CN105870564B - 一种基于宽带耦合及宽带阻抗变换的小型化功率合成器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于宽带耦合及宽带阻抗变换的小型化功率合成器，包括两部分，一是具有宽频带特性的耦合功分部分，将两路输入信号合成为一路信号，各路信号幅度相同；二是阻抗匹配部分，该部分为蛇形曲线形式，将两路信号传输阻抗匹配到不同阻抗值进行输出，每个输出端口置有阻抗调配块，调节端口的阻抗与每个支路的相位。本发明提出的一种基于宽带耦合及宽带阻抗变换的小型化功率合成器，克服了传统平面功率分配/合成技术方案的端口阻抗形式统一、插入损耗大与功率容量低等限制，可满足现代通信系统多样性、大功率与小型化的需求。

Description

一种基于宽带耦合及宽带阻抗变换的小型化功率合成器

技术领域

本发明涉及功率合成器领域，特别涉及一种基于宽带耦合及宽带阻抗变换的小型化功率合成器。

背景技术

微波毫米波信号的宽带高效功率合成技术是大功率测试系统、微波毫米波通信系统及电磁兼容测试等多个领域的重要组成部分。由于通信系统与器件通常为固定阻抗形式，传统功率合成器的每个端口阻抗值均相同。但是，随着系统的变换与升级，其输入、输出端口的阻抗通常为不同值，传统的50Ω功率合成器不能满足系统需求。

平面功率合成器是一种将多路输入信号合成一路信号输出的微波毫米波器件，同时可将一路信号能量功分成多路输出，此时也可称为功率分配器。目前，传统的微波毫米波平面功率合成器一般采用Wilkinson功率合成器来实现，其主要缺点是，在工作频段加宽时，由于功分支路的节数增多，造成通路加长，损耗加大，作为功率合成电路应用时，高损耗将直接导致功率合成效率降低。同时，在大功率通信系统中，现有平面功率合成器存有体积大、功率小、一致性差、需要反复装配调试等问题，不能满足系统小型化、高一致性与高可靠性的要求。

图1所示为一种传统的平面微带Wilkinson功率合成器的原理示意图，该合成器为一个两路等比例分配的多节Wilkinson功分器，该结构为平面三端口网络，电磁波信号由输入端口1-1进入后，经过多节功分环路1-2及1-3后，由两个输出端口1-6与1-7输出。为了增加工作频带宽度及两个输出端口1-6及1-7之间的隔离度，就必须通过增加隔离电阻1-4的节数来解决，但由于该结构中功率分配环路与隔离环路重合，因此，当功分及隔离环路节数增多时，将导致功率分配/合成通路的损耗增大，从而使得功率分配/合成的效率迅速下降。同时，由于加工误差等因素，很难保证各支路的幅度和相位的一致性，该合成器的合成路数少、插入损耗大，受隔离电阻与介质材料等因素影响其功率容量较低，不能有效的散热，具有一定局限性。

国内外高效率的功率分配合成技术一直是急需攻克的技术难题，其所遇到的普遍问题是如何进一步有效地提高功率分配/合成效率、降低损耗、增大工作带宽及提高功率容量等。同时，随着通信系统的升级，通信传输的信号模式也越来越多，对合成器的端口阻抗形式、稳定性、安装方便等方面提出更高的要求。

传统功率合成器的每个端口阻抗值均相同，主要因为原有通信系统与器件通常为固定阻抗形式。但是，随着系统的变换与升级，其输入、输出端口的阻抗通常为不同值，传统的50Ω功率合成器不能满足系统需求。同时，在大功率通信系统中，现有平面功率合成器存有体积大、功率小、一致性差、需要反复装配调试等问题，不能满足系统小型化、高一致性与高可靠性的要求。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提出了一种基于宽带耦合及宽带阻抗变换的小型化功率合成器，可满足现代通信系统多样性、大功率与小型化的需求，具有工作频带宽、承受功率大、体积小、工程安装方便、一致性高等优点。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于宽带耦合及宽带阻抗变换的小型化功率合成器，包括两部分，一是具有宽频带特性的耦合功分部分，将两路输入信号合成为一路信号，各路信号幅度相同；二是阻抗匹配部分，该部分为蛇形曲线形式，将两路信号传输阻抗匹配到不同阻抗值进行输出，每个输出端口置有阻抗调配块，调节端口的阻抗与每个支路的相位。

可选地，整体结构共分为9层，包括：中间介质层、顶部第二介质层、顶部中间地层、顶部第三介质层、顶部地层、底部第二介质层、底部中间地层、底部第三介质层、底部地层，平行耦合合成电路位于中间介质层两侧。

可选地，除中间介质层外，顶部与底部结构为同厚度对称结构。

可选地，所述中间介质层采用了低介电常数的介质。

可选地，通过调节顶部中间地层在耦合功分部分与阻抗匹配部分的面积，调节两部分带线的介质厚度。

一种二路基于宽带耦合及宽带阻抗变换的小型化功率合成器，包括：功率合成端口、大功率失配负载端口、耦合功分枝节、过渡转换体、蛇形阻抗匹配枝节、阻抗相位调配块、输入端口；

具有宽频带特性的耦合功分部分包括功率合成端口、大功率失配负载端口与耦合功分枝节；阻抗匹配部分包括过渡转换体、蛇形阻抗匹配枝节、阻抗相位调配块与输入端口；

工作时，电磁波信号首先由功率合成端口进入，经由耦合功分枝节等功分为两路信号；分配后的信号经由过渡转换体进入蛇形阻抗匹配枝节，蛇形阻抗匹配枝节采用曲线形式，阻抗变换后的信号经过阻抗相位调配块调节端口的阻抗与每个支路的相位，最后信号由输入端口输出；

分配后的各路信号分别经过外部的增益放大电路分别进行放大，再由与分配结构相同的合成结构进行功率合成，合成后的信号由功率合成端口输出，完成功率合成器的功率分配与合成。

可选地，整体结构共分为9层，包括：中间介质层、顶部第二介质层、顶部中间地层、顶部第三介质层、顶部地层、底部第二介质层、底部中间地层、底部第三介质层、底部地层。

可选地，除中间介质层外，顶部与底部结构均为同厚度对称结构；

中间介质层采用了低介电常数的介质或者填充为空气介质。

可选地，通过调节顶部中间地层在耦合部分与阻抗匹配部分的面积，调节两部分带线的介质厚度，满足耦合功分部分与阻抗匹配部分不同阻抗输出的要求；

通过增大耦合合成区域面积，拓宽整个功率分配/合成方案的工作带宽。

可选地，当各个分配合成支路发生失配时，大功率失配负载端口外接大功率负载。

本发明的有益效果是：

(1)输入输出宽带阻抗大动态范围可调：合成器内部引入了阻抗匹配部分，将两路耦合信号传输阻抗匹配到不同阻抗值进行输出，以满足系统不同输入输出阻抗的需求，该部分采用了蛇形曲线形式，有效减小了结构尺寸；

(2)新型宽带准带状线耦合合成：本发明采用的准带状线耦合合成枝节结构具有宽频带工作特性，通过增大了耦合区域面积，可以有效地拓宽整个功率分配/合成方案的工作带宽，并可有效减小渐变结构尺寸，可根据不同工作频率和带宽灵活设计；

(3)高效功率合成：本发明提出的功率合成器，每个功分端口置有阻抗调配块，可以调节端口的阻抗与每个支路的相位，提高了各支路的幅度和相位一致性，同时信号分配合成与阻抗变换均在低损耗的介质内完成，降低了能量的传输损耗，提高了功率合成的效率；

(4)多层压装的结构设计：整体结构共分为九层，各层的介质材料与厚度不同，并采用了压装的设计方案，整个结构小巧轻便，具有很强的工程实用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统的平面微带威尔金森功率合成器；

图2为本发明的宽带耦合及宽带阻抗变换的小型化功率合成器电路原理图；

图3为本发明的宽带耦合及宽带阻抗变换的小型化功率合成器的剖视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在现代射频、微波电路与通信系统中，无源器件以其低功耗和可靠性高而被广泛使用，功率合成器是无源器件中重要器件，主要应用于基站、直放站、室内覆盖中的信号合路、分路及功率合成中，用作功率信号的分配与合成，解决目前微波毫米波通用信号源输出功率小、无法满足大功率信号需要等问题。由于目前单个固态器件的输出功率受自身半导体物理特性的影响以及散热、加工工艺、阻抗匹配等问题的限制而远远达不到实际工程中要求的输出功率，无法满足微波毫米波大功率通信系统的要求。因此，在单个器件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是提高系统输出功率的一种有效方法。但是，国内外高效率的功率分配合成技术一直是急需攻克的技术难题，同时随着通信系统的升级，通信传输的信号模式也越来越多，对合成器的带宽、插入损耗、功率承载能力、端口阻抗形式、稳定性、安装方便等方面提出更高的要求。

传统功率合成器的每个端口阻抗值均相同，主要因为原有通信系统与器件通常为固定阻抗形式。但是，随着系统的变换与升级，其输入、输出端口的阻抗通常为不同值，传统的50Ω功率合成器不能满足系统需求。同时，在大功率通信系统中，现有平面功率合成器存有体积大、功率小、一致性差、需要反复装配调试等问题，不能满足系统小型化、高一致性与高可靠性的要求。

本发明提出的功率合成器主要包括两部分，一是具有宽频带特性的耦合功分部分，将两路输入信号合成为一路信号，各路信号幅度相同；二是阻抗匹配部分，该部分为蛇形曲线形式减小了结构尺寸，将两路信号传输阻抗匹配到不同阻抗值进行输出，每个输出端口置有阻抗调配块，可以调节端口的阻抗与每个支路的相位，提高各支路的幅度和相位一致性。

本发明提出的功率合成器整体结构共分为9层，中间介质层(平行耦合合成电路位于中间介质层两侧)、顶部第二介质层、顶部中间地层、顶部第三介质层、顶部地层、底部第二介质层、底部中间地层、底部第三介质层、底部地层，除中间介质层外，顶部与底部结构为同厚度对称结构。中间介质层采用了低介电常数的介质，可以有效降低传输耦合通路的插入损耗，其它层介质可选用不同的介质。同时由于底部中间地层的引入，通过调节顶部中间地层在耦合部分与阻抗匹配部分的面积，可以灵活调节两部分带线的介质厚度，满足耦合功分部分与阻抗匹配部分不同阻抗输出的要求，提高了系统的幅度和相位一致性，降低了通路的插入损耗，增大了功率的合成效率，具有结构紧凑，安装方便，生产一致性高等优点，具有很强的工程实用性。

在微波毫米波频段内，传统平面功率合成器不能满足输入输出端口阻抗不同的要求，存有体积大、功率小、一致性差、需要反复装配调试等问题，不能满足系统小型化、高一致性与高可靠性的要求。本发明提出的一种基于宽带耦合及宽带阻抗变换的小型化功率合成器，恰好可以解决以上问题。

下面给出本发明的功率合成器的一个具体实施例，如图2所示，该实施例为一种二路基于宽带耦合及宽带阻抗变换的小型化功率合成器，电路结构主要包括：功率合成端口2-1、大功率失配负载端口2-2、耦合功分枝节2-3、过渡转换体2-4、蛇形阻抗匹配枝节2-5、阻抗相位调配块2-6、输入端口2-7。

整体结构如图3所示，共分为9层：中间介质层3-1、顶部第二介质层3-2、顶部中间地层3-3、顶部第三介质层3-4、顶部地层3-5、底部第二介质层3-6、底部中间地层3-7、底部第三介质层3-8、底部地层3-9。

采用该技术方案作为功率合成器时，主要由两个相同的宽带耦合及宽带阻抗变换的小型化功率合成器与增益放大单元组成，宽带耦合及宽带阻抗变换的小型化功率合成器一个作为功率分配器，另一个作为功率合成器，采用相同的结构可以保证各支路幅度与相位的一致性，可以高效地进行功率的分配与合成。本发明提出的功率合成器主要可分为两部分，一是具有宽频带特性的耦合功分部分，主要包括功率合成端口2-1、大功率失配负载端口2-2与耦合功分枝节2-3；二是阻抗匹配部分，主要包括过渡转换体2-4、蛇形阻抗匹配枝节2-5、阻抗相位调配块2-6与输入端口2-7。

工作时，电磁波信号首先由功率合成端口2-1进入，经由耦合功分枝节2-3等功分为两路信号，该结构具有宽频带工作特性，通过增大了耦合合成区域面积，可以有效地拓宽整个功率分配/合成方案的工作带宽，并可有效减小渐变结构尺寸，可根据不同工作频率和带宽灵活设计。

分配后的信号经由过渡转换体2-4进入蛇形阻抗匹配枝节2-5，蛇形阻抗匹配枝节2-5部分的曲线形式减小了结构尺寸，实现了输入端口与输出端口不同阻抗值的匹配，阻抗变换后的信号经过阻抗相位调配块2-6，该结构可以调节端口的阻抗与每个支路的相位，提高各支路的幅度和相位一致性，保证信号的分配于合成效率，最后信号由输入端口2-7输出。

分配后的各路信号分别经过外部的增益放大电路分别进行放大，再由与分配结构相同的合成结构进行功率合成，合成后的信号由功率合成端口2-1输出，进而完成功率合成器的功率分配与合成，当各个分配合成支路发生失配时，大功率失配负载端口2-2外接大功率负载，可以有效的保护功率分配与合成电路，提高功率容量。

本实施例的整体结构共分为9层，除中间介质层3-1外，顶部与底部结构均为同厚度对称结构。中间层介质3-1采用了低介电常数的介质(也可填充为空气介质)，可以有效降低传输耦合通路的插入损耗，其它层介质选用不同介电常数的介质。同时由于顶部中间地层3-3与底部中间地层3-7的引入，通过调节顶部中间地层在耦合部分与阻抗匹配部分的面积，可以灵活调节两部分带线的介质厚度，满足耦合功分部分与阻抗匹配部分不同阻抗输出的要求，提高了系统的幅度和相位一致性，降低了通路的插入损耗，增大了功率的合成效率。

本发明提出的功率合成器主要由两部分组成，一是具有宽频带特性的耦合功分部分；二是阻抗匹配部分，可满足输入输出不同阻抗的要求，提高了系统的幅度和相位一致性，降低了通路的插入损耗，增大了功率的合成效率，具有工作频带宽、可靠性与一致性高等优点，整体结构小巧紧凑，工程安装方便，具有很强的工程实用性。

本发明提出了一种基于宽带耦合及宽带阻抗变换的小型化功率合成器，可满足现代通信系统多样性、大功率与小型化的需求，具有工作频带宽、承受功率大、幅度相位一致性高、插入损耗低等优点；整体结构共分为9层，采用了压装的结构形式，结构紧凑体积小、工程安装方便、一致性与可靠性高。

本发明提出的一种基于宽带耦合及宽带阻抗变换的小型化功率合成器，克服了传统平面功率分配/合成技术方案的端口阻抗形式统一、插入损耗大与功率容量低等限制，可满足现代通信系统多样性、大功率与小型化的需求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于宽带耦合及宽带阻抗变换的小型化功率合成器，其特征在于，包括两部分，一是具有宽频带特性的耦合功分部分，将两路输入信号合成为一路信号，各路信号幅度相同；二是阻抗匹配部分，该部分为蛇形曲线形式，将两路信号传输阻抗匹配到不同阻抗值进行输出，每个输出端口置有阻抗调配块，调节端口的阻抗与每个支路的相位；

整体结构共分为9层，包括：中间介质层、顶部第二介质层、顶部中间地层、顶部第三介质层、顶部地层、底部第二介质层、底部中间地层、底部第三介质层、底部地层，平行耦合合成电路位于中间介质层两侧；通过调节顶部中间地层在耦合功分部分与阻抗匹配部分的面积，调节两部分带线的介质厚度。

2.如权利要求1所述的基于宽带耦合及宽带阻抗变换的小型化功率合成器，其特征在于，除中间介质层外，顶部与底部结构为同厚度对称结构。

3.如权利要求1所述的基于宽带耦合及宽带阻抗变换的小型化功率合成器，其特征在于，所述中间介质层采用了低介电常数的介质。

4.一种二路基于宽带耦合及宽带阻抗变换的小型化功率合成器，其特征在于，整体结构共分为9层，包括：中间介质层、顶部第二介质层、顶部中间地层、顶部第三介质层、顶部地层、底部第二介质层、底部中间地层、底部第三介质层、底部地层，平行耦合合成电路位于中间介质层两侧；通过调节顶部中间地层在耦合功分部分与阻抗匹配部分的面积，调节两部分带线的介质厚度；

还包括：功率合成端口、大功率失配负载端口、耦合功分枝节、过渡转换体、蛇形阻抗匹配枝节、阻抗相位调配块、输入端口；

具有宽频带特性的耦合功分部分包括功率合成端口、大功率失配负载端口与耦合功分枝节；阻抗匹配部分包括过渡转换体、蛇形阻抗匹配枝节、阻抗相位调配块与输入端口；

工作时，电磁波信号首先由功率合成端口进入，经由耦合功分枝节等功分为两路信号；分配后的信号经由过渡转换体进入蛇形阻抗匹配枝节，蛇形阻抗匹配枝节采用曲线形式，阻抗变换后的信号经过阻抗相位调配块调节端口的阻抗与每个支路的相位，最后信号由输入端口输出；

分配后的各路信号分别经过外部的增益放大电路分别进行放大，再由与分配结构相同的合成结构进行功率合成，合成后的信号由功率合成端口输出，完成功率合成器的功率分配与合成。

5.如权利要求4所述的一种二路基于宽带耦合及宽带阻抗变换的小型化功率合成器，其特征在于，除中间介质层外，顶部与底部结构均为同厚度对称结构；

中间介质层采用了低介电常数的介质或者填充为空气介质。

6.如权利要求4所述的一种二路基于宽带耦合及宽带阻抗变换的小型化功率合成器，其特征在于，通过增大耦合合成区域面积，拓宽整个功率分配/合成方案的工作带宽。

7.如权利要求4所述的一种二路基于宽带耦合及宽带阻抗变换的小型化功率合成器，其特征在于，当各个分配合成支路发生失配时，大功率失配负载端口外接大功率负载。