CN104779924A - 一种小型化高功率功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化高功率功率放大器，包括有低轮廓波导分路器、合成器和至少两个由卡叠加组成的空间合成标准放大器模块，分路器的输出端口通过空间合成标准放大器模块与合成器的输入端口连接，所述合成器输入端口、分路器输出端口与放大器模块的个数相同。本发明首先对由卡叠加组成的空间合成放大器模块进行标准化，利用低轮廓的波导接口降低模块高度；再与低轮廓分路器、合成器进一步的组合，将多个输出信号统一汇总到输出端口，实现了在尺寸受限时仍能提高总输出功率，同时保持低损耗，并实现良好的扩展性；并在低轮廓分路器采用微带功分器，进一步降低长度，实现小型化。本发明作为一种小型化高功率功率放大器可广泛应用于通信领域。

Description

一种小型化高功率功率放大器

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其是一种小型化高功率功率放大器。

背景技术

随着通信技术的不断发展，人们对随时互联互通的需求越来越强。在人口稠密的城市，无线通信的发展可以较好地满足人们对通信的需求。但是，由于无线信号传输距离的限制，每个无线基站设备只能够为几公里范围内的用户服务，对于偏远的乡村等人口稀疏的地方，要提供良好的网络覆盖需要架设大量的基站，导致成本大大提升。此外，无线基站还有空中、海上等大量无法覆盖的区域。同时，当发生自然灾害时，实现无线基站数据回传的光纤受到破坏，也会导致通信的中断。卫星通信系统能够在这些领域弥补无线通信的不足。

由于卫星通信信号传输距离远，导致信号传输衰减很大。为保证接收机能到有效地接收，发射机的发射功率就要远大于传统的无线通信。特别是随着带宽需求地不断增加，发射功率需要随之进一步提高。因此，功率放大器成为通信发射机中最关键的部件。新兴的半导体功率放大器以其寿命长、使用成本低的特点，逐步成为卫星通信功率放大器的主流产品。

在微波波段基于砷化镓半导体技术的微波芯片的输出功率只有几瓦，而很多通信系统随着数据量的增加和调制方式的提高，需要有更高的线性输出功率，对于系统输出功率的能力往往要达到100瓦以上，两者有几乎两个数量级（100倍）的差距。因此，仅仅依靠单个芯片难以提供足够的输出功率。只有将大量芯片的输出功率合成在一起，才能够实现真正的高功率放大器。

目前主要的合成器采取平面合成的方式，即所有的芯片都放在同一个平面上，这种传统的基于平面的合成器很难有效降低合成损耗，因而合成效率和合成功率并不理想，而且没有对于高频端的寄生效应优化手段，具有损耗大、传输带宽窄、功率承受能力低的缺点，不适合于大功率合成和高频应用。

基于波导的空间合成技术虽然弥补了平面合成器的部分不足，具有较高的合成效率，但由于常见的空间合成技术基于标准波导接口设计，结构尺寸大。而且由于波导内的空间有限，能够合成的芯片数量有限，导致功率达不到更高的水平。因此，如何实现更高的输出功率，而且保证放大器的小型化，特别是实现低轮廓一直是业界的难题。

如图1所示，常见的空间合成功率放大器的基本单元为“卡”。一个卡上有多个功率器件，还有接收天线、发射天线以及支撑结构。多个卡按照一定的方式叠合，使得接收天线与发射天线各自满足同幅同相条件就能实现功率在空间中的合成。

在进行空间合成时，常见的方法是采用卡的方式进行叠加。每张卡的中间有一段开口区域，天线就放置在这段开口区域上。然后将多张卡叠加在一起，开口区域就连在一起形成标准的波导腔，而天线则形成沿着平行窄边方向排列的天线阵列。

如图2所示，多张卡叠加后可以形成与标准波导端口匹配的输入端口。显而易见，每张卡上的功率放大器芯片越多，或者叠合的卡越多，那么功放的输出功率就越高。但由于每张卡的厚度又受限于上面器件的高度，不能过薄，而标准波导口的尺寸有限，因此可以叠加的卡数量也就受限，无法任意增加。

因此实现小型化，特别是低轮廓与高输出功率对于空间合成功率放大器来说是矛盾的两个方面。如果减少卡上功率芯片的数量，降低卡的高度，实现小型化，特别是低轮廓，那么必然这样就限制了可以进行功率合成的芯片的总数量，也就无法实现更高的输出功率。

如果单纯为了增加输出功率增加卡上芯片的数量，不但会导致功率放大器模块的体积增大，而且会进一步影响放大器模块的性能。因为在实际系统中，散热系统往往安装在功率放大器的底部。这是由于传统功放采用的是平面合成方式，其相应的散热系统直接安装在功率放大器芯片的下面，热传导途径很短，散热效果好。但是，对于空间合成技术，由于合成结构是立体的，在整个空间上都有芯片分布，卡上面的功率放大器芯片如果太多，则卡过高，靠近顶部的功率放大器芯片的散热路径就会很长，会导致芯片散热效果差，对性能造成严重影响。

   因此虽然小型化高功率放大器模块在体积重量方面都有很多的优势，特别是低轮廓的高功率放大器模块将更容易集成于移动性强的通信系统之中，但是现有的空间合成功率放大器仍然无法解决该难题。现有空间合成功率放大器模块如果要想实现高功率输出，往往尺寸很大，特别是高度很高，无法实现小型化，特别是低轮廓。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是：提供一种大规模空间合成的高功率放大器，实现高功率放大器的小型化。

本发明所采用的技术方案是：一种小型化高功率功率放大器，包括有低轮廓波导分路器、至少两个空间合成标准放大器模块和低轮廓波导合成器，所述空间合成标准放大器模块由卡叠加组成，所述低轮廓波导分路器的输出端口与空间合成标准放大器模块的输入端口连接，所述空间合成标准放大器模块的输出端口与低轮廓波导合成器的输入端口连接，所述低轮廓波导合成器的输入端口数、低轮廓波导分路器的输出端口数与空间合成标准放大器模块的个数相同。

进一步，所述空间合成标准放大器模块的输入端口和输出端口均为低轮廓的波导接口。

进一步，所述低轮廓波导合成器的输入端口为低轮廓的波导接口。

进一步，所述低轮廓波导分路器包括有微带功分器和微带波导转换器，所述微带功分器的输出端口连接至微带波导转换器的输入端口，所述微带波导转换器的输出端口连接至空间合成标准放大器模块的输入端口。

进一步，所述微带波导转换器的输出端口为低轮廓的波导接口。

进一步，所述低轮廓波导分路器的输出端口为低轮廓的波导接口。

进一步，所述低轮廓波导分路器的公共端口到每一个输出端口都具有相同的幅度和相位；所述低轮廓波导合成器的公共端口到每一个输入端口都具有相同的幅度和相位。

本发明所采用的另一技术方案是：一种小型化高功率功率放大器，包括有多路波导分路器、至少两个空间合成标准放大器模块和多路波导合成器，所述空间合成标准放大器模块由卡叠加组成，所述多路波导分路器的输出端口与空间合成标准放大器模块的输入端口连接，所述空间合成标准放大器模块的输出端口与多路波导合成器的输入端口连接，所述多路波导合成器的输入端口数、多路波导分路器的输出端口数与空间合成标准放大器模块的个数相同。

进一步，所述多路波导分路器包括有多路微带功分器和微带波导转换器，所述多路微带功分器的输出端口通过微带波导转换器与空间合成标准放大器模块的输入端口连接。

进一步，所述多路波导分路器的公共端口到每一个输出端口都具有相同的幅度和相位；所述多路波导合成器的公共端口到每一个输入端口都具有相同的幅度和相位。

本发明的有益效果是：本发明功率放大器首先对由卡叠加组成的空间合成放大器模块进行标准化，利用低轮廓的波导接口作为空间合成放大器模块的输入与输出端口，降低了空间合成放大器模块的高度；再通过低轮廓的分路器和合路器对于空间合成标准放大器模块进行进一步的组合，在低轮廓的尺寸下，将多个输出信号统一汇总到输出端口，实现了在尺寸受到限制时仍能提高总输出功率，同时保持低损耗和高效率，并实现良好的扩展性。由于在输入端的低轮廓分路器可以采用微带功分器，能够进一步降低分路器的长度，更好的实现功率放大器模块的小型化。

附图说明

图1为卡示意图；

图2为常见的空间合成示意图；

图3为本发明原理框图示意图；

图4为本发明中空间合成标准放大器模块示意图；

图5为本发明实施例中低轮廓波导合成器实例图；

图6为本发明实施例中低轮廓波导分路器实例图；

图7为本发明中微带功分器和微带波导转换实例图；

图8为本发明一实施例的原理框图示意图；

图9为图8结构的实例图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

参照图3，一种小型化高功率功率放大器，包括有低轮廓波导分路器、至少两个空间合成标准放大器模块和低轮廓波导合成器，所述空间合成标准放大器模块由卡叠加组成，所述低轮廓波导分路器的输出端口与空间合成标准放大器模块的输入端口连接，所述空间合成标准放大器模块的输出端口与低轮廓波导合成器的输入端口连接，所述低轮廓波导合成器的输入端口数、低轮廓波导分路器的输出端口数与空间合成标准放大器模块的个数相同。

在整个功率放大器的输入端通过低轮廓波导分路器，将单一的输入端口扩大为多个相同的波导输出端口，分别与新的卡阵列（即对应的多个空间合成标准放大器模块）形成的每个波导端口对接。这样可以将卡数量成倍增加，而仍保持原有设计不变；其中空间合成标准放大器模块通常由多个卡叠加组成，也可由单卡实现。

参照图4，进一步作为优选的实施方式，所述空间合成标准放大器模块的输入端口和输出端口均为低轮廓的波导接口；与图2对比，其高度大大小于标准的波导接口，空间合成标准放大器模块也可以保持低轮廓的设计，降低了整个结构的高度。

进一步作为优选的实施方式，所述低轮廓波导合成器的输入端口为低轮廓的波导接口。

参照图8，进一步作为优选的实施方式，所述低轮廓波导分路器包括有微带功分器和微带波导转换器，所述微带功分器的输出端口连接至微带波导转换器的输入端口，所述微带波导转换器的输出端口连接至空间合成标准放大器模块的输入端口。

参照图6至图9，在上述实施方式的基础上，为了进一步降低整个模块的长度，输入端的低轮廓波导分路器中采用了微带功分器。以采用两个空间合成标准放大器模块为例，如果输入端的分路器采用和输出端相同的波导分路器时，由于分路器公共端到两个输出端口不在同一条水平线上，必须由公共端口向两个端口方向做垂直方向的延伸，由于输出端口在水平方向，因此必须引入弯曲的波导部分；而由于弯曲波导部分的场分配不均匀，必须加长波导分路器的长度，这样才能使波导分路器输出端口部分的场保持均匀性。由于很多应用场景空间有限，没有足够的空间使用长尺寸的波导分路器，因此在信号输入端增加一个微带分路器。因为输入端的插损稍大也不会影响输出的总功率，所以采用一个微带分路器结合微带波导转换的结构，以缩短输入端的长度。而且采用微带功分和微带到波导转换的功率分配网络具有低轮廓的特点，不增加高度要求。其低高度的特点，更加适合本发明引入的大规模低轮廓的卡进行空间合成的设计理念，确保了整个放大器的结构的低轮廓特性，可以应用于高度、长度受限的设计场合。

进一步作为优选的实施方式，在低轮廓波导合成器中采用与图6中低轮廓波导分路器对称的结构，即由微带波导转换器和微带功分器实现的低轮廓波导合成器，使本发明放大器输出端的尺寸进一步降低。

进一步作为优选的实施方式，所述微带波导转换器的输出端口为低轮廓的波导接口。

进一步作为优选的实施方式，所述低轮廓波导分路器的输出端口为低轮廓的波导接口。

空间合成标准放大器模块的输入与输出端口、低轮廓波导分路器的输出端口和低轮廓波导合成器的输入端口都采用了比标准的波导端口更低的低轮廓尺寸，同时空间合成标准放大器模块，分路器和合成器也都相应采用了低轮廓的结构，有效的降低了高度，实现了小型化。

尤其是低轮廓波导分路器采用了微带功分器，不仅降低了分路器的高度，而且有效缩短了分路器的长度；而低轮廓波导分路器中微带功分器的输出端口与空间合成标准放大器模块之间还设置有微带波导转换器，将信号从微带电路中有效转移到波导中。波导转换器的接口同样采用低轮廓的波导接口，既与空间合成标准放大器模块匹配，又降低了高度，保持了整个分路器的低轮廓。

上述实施方式中利用低轮廓波导分路器和低轮廓波导合成器解决了合成规模受波导结构尺寸限制的问题。同时，为合成模块的结构尺寸优化提供了更多的可能，有利于降低尺寸高度，满足更多应用场景的需求。

进一步作为优选的实施方式，所述低轮廓波导分路器的公共端口到每一个输出端口都具有相同的幅度和相位；所述低轮廓波导合成器的公共端口到每一个输入端口都具有相同的幅度和相位，保证相同的场在合成器内有效合成。

在长度并未受到极其严格的限制时，作为另一种优选的实施方式，所述低轮廓波导分路器可以与低轮廓波导合成器的结构相对称，如图5所示，都采用波导分路或者合成的方式，而低轮廓波导分路器与低轮廓波导合成器的区别仅在于作为分路器时的公共端口是作为合成器时的输入端口，而作为分路器时的输入端口则是作为合成器时的公共端口。

在长度和高度并未受到极其严格的限制时，作为本发明的另一具体实施方式：一种小型化高功率功率放大器，包括有多路波导分路器、至少两个空间合成标准放大器模块和多路波导合成器，所述空间合成标准放大器模块由卡叠加组成，所述多路波导分路器的输出端口与空间合成标准放大器模块的输入端口连接，所述空间合成标准放大器模块的输出端口与多路波导合成器的输入端口连接，所述多路波导合成器的输入端口数、多路波导分路器的输出端口数与空间合成标准放大器模块的个数相同。

进一步作为优选的实施方式，所述多路波导分路器包括有多路微带功分器和微带波导转换器，所述多路微带功分器的输出端口通过微带波导转换器与空间合成标准放大器模块的输入端口连接。

进一步作为优选的实施方式，所述多路波导分路器的公共端口到每一个输出端口都具有相同的幅度和相位；所述多路波导合成器的公共端口到每一个输入端口都具有相同的幅度和相位，保证相同的场在合成器内有效合成。

如图3、图8原理图所示，本发明通过这种叠加的方式，理论上可以使卡的数量无限制的增加，只需要将固定数量的卡归为一组，形成空间合成标准放大器模块，构成一系列的波导端口阵列。然后，通过多路波导分路器，将公共的波导端口分解成相应的多路具有相同幅度和相位的波导端口阵列。然后，将大量的卡组成阵列后分成多组，每组形成相同的波导输入端口，与多路波导分路器对接。同时在卡阵列的输出端使用对称的多路波导合成器，将输出信号统一汇总到输出端口，即可形成更大规模的空间合成阵列。

这种方法的优势不光在于可以大规模增加空间合成的卡的数量；而且有利于进一步优化空间合成模块的结构尺寸。例如，当模块的总体高度受限时，每个卡的高度不能超过一定的限度，而上面可以承载的芯片数量必然降低（例如图1中单卡上的MMIC放大器的个数需要减少为两个），从而导致合成的芯片数量减少。那么就可以通过降低高度，满足结构尺寸高度要求；但是，同时在水平方向上大量增加卡的数量，来提高总的输出功率。由于波导合成的损耗同样很低，所以整体的合成效率仍然很高。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以作出种种的等同变换或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种小型化高功率功率放大器，其特征在于：包括有低轮廓波导分路器、至少两个空间合成标准放大器模块和低轮廓波导合成器，所述空间合成标准放大器模块由卡叠加组成，所述低轮廓波导分路器的输出端口与空间合成标准放大器模块的输入端口连接，所述空间合成标准放大器模块的输出端口与低轮廓波导合成器的输入端口连接，所述低轮廓波导合成器的输入端口数、低轮廓波导分路器的输出端口数与空间合成标准放大器模块的个数相同。

2.根据权利要求1所述的一种小型化高功率功率放大器，其特征在于：所述空间合成标准放大器模块的输入端口和输出端口均为低轮廓的波导接口。

3.根据权利要求1所述的一种小型化高功率功率放大器，其特征在于：所述低轮廓波导合成器的输入端口为低轮廓的波导接口。

4.根据权利要求1所述的一种小型化高功率功率放大器，其特征在于：所述低轮廓波导分路器包括有微带功分器和微带波导转换器，所述微带功分器的输出端口连接至微带波导转换器的输入端口，所述微带波导转换器的输出端口连接至空间合成标准放大器模块的输入端口。

5.根据权利要求4所述的一种小型化高功率功率放大器，其特征在于：所述微带波导转换器的输出端口为低轮廓的波导接口。

6.根据权利要求1所述的一种小型化高功率功率放大器，其特征在于：所述低轮廓波导分路器的输出端口为低轮廓的波导接口。

7.根据权利要求1所述的一种小型化高功率功率放大器，其特征在于：所述低轮廓波导分路器的公共端口到每一个输出端口都具有相同的幅度和相位；所述低轮廓波导合成器的公共端口到每一个输入端口都具有相同的幅度和相位。

8.一种小型化高功率功率放大器，其特征在于：包括有多路波导分路器、至少两个空间合成标准放大器模块和多路波导合成器，所述空间合成标准放大器模块由卡叠加组成，所述多路波导分路器的输出端口与空间合成标准放大器模块的输入端口连接，所述空间合成标准放大器模块的输出端口与多路波导合成器的输入端口连接，所述多路波导合成器的输入端口数、多路波导分路器的输出端口数与空间合成标准放大器模块的个数相同。

9.根据权利要求8所述的一种小型化高功率功率放大器，其特征在于：所述多路波导分路器包括有多路微带功分器和微带波导转换器，所述多路微带功分器的输出端口通过微带波导转换器与空间合成标准放大器模块的输入端口连接。

10.根据权利要求8所述的一种小型化高功率功率放大器，其特征在于：所述多路波导分路器的公共端口到每一个输出端口都具有相同的幅度和相位；所述多路波导合成器的公共端口到每一个输入端口都具有相同的幅度和相位。