器和波导功率合成器；本发明W波段脉冲行波管大功率合成系统，在技术上实现了W波段两路脉冲行波管的大功率合成，两路均设置了隔离器，能够保证固态放大器不被烧毁；本发明采用输出相位差90度的功率分配器将同一信号源功率一分为二，两路间存在90度相位差，以防止两路行波管放大器间的干扰和自激，功率合成器的两输入被设计为‑90度的相位差，以保障两路功率的有效合成。

Description

一种W波段脉冲行波管大功率合成系统

技术领域

本发明属于微波毫米波技术领域，具体涉及一种W波段脉冲行波管大功率合成系统。

背景技术

在现代微波毫米波雷达系统中，雷达发射功率是衡量雷达系统性能的一项非常重要的指标，发射功率的提高意味着雷达具有更大的探测半径和更强的抗干扰能力。为追求全相参脉冲雷达和成像雷达的大功率发射，以行波管放大器为代表的电真空器件被广泛地应用于该类雷达的发射机系统中。由于受工艺和材料等基础条件限制，目前单支行波管放大器输出脉冲功率只能达到100-150W左右，难以满足毫米波雷达系统对大功率发射的要求。而解决此类问题最直接和有效的途径之一就是采用大功率合成技术。功率合成技术主要分四大类：芯片型，单腔型，空间型和复合型。在被合成器件数减少的情况下，单腔型功率合成技术由于其结构简单和较高合成效率，被广泛应用。

随着脉冲体制毫米波雷达的广泛应用，脉冲功率合成技术研究也引起了很多研究者的关注，与连续波功率合成不同是，脉冲功率合成的输出功率和效率受到两路合成信号之间时延等因素的影响。另外，随着频率的升高，器件的体积大幅度减小，对加工的精度和加工的工艺要求更高，这些都增加了系统的设计难度，然而整个系统最大的技术难点是如何防止高增益行波管放大器的自激和行波管放大器输出端电磁波能量的倒灌，因为在此情况下将发生行波管放大器的烧毁。就目前调研的情况而言，国内外均未发现有大功率W波段脉冲行波管放大器大功率合成研制成功的报道。

发明内容

本发明提供一种W波段脉冲行波管大功率合成系统，在技术上实现了W波段两路脉冲行波管的大功率合成，两路均设置了隔离器，能够保证固态放大器不被烧毁；本发明采用输出相位差90度的功率分配器将同一信号源功率一分为二，两路间存在90度相位差，以防止两路行波管放大器间的干扰和自激，功率合成器的两输入被设计为-90度的相位差，以保障两路功率的有效合成；本发明功率合成器的两个输入端采用高隔离设计电路，以防止两路放大器输出功率的倒灌烧毁行波管放大器；本发明两路信号相位相差90度时，功率合成达到最佳状态，为此其中一路设有移相器，以补偿两路波导传输线长度差异等所产生的相位差，两路正交的信号经过行波管放大器放大后进入波导功率合成器进行合成，得到大功率合成输出，调节移相器，使系统的输出功率达到最大；本发明采用了脉冲调制时延技术，通过脉冲产生电路产生两路调制脉冲，一路脉冲对其中一路行波管放大器进行直接调制，另一路脉冲经过时延控制电路后对另一路行波管进行调制，调节时延电路使两路信号在同一时刻叠加，使得输出的脉冲功率达到最大；本发明可应用于W波段雷达，可成倍增加雷达发射功率，使得W波段大功率雷达成为可能，从而提升雷达探测距离和探测精度，增强抗干扰性能，具有巨大的社会和经济效益。

本发明技术方案如下：

一种W波段脉冲行波管大功率合成系统，其特征在于，包括波导功率分配器、第一可调衰减器、第一固态放大器、第一隔离器、第一行波管放大器、第二可调衰减器、移相器、第二固态放大器、第二隔离器、第二行波管放大器和波导功率合成器；所述波导功率分配器分别连接第一可调衰减器和第二可调衰减器；所述第一可调衰减器、第一固态放大器、第一隔离器和第一行波管放大器依次相连；所述第二可调衰减器、移相器、第二固态放大器、第二隔离器和第二行波管放大器依次相连；所述第一行波管放大器和第二行波管放大器均与波导功率合成器相连。

还包括匹配负载、时延控制电路、脉冲产生电路和大功率负载；所述匹配负载和波导功率分配器相连；所述脉冲产生电路、时延控制电路和第一行波管放大器依次相连；所述脉冲产生电路还和第二行波管放大器相连；所述大功率负载和波导功率合成器相连。

所述波导功率分配器为输出相位差90度的波导功率分配器；所述波导功率合成器为输入相位差-90度的波导功率合成器。

所述波导功率分配器包括RF输入端、输出端和隔离输出端；所述输出端有若干个，输出端为输出相位差90度的输出端，其中两个输出端分别与第一可调衰减器和第二可调衰减器相连；所述隔离输出端与匹配负载相连。

所述波导功率合成器包括RF输出端、输入端和隔离输出端；所述输入端有若干个，输入端为输入相位差-90度的输入端，其中两个输入端分别与第一行波管放大器和第二行波管放大器相连，隔离输出端与大功率负载相连。

所述第一可调衰减器和第二可调衰减器、第一固态放大器和第二固态放大器、第一隔离器和第二隔离器以及第一行波管放大器和第二行波管放大器均采用同种型号或为不同种型号的可调衰减器、固态放大器、隔离器以及行波管放大器。

所述可调衰减器采用的型号为XB-VA10，固态放大器采用的型号为AV70217，移相器采用的型号为MI-WAVE 526W/387，隔离器采用的型MI-WAVE 115W/387。

本发明的有益效果如下：

1.本发明W波段脉冲行波管大功率合成系统，在技术上实现了W波段两路脉冲行波管的大功率合成，两路均设置了隔离器，能够保证固态放大器不被烧毁；

2.本发明W波段脉冲行波管大功率合成系统，采用输出相位差90度的功率分配器将同一信号源功率一分为二，两路间存在90度相位差，以防止两路行波管放大器间的干扰和自激，功率合成器的两输入被设计为-90度的相位差，以保障两路功率的有效合成；

3.本发明W波段脉冲行波管大功率合成系统，功率合成器的两个输入端采用高隔离设计电路，以防止两路放大器输出功率的倒灌烧毁行波管放大器；

4.本发明W波段脉冲行波管大功率合成系统，两路信号相位相差90度时功率合成达到最佳状态，为此其中一路设有移相器，以补偿两路波导传输线长度差异等所产生的相位差，两路正交的信号经过行波管放大器放大后进入波导功率合成器进行合成，得到大功率合成输出，调节移相器，使系统的输出功率达到最大；

5.本发明W波段脉冲行波管大功率合成系统，采用了脉冲调制时延技术，通过脉冲产生电路产生两路调制脉冲，一路脉冲对其中一路行波管放大器进行直接调制，另一路脉冲经过时延控制电路后对另一路行波管进行调制，调节时延电路使两路信号在同一时刻叠加，使得输出的脉冲功率达到最大；

6.本发明W波段脉冲行波管大功率合成系统，可应用于W波段雷达，可成倍增加雷达发射功率，使得W波段大功率雷达成为可能，从而提升雷达探测距离和探测精度，增强抗干扰性能，具有巨大的社会和经济效益。

附图说明

图1为本发明的原理框图。

图2为时延控制电路图。

图3为本发明的实验结果图。

图2中：A-输入端；B输出端。

具体实施方式

如图1所示，本发明W波段脉冲行波管大功率合成系统，包括输出相位差90度的波导功率分配器、第一可调衰减器、第一固态放大器、第一隔离器、第一行波管放大器、第二可调衰减器、移相器、第二固态放大器、第二隔离器、第二行波管放大器、输入相位差-90度的波导功率合成器、匹配负载、时延控制电路、脉冲产生电路和大功率负载。

图1中左支路为：第一可调衰减器、第一固态放大器、第一隔离器、第一行波管放大器；

第一可调衰减器的输出端与第一固态放大器的输入端相连，第一固态放大器对第一可调衰减器的输出信号进行放大，输出放大后的信号；

第一固态放大器的输出端与第一隔离器的输入端相连，允许信号正向通过，阻止回波信号进入第一固态放大器，防止第一固态放大器被烧毁；

第一隔离器的输出端与第一行波管放大器的输入端相连，对信号进行功率放大。

图1中右支路为：第二可调衰减器、移相器、第二固态放大器、第二隔离器、第二行波管放大器；

第二可调衰减器输出端与移相器输入端相连，第二可调衰减器的输出信号经过移相器进行移相，可采用手调移相器，移相范围0~360°；

移相器的输出端与第二固态放大器输入端相连，对移相器的输出信号进行放大，输出放大信号；

第二固态放大器的输出端与第二隔离器的输入端相连，第二隔离器允许信号正向通过，阻止回波信号进入固态放大器而导致固态放大器烧毁。

第二隔离器的输出端与第二行波管放大器的输入端相连，对隔离器输出的信号进行功率放大。

波导功率分配器包括RF输入端、输出端和隔离输出端；输出端有若干个，输出端为输出相位差90度的输出端，其中两个输出端分别与第一可调衰减器和第二可调衰减器相连；隔离输出端与匹配负载相连。输入信号通过RF输入端进入波导功率分配器后，被分为两路相位正交的信号，分别进入第一可调衰减器和第二可调衰减器中，泄漏到隔离端的信号被匹配负载吸收。

波导功率合成器包括RF输出端、输入端和隔离输出端；输入端有若干个，输入端为输入相位差-90度的输入端，其中两个输入端分别与第一行波管放大器和第二行波管放大器相连，隔离输出端与大功率负载相连。第一行波管放大器和第二行波管放大器的输出端分别与波导功率合成器的两个输入端相连，波导功率合成器的隔离输出端与大功率负载相连，两路行波管放大器的输出信号进入功率合成器进行功率合成，并输出合成功率，泄露到隔离输出端的信号被大功率负载吸收，输出信号通过RF输出端输出。

本发明第一可调衰减器和第二可调衰减器、第一固态放大器和第二固态放大器、第一隔离器和第二隔离器以及第一行波管放大器和第二行波管放大器均采用同种型号或为不同种型号的可调衰减器、固态放大器、隔离器以及行波管放大器。

本发明中所用到的功率分配器、可调衰减器、固态放大器、移相器、隔离器、行波管放大器、波导功率合成器均不要求限定为具体某一个型号，只要是W波段的上述器件即可。可以使用下列型号：可调衰减器采用的型号为XB-VA10，固态放大器采用的型号为AV70217，移相器采用的型号为MI-WAVE 526W/387，隔离器采用的型MI-WAVE 115W/387；其中功率分配器、行波管放大器和波导功率合成器均可自制。

本发明脉冲产生电路通过信号发生器，可采用型号33220A信号发生器，直接产生即可，将信号源输出端用BNC接头直接接到行波管放大器的脉冲调制端口即可。时延产生电路可以利用另一台信号发生器，可采用型号33250A信号发生器，也可设计一个时延电路。若是用信号发生器产生，只需将脉冲产生电路33220A信号发生器输出的脉冲信号接到另一台信号发生器33250A的外部触发端，通过33250A信号发生器内部的时延调节功能设置，输出端直接输出想要的时延脉冲，用BNC接头直接接到另一个行波管放大器的脉冲调制端；若是脉冲时延电路，电路设计方法不唯一，只要能实现将输入脉冲按照要求延迟一个时间t即可，如图2所示为其中一种脉冲时延电路设计方法，其中A代表输入端，B代表输出端。

如图3所示，该系统的实验测试结果，从图中可以看出，波导功率合成器的输出功率均大于177W，最大输出功率达到194W。

测量过程如下：

该系统的测试在室温下进行，RF输入频率从93.5-94.5GHz，由于功率波导合成器输出端输出脉冲功率较高，超出测试仪器功率计的测量范围，因此RF输出端需接测量连接件，即RF输出端接耦合度为33dB的定向耦合器，定向耦合器的输出端接大功率负载，定向耦合器的耦合端接功率计探头进行功率测量；测试前，用经权威机构检测过的矢量网络分析仪对测量连接件的损耗进行测试定标，从波导功率合成器的输出端到功率计探头之间的所有连接件，包括定型耦合器和连接波导若干，并利用测量连接件的损耗对功率计进行校准，完成后才可以将测量连接件接入系统进行测试。

为了计算输出功率和合成效率，需要知道波导功率合成器两个输入端的功率及其输出端的输出功率，因此测试需分两步进行。第一步，输入端功率测量：按系统图连接好各个元器件，其中波导功率合成器及大功率负载不接，时延控制电路不接；首先，将测量连接件与第一行波管放大器的输出端相连接，以测量第一行波管放大器的输出功率，将两个可调衰减器的衰减调到最大，打开RF输入，射频信号经过波导功率分配器将射频信号均分到左右两个支路，让左支路的第一行波管放大器工作，先接通电源，预热5分钟，将脉冲产生电路产生的脉冲直接接入第一行波管放大器的脉冲调制端，右支路的第二行波管放大器不工作，保持脉冲调制端断开、电源关闭状态，调节第一可调衰减器，测量第一行波管放大器输出的功率P₁，P₁为输出端波导口的功率，即输出端连接波导损耗考虑在内，直到P₁达到最大饱和状态，保持一段时间，待P₁稳定不变，记录此时的值，即为第一行波管放大器的输出功率；断开脉冲调制端，关闭第一行波管放大器电源，关闭RF输入，断开测量连接件，并保持左支路其他所有器件状态不变；将测量连接件与第二行波管放大器的输出端相连，以测量第二行波管放大器的输出功率，对右支路的测量过程同上，测量第二行波管的输出功率P₂，P₂同样包含输出端连接波导损耗，断开测量连接件，并保持右支路其他器件的状态不变。第二步，功率合成输出测量：将波导功率合成器和时延控制电路接入系统，两个行波管放大器的输出端分别与波导功率合成器的输入端相连，测量连接件与波导功率合成器的输出端相连，打开RF输入，打开两个行波管放大器的电源，预热5分钟，将脉冲产生电路输出的脉冲接入第二行波管脉冲调制端，将时延控制电路输出的脉冲接入第一行波管放大器的脉冲调制端，首先调节右支路的移相器，使输出功率P_out达到最大，保持移相器不变，其次调节时延电路，再次使输出端功率达到最大，保持一段时间，待P_out稳定不变，记录此时的值，即为功率合成系统的输出功率。

根据效率的计算公式：

P₁和P₂为两支行波管的输出功率，P_out为波导功率合成器的输出功率。可以计算出整个系统效率的大于80%，最高合成效率可达85%。

本发明W波段脉冲行波管大功率合成系统已得到验证，运用此技术可以推广到工程应用中去。

本发明W波段脉冲行波管大功率合成系统，在技术上实现了W波段两路脉冲行波管的大功率合成，两路均设置了隔离器，能够保证固态放大器不被烧毁；本发明采用输出相位差90度的功率分配器将同一信号源功率一分为二，两路间存在90度相位差，以防止两路行波管放大器间的干扰和自激，功率合成器的两输入被设计为-90度的相位差，以保障两路功率的有效合成；本发明功率合成器的两个输入端采用高隔离设计电路，以防止两路放大器输出功率的倒灌烧毁行波管放大器；本发明两路信号相位相差90度时，功率合成达到最佳状态，为此其中一路设有移相器，以补偿两路波导传输线长度差异等所产生的相位差，两路正交的信号经过行波管放大器放大后进入波导功率合成器进行合成，得到大功率合成输出，调节移相器，使系统的输出功率达到最大；本发明采用了脉冲调制时延技术，通过脉冲产生电路产生两路调制脉冲，一路脉冲对其中一路行波管放大器进行直接调制，另一路脉冲经过时延控制电路后对另一路行波管进行调制，调节时延电路使两路信号在同一时刻叠加，使得输出的脉冲功率达到最大；本发明可应用于W波段雷达，可成倍增加雷达发射功率，使得W波段大功率雷达成为可能，从而提升雷达探测距离和探测精度，增强抗干扰性能，具有巨大的社会和经济效益。

Claims (6)

1.一种W波段脉冲行波管大功率合成系统，其特征是：包括波导功率分配器、第一可调衰减器、第一固态放大器、第一隔离器、第一行波管放大器、第二可调衰减器、移相器、第二固态放大器、第二隔离器、第二行波管放大器和波导功率合成器；所述波导功率分配器分别连接第一可调衰减器和第二可调衰减器；所述第一可调衰减器、第一固态放大器、第一隔离器和第一行波管放大器依次相连；所述第二可调衰减器、移相器、第二固态放大器、第二隔离器和第二行波管放大器依次相连；所述第一行波管放大器和第二行波管放大器均与波导功率合成器相连；

还包括匹配负载、时延控制电路、脉冲产生电路和大功率负载；所述匹配负载和波导功率分配器相连；所述脉冲产生电路、时延控制电路和第一行波管放大器依次相连；所述脉冲产生电路还和第二行波管放大器相连；所述大功率负载和波导功率合成器相连。

2.根据权利要求1所述的W波段脉冲行波管大功率合成系统，其特征是：所述波导功率分配器为输出相位差90度的波导功率分配器；所述波导功率合成器为输入相位差-90度的波导功率合成器。

3.根据权利要求2所述的W波段脉冲行波管大功率合成系统，其特征是：所述波导功率分配器包括第一RF输入端、第一RF输出端和第一隔离输出端；所述第一RF输出端有若干个，且成对设置，每对中的两个第一RF输出端为输出相位差90度的输出端，其中每对中的两个第一RF输出端中的一个与第一可调衰减器相连、另一个与第二可调衰减器相连；所述第一隔离输出端与匹配负载相连。

4.根据权利要求3所述的W波段脉冲行波管大功率合成系统，其特征是：所述波导功率合成器包括第二RF输出端、第二RF输入端和第二隔离输出端；所述第二RF输入端有若干个，且成对设置，每对中的两个第二RF输入端为输入相位差-90度的输入端，其中每对中的两个第二RF输入端中的一个与第一行波管放大器相连、另一个与第二行波管放大器相连，第二隔离输出端与大功率负载相连。

5.根据权利要求1所述的W波段脉冲行波管大功率合成系统，其特征是：所述第一可调衰减器和第二可调衰减器、第一固态放大器和第二固态放大器、第一隔离器和第二隔离器以及第一行波管放大器和第二行波管放大器均采用同种型号或为不同种型号的可调衰减器、固态放大器、隔离器以及行波管放大器。

6.根据权利要求1或5所述的W波段脉冲行波管大功率合成系统，其特征是：所述第一可调衰减器和第二可调衰减器采用的型号为XB-VA10，第一固态放大器和第二固态放大器采用的型号为AV70217，移相器采用的型号为MI-WAVE526W/387，第一隔离器和第二隔离器采用的型号为MI-WAVE 115W/387。