CN104767019A - 一种基于超宽带同轴阻抗变换器的功率分配及合成器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超宽带同轴阻抗变换器的功率分配及合成器，该功率合成器包括一比四同轴阻抗变换器，其输出分别为输出I路和输出II路，输出I路和输出II路分别连接至一个一比一同轴阻抗变换器，一比四同轴阻抗变换器和一比一同轴阻抗变换器串接实现了四路的功率分配；四路功率分配后，每路连接至一特性阻抗为α的同轴线同轴巴伦，每个同轴巴伦连接一推挽放大器，实现四级推挽输出功率合成；或四路功率分配后的每路连接至一特性阻抗相同且与一比一同轴阻抗变换器输出阻抗匹配的同轴线同轴巴伦Z1；每个同轴巴伦Z1功率分配成两路等幅反相信号；同轴巴伦Z1每路再分配成两路，最后通过一个与同轴巴伦Z1结构相同的同轴巴伦Z2合成输出。
Description
技术领域
本发明属于功率合成器领域，尤其涉及一种基于超宽带同轴阻抗变换器的功率分配及合成器。
背景技术
功率放大器在工业加工、雷达、制导及通信等领域有着广泛的应用，对功率放大器的带宽、增益及输出功率等指标都提出了越来越高的要求。例如：在500KHz-3GHz频段内，对于端口阻抗没有内匹配到50欧姆的固态功放芯片，功率合成大多采用同轴巴伦结合微带匹配推挽输出，但是仅限于一级推挽输出。对于端口阻抗匹配到50欧姆的固态功放芯片，微带功分合成方案结构较大和损耗较大，不易于模块小型化和提高输出功率。同轴巴伦功分合成结构，合成路数限于四路。因此，在现有超宽带单个器件的输出功率有限的情况下，采用多个固态器件的功率合成技术仍是提高系统输出功率的有效方法。
以对于端口阻抗内匹配到50欧姆的功放芯片为例，其局限于单个功放芯片的输出功率，都是采用多路合成的方案来提高输出功率。采用传统的平面微带线功分合成方案，优点在于结构简单，易于制作以及方便与电路集成，但是在500KHz-3GHz的频带内，由于频率较低和超宽带，微带功分合成整体结构尺寸较大不易于模块小型化，而且结构尺寸大带来较大的射频损耗，大大降低了输出功率。同轴巴伦功分合成方案整体实现四路合成，整个过程没有微带匹配，大大减小了结构尺寸和射频损耗，但路数仅限于四路。
发明内容
为了解决现有技术的缺点，本发明提供一种基于超宽带同轴阻抗变换器的功率分配及合成器。该功率合成器是运用两级新型一比四和一比一同轴阻抗变换器实现四路功率分配，功率分配后的每一路再连接同轴巴伦合成输出，利用该功率合成器既可以实现四路推挽输出合成，也可以灵活的实现十六路固态功放芯片的功率合成，整体结构简单小巧，射频损耗低，加工简单易于制作。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一比四同轴阻抗变换器，其特征在于，包括一根同轴线，其输出两路信号分别为输出I路和输出II路；同轴线上设有铁氧体磁环；所述同轴线一端的一内导体与同轴线另一端的一外导体相连，并连接一特性阻抗为α的微带线；同轴线的另一外导体连接输出I路，同轴线的另一内导体连接输出II路。
所述输出I路和输出II路的阻抗相同，一比四的同轴阻抗变换器的输出信号分为等幅同相的两路信号。
一比一同轴阻抗变换器，包括两根特性阻抗相同的同轴线A和同轴线B，一比一同轴阻抗变换器的输出分为两路；所述一比一同轴阻抗变换器输入端处连接同轴线A的输入端内导体，同轴线A的输入端外导体接同轴线B的输入端内导体，同轴线B的输入端外导体接地；一比一同轴阻抗变换器输出端处的同轴线A的输出端外导体和同轴线B的输出端外导体都接地，同轴线A和同轴线B的输出端内导体各接一微带线，所述微带线特性阻抗相同。
一种基于超宽带同轴阻抗变换器的功率合成器，包括：一比四同轴阻抗变换器，其输出两路信号分别为输出I路和输出II路；
所述输出I路和输出II路分别与其输出阻抗匹配的一比一同轴阻抗变换器的输入端相连，每个所述一比一同轴阻抗变换器的输出分为两路；所述一比四同轴阻抗变换器和一比一同轴阻抗变换器串接实现了四路的功率分配；
四路功率分配后的每路连接至一阻抗相同且与一比一同轴阻抗变换器输出阻抗匹配的同轴线同轴巴伦，每个所述同轴巴伦连接一推挽放大器，实现四级推挽输出功率合成。
所述输出I路和输出II路的阻抗相同，一比四的同轴阻抗变换器的输出信号分为等幅同相的两路信号。
一种基于超宽带同轴阻抗变换器的功率合成器，包括：一比四同轴阻抗变换器，其输出两路信号分别为输出I路和输出II路；
所述输出I路和输出II路分别与其输出阻抗匹配的一比一同轴阻抗变换器的输入端相连，每个所述一比一同轴阻抗变换器的输出分为两路；所述一比四同轴阻抗变换器和一比一同轴阻抗变换器串接实现了四路的功率分配；
四路功率分配后的每路连接至一特性阻抗相同且与一比一同轴阻抗变换器输出阻抗匹配的同轴线同轴巴伦Z1；每个所述同轴巴伦Z1功率分配成两路等幅反相的信号；所述同轴巴伦Z1每路再分配成两路，最后通过一个与同轴巴伦Z1结构相同的同轴巴伦Z2合成输出。
所述同轴巴伦Z1分配成的每路与特性阻抗为α/2的微带线连接，分配后的每路均包括两个特性阻抗为α的微带线，两个特性阻抗为α的微带线并联与所述同轴巴伦Z1输出端的特性阻抗为α/2的微带线串联连接，通过一个与同轴巴伦Z1结构相同的同轴巴伦Z2合成输出，总体实现十六路合成。
本发明的有益效果为：
(1)一比四同轴阻抗变换器的设计。相对于普通的由两根同轴线组成的一比四同轴阻抗变换器，该同轴组抗变换器采用巧妙的连接设计，只需要通过一根同轴线便可实现阻抗变换，同时也实现了信号两路的等幅功分，整体结构大为简化，尺寸减小，节省了成本和空间。
(2)一比一同轴阻抗变换器的设计。较常见的由一根同轴线组成的一比一同轴阻抗变换器，该同轴组抗变换器通过两根同轴线之间巧妙的连接设计，输出两路分别接两根同轴线的内导体，输出两路不受普通的一比一同轴阻抗变换器的空间限制，大大减少了微带线的使用，使整体结构紧凑，降低了射频损耗，便于应用。
(3)两种新型的同轴阻抗变换器和同轴巴伦相组合的新型合成方法。该合成方法既可以实现四路的推挽输出合成，也可以灵活地实现十六路固态功放芯片的合成，具有覆盖频段宽，合成路数多，通路损耗低和结构小巧的优点。
附图说明
图1是一比四同轴阻抗变换器的结构示意图；
图2是一比一同轴阻抗变换器的结构示意图；
图3是一分四路的结构示意图；
图4是一分四路的分支一路的推挽放大结构示意图；
图5是一分四路的分支一路再分四路的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：
如1图所示，一比四同轴阻抗变换器，包括一根同轴线，同轴线上设有铁氧体磁环；所述同轴线一端的内导体1与另一端的外导体4相连，并连接输入端特性阻抗为α的微带线，外导体2连接输出I路，内导体3连接输出II路。其中，以α为50欧姆为例，下面一比一同轴阻抗变换器以及一比四同轴阻抗变换器与一比一同轴阻抗变换器所组成的功率分配、合成器均与一比四同轴阻抗变换器的输出阻抗相匹配。
一比一同轴阻抗变换器，包括两根特性阻抗相同的同轴线A和同轴线B，所述同轴线A和同轴线B上均设有铁氧体磁环；同轴线A的内导体5连接所述输出I路或输出II路，外导体6接同轴线B的内导体9，同轴线B的外导体10接地；一比一同轴阻抗变换器的输出端同轴线A和同轴线B的外导体8和12都接地，内导体7和11各接一路50欧姆微带线，同时信号功分成等幅同相的两路信号，如2图所示。
如图3所示，一种基于超宽带同轴阻抗变换器的功率分配、合成器，包括：一比四同轴阻抗变换器，所述一比四同轴阻抗变换器包括一根同轴线，其输出两路信号分别为输出I路和输出II路；
所述输出I路和输出II路分别与其输出阻抗匹配的一比一同轴阻抗变换器的输入端相连，每个所述一比一同轴阻抗变换器包括两根特性阻抗相同的同轴线A和同轴线B，一比一同轴阻抗变换器的输出分为两路；所述一比四同轴阻抗变换器和一比一同轴阻抗变换器串接实现了四路的功率分配。
如4图所示，通过功分后四路的每路分别接特性阻抗为50欧姆的同轴线的同轴巴伦，所述同轴巴伦连接一推挽放大器，实现四级推挽输出功率合成。
如5图所示，通过功分后的四路每路再分别接特性阻抗为50欧姆的同轴线的同轴巴伦Z1，每路功分成两路等幅反相的信号，所述同轴巴伦Z1分配成两路，每路包括四个输入阻抗为50欧姆的功放芯片，其中两个一组并联与所述同轴巴伦Z1输出端的阻抗为25欧姆的微带线串联连接，最后通过一个与同轴巴伦Z1结构对称的同轴巴伦Z2合成输出。
其中，一比四的同轴阻抗变换器的同轴线的特性阻抗为50欧姆。
所述输出I路和输出II路的阻抗各为100欧姆。
其中，α为也可以选择其他值，一比四同轴阻抗变换器的输出I路和输出II路的阻抗，一比一同轴阻抗变换器以及一比四同轴阻抗变换器与一比一同轴阻抗变换器所组成的功率分配、合成器的特性阻抗将相应发生变化。
本发明的基于超宽带同轴阻抗变换器的功率分配、合成器的特点为：
(1)工作频带宽，可以覆盖500KHz-3GHz频段。
(2)合成路数多。通过同轴巴伦和同轴阻抗变换器组合，对于输入输出阻抗不为50欧姆的大功率固态芯片可以实现四路推挽输出；对于内匹配到端口阻抗为50欧姆的功放芯片，可以将合成路数提高到十六路。
(3)功率容量大，都是以同轴线实现的，因此，该结构较微带线结构具有较大的功率容量。
(4)具有较低的功率损耗。同轴线较传统的微带结构有着更小的导体损耗和辐射损耗。
(5)结构紧凑，便于应用。同轴线不受微带线空间结构的限制，可以灵活的利用空间，进一步的将功放整机模块小型化。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (8)
1.一比四同轴阻抗变换器，其特征在于，包括一根同轴线，其输出两路信号分别为输出I路和输出II路；同轴线上设有铁氧体磁环；所述同轴线一端的一内导体与同轴线另一端的一外导体相连，并连接一特性阻抗为α的微带线；同轴线的另一外导体连接输出I路，同轴线的另一内导体连接输出II路。
2.如权利要求1所述的一比四同轴阻抗变换器，其特征在于，所述输出I路和输出II路的阻抗相同，一比四的同轴阻抗变换器的输出信号分为等幅同相的两路信号。
3.一比一同轴阻抗变换器，其特征在于，包括两根特性阻抗相同的同轴线A和同轴线B，一比一同轴阻抗变换器的输出分为两路；所述一比一同轴阻抗变换器输入端处连接同轴线A的输入端内导体，同轴线A的输入端外导体接同轴线B的输入端内导体，同轴线B的输入端外导体接地；一比一同轴阻抗变换器输出端处的同轴线A的输出端外导体和同轴线B的输出端外导体都接地，同轴线A和同轴线B的输出端内导体各接一微带线，所述微带线特性阻抗相同。
4.一种基于超宽带同轴阻抗变换器的功率合成器，其特征在于，包括：一比四同轴阻抗变换器，其输出两路信号分别为输出I路和输出II路；
所述输出I路和输出II路分别与其输出阻抗匹配的一比一同轴阻抗变换器的输入端相连，每个所述一比一同轴阻抗变换器的输出分为两路；所述一比四同轴阻抗变换器和一比一同轴阻抗变换器串接实现了四路的功率分配；
四路功率分配后的每路连接至一阻抗相同且与一比一同轴阻抗变换器输出阻抗匹配的同轴线同轴巴伦，每个所述同轴巴伦连接一推挽放大器，实现四级推挽输出功率合成。
5.如权利要求4所述的一种基于超宽带同轴阻抗变换器的功率合成器，其特征在于，所述输出I路和输出II路的阻抗相同，一比四的同轴阻抗变换器的输出信号分为等幅同相的两路信号。
6.一种基于超宽带同轴阻抗变换器的功率合成器，其特征在于，包括：一比四同轴阻抗变换器，其输出两路信号分别为输出I路和输出II路；
所述输出I路和输出II路分别与其输出阻抗匹配的一比一同轴阻抗变换器的输入端相连，每个所述一比一同轴阻抗变换器的输出分为两路；所述一比四同轴阻抗变换器和一比一同轴阻抗变换器串接实现了四路的功率分配；
四路功率分配后的每路连接至一特性阻抗相同且与一比一同轴阻抗变换器输出阻抗匹配的同轴线同轴巴伦Z1；每个所述同轴巴伦Z1功率分配成两路等幅反相的信号；所述同轴巴伦Z1每路再分配成两路，最后通过一个与同轴巴伦Z1结构相同的同轴巴伦Z2合成输出。
7.如权利要求6所述的一种基于超宽带同轴阻抗变换器的功率合成器，其特征在于，所述输出I路和输出II路的阻抗相同，一比四的同轴阻抗变换器的输出信号分为等幅同相的两路信号。
8.如权利要求6所述的一种基于超宽带同轴阻抗变换器的功率合成器，其特征在于，所述同轴巴伦Z1分配成的每路与特性阻抗为α/2的微带线连接，分配后的每路均包括两个特性阻抗为α的微带线，两个特性阻抗为α的微带线并联与所述同轴巴伦Z1输出端的特性阻抗为α/2的微带线串联连接，通过一个与同轴巴伦Z1结构相同的同轴巴伦Z2合成输出，总体实现十六路合成。
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