CN109167580A - 一种平面四路功率合成放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种平面四路功率合成放大器，属于通信技术领域，解决了现有功率合成放大器幅度和相位可调节范围有限、合成效率差的问题。该平面四路功率合成放大器包括依次连接的功率分配模块、相位调节模块、功率放大模块、功率合成模块。其中，功率分配模块，用于根据预设功率分配需求对输入信号进行功率分配处理，获得四路功率分配后信号。通过相位调节模块，对四路功率分配后信号分别进行相位调节处理，通过功率放大模块，对四路相位调节后信号分别进行功率放大处理，通过功率合成模块，对四路功率放大后信号进行功率合成处理，得到满足预设功率需求的最终信号输出。本发明结构简单、体积小、系统稳定性高、输出功率高，输出功率可达10W以上。

Description

一种平面四路功率合成放大器

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种平面四路功率合成放大器。

背景技术

随着军用与商用通信系统的快速发展，对于高效率、宽频带、小型化固态功率放大器的需求与日俱增。

目前，在微波单片集成电路中，固态功率放大器的输出功率有限，广泛使用功率合成技术以获得更大的输出功率。功率合成指通过功率合成网络将多个相同型号的单元功放以特定的相位关系实现信号叠加，使功率合成放大器的功率输出能力相较于单元功放有很大提升。

功率合成技术经过多年的发展和改进，可分为芯片式合成、电路式合成、空间功率合成、混合型功率合成及其他形式的功率合成技术。目前，通过上述功率合成技术制备的功率合成放大器，其幅度和相位可调节范围有限，影响合成效率。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种平面四路功率合成放大器，用以解决现有功率合成放大器幅度和相位可调节范围有限、合成效率差的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种平面四路功率合成放大器，包括依次连接的功率分配模块、相位调节模块、功率放大模块、功率合成模块；

所述功率分配模块，用于根据预设功率分配需求，对输入信号进行功率分配处理，将获得的四路参考信号传输至相位调节模块；

所述相位调节模块，用于对上述四路参考信号分别进行相位调节处理，将获得的四路相位调节后信号传输至功率放大模块；

所述功率放大模块，用于对上述四路相位调节后信号分别进行功率放大处理，将获得的四路功率放大后信号传输至功率合成模块；

所述功率合成模块，用于对上述四路功率放大后信号进行功率合成处理，获得满足预设功率需求的最终信号输出。

上述技术方案的有益效果如下：相比现有技术，单级功率放大器输出功率的能力有限，上述技术方案通过功率先分配再合成的方式能够实现大功率输出。提供的平面四路功率合成放大器对功率分配模块、相位调节模块、功率放大模块、功率合成模块进行了设计，其具有结构简单、系统稳定性高、输出功率高的优点，特别是，输出功率可达10W以上。通过幅度调节模块，可以调节各子链路的增益，从而改善电路驻波，防止平面四路功率合成放大器自激，同时可以结合实际情况改变平面四路功率合成放大器的输出功率大小。具体地，通过调节功率放大模块的损耗(改变设计参数)，可以实现功率放大后信号的幅度调节；通过调节相位调节模块的信号传输路径，可以实现功率放大后信号的相位调节。上述四路功率放大后信号的相位和幅度的一致性决定了功率合成效率，有效地调节四路功率放大后信号的相位和幅度，有助于提高功率合成效率。

基于上述设备的另一个实施例中，所述平面四路功率合成放大器还包括末级隔离模块；所述末级隔离模块的输入端与功率合成模块的输出端连接，其输出端作为所述平面四路功率合成放大器的输出端；

所述末级隔离模块，用于对上述满足预设功率需求的最终信号进行隔离调理，将获得的隔离调理结果作为最终信号输出。

上述技术方案的有益效果是：通过末级隔离模块，可以防止因最终信号输出驻波不良导致信号倒灌，造成平面四路功率合成放大器损坏。

进一步，所述平面四路功率合成放大器还包括散热模块；所述散热模块覆盖所述功率分配模块、相位调节模块、功率放大模块、功率合成模块和末级隔离模块的至少一个表面，并与所述功率合成模块集成于一体；

所述散热模块，用于为所述功率分配模块、相位调节模块、功率放大模块、功率合成模块和末级隔离模块工作时提供散热功能。

上述进一步方案的有益效果是：相对于外部额外设置的散热装置，所述散热模块提高了功率分配模块、相位调节模块、功率放大模块、功率合成模块和末级隔离模块工作时的散热效率。

进一步，所述功率放大模块包括依次连接的驱动级放大器、幅度调节模块、功率放大器；

所述驱动级放大器，用于将输入的四路相位调节后信号分别进行信号放大处理，并将获得的具有合适信号功率的四路放大后信号传输至幅度调节模块；

所述幅度调节模块，用于对上述四路放大后信号进行信号分别进行幅度调节处理，将获得的四路幅度调节后信号传输至功率放大器；

所述功率放大器，用于对上述四路幅度调节后信号分别进行功率放大处理，将获得四路功率放大后信号传输至功率合成模块。

上述进一步方案的有益效果是：通过幅度调节模块进行幅度调节后，使功率放大器和驱动级放大器工作在最佳状态，同时保证了幅度一致性特征，提高了功率放大器的工作效率，从而提高了功率合成放大器输出功率的能力。

进一步，所述相位调节模块包括绕线式结构的微带线、金带键合点和金带；

所述微带线上按预设规则设置金带键合点，相邻的两个金带键合点通过金带连接。

上述进一步方案的有益效果是：设计的绕线式结构微带线可以调节分支链路的信号相位，从而提高最终信号的合成效率。具体地，信号沿着绕线式微带线传输，通过金带键合点时，通过其连接的金带直接传输至相邻的金带键合点，割断了上述两个金带键合点之间的微带线，进而改变了信号传输路径。相位调节模块输出信号的相位决定于输入信号的传输路径和距离，通过改变所述路径和距离(即调整金带键合点位置)可以改变相位调节模块输出端信号的相位数值。因此，通过金带键合的方式优化了相位调节模块的结构，简化了相位调节的难度。

进一步，所述散热模块采用锯齿状金属片结构；

所述金属为铜铝合金。

上述进一步方案的有益效果是：通过上述结构，大大提高了功率合成放大器的散热效率。

进一步，所述平面四路功率合成放大器的输入信号的功率为0dBm，所述功率放大模块输出的功率放大后信号的功率为36.2dBm，功率合成模块输出的最终信号的功率为40.3dBm。

上述进一步方案的有益效果是：通过幅度(幅度调节模块)和相位(相位调节模块)的调节，能够改善驱动级放大器的增益和功率放大模块的增益，从而提高功率放大模块的输出功率。

进一步，所述功率分配模块包括两个并联的改进曲线形式功分器；

每个所述改进曲线形式功分器，用于根据各自的预设功率分配需求，对输入信号进行功率分配处理，将获得的两路参考信号传输至相位调节模块。

上述进一步方案的有益效果是：保证性能的同时，相对于传统功分器，体积明显减小。通过优化改进曲线形式功分器的曲线结构，能够优化功率分配模块，使其损耗降低，体积减小，应用更加方便。

进一步，所述功率合成模块包括两个并联的改进曲线形式功分器；

每个所述改进曲线形式功分器，用于对输入的两路功率放大后信号进行功率合成处理，获得满足预设功率需求的最终信号输出。

上述进一步方案的有益效果是：保证性能的同时，相对于传统功分器，体积明显减小。通过优化改进曲线形式功分器的曲线结构，能够优化功率合成模块，使其损耗降低，体积减小，应用更加方便。

进一步，所述改进曲线形式功分器采用改进型威尔金森功分器。

上述进一步方案的有益效果是：功率合成放大器工作在X波段，输出功率达10W以上，能够作为X波段信号干扰设备中不可缺少的部分，广泛应用于电磁干扰、远距离通信等领域。通过功率放大器产生大功率信号，是干扰设备工作的最重要前提。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例1平面四路功率合成放大器组成示意图；

图2为本发明实施例2平面四路功率合成放大器组成示意图；

图3为本发明实施例2平面四路功率合成放大器电路连接示意图；

图4为本发明实施例2相位调节模块平面示意图；

图5为本发明实施例2幅度调节模块中微型衰减器平面示意图；

图6为本发明实施例2改进曲线形式功分器正视图；

图7为本发明实施例2平面四路功率放大器插入损耗的测试数据图形；

图8为本发明实施例2平面四路功率放大器相位一致度测试图形。

附图标记：

1-相位调节模块微带线；2-金带键合点；3-长方形金属微带电阻；

4-金带；5-微型衰减器微带线；6-接地；7-连接线。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本发明的一个具体实施例，公开了一种平面四路功率合成放大器，如图1所示，包括依次连接的功率分配模块、相位调节模块、功率放大模块、功率合成模块。

功率分配模块，用于根据预设功率分配需求，对输入信号进行功率分配处理，将获得的四路参考信号传输至相位调节模块。

相位调节模块，用于对上述四路参考信号分别进行相位调节处理，将获得的四路相位调节后信号传输至功率放大模块。

功率放大模块，用于对上述四路相位调节后信号分别进行功率放大处理，将获得的四路功率放大后信号传输至功率合成模块。

功率合成模块，用于对上述四路功率放大后信号进行功率合成处理，获得满足预设功率需求的最终信号输出。

优选地，功率放大器采用平面功率放大器，电路结构采用微带形式实现。通过射频连接器连接上述不同模块，并在平面功率放大器的底部设置一体化散热模块。

实施时，平面四路功率合成放大器工作在X波段，通过调节功率放大后信号的幅度和相位，能够使得最终信号输出功率达10W以上，能够作为X波段信号干扰设备中不可缺少的部分，广泛应用于电磁干扰、远距离通信等领域。同时，通过功率放大模块产生的大功率信号，是干扰设备工作的最重要前提。

与现有技术相比，本实施例提供的平面四路功率合成放大器采用多级功率放大器模式。相比单级功率放大器，由于单级功率放大器输出功率的能力有限，所以通过功率先分配再合成的方式能够实现本实施例的大功率输出。提供的平面四路功率合成放大器对功率分配模块、相位调节模块、功率放大模块、功率合成模块分别进行了设计，其具有结构简单、系统稳定性高、输出功率高等优点，特别是，输出功率可达10W以上。通过幅度调节模块，可以调节各子链路的增益，从而改善电路驻波，防止平面四路功率合成放大器自激，同时可以结合实际情况改变平面四路功率合成放大器的输出功率。具体地，通过调节功率放大模块的损耗(改变设计参数)，可以实现功率放大后信号的幅度调节；通过调节相位调节模块的信号传输路径，可以实现功率放大后信号的相位调节。上述四路功率放大后信号的相位和幅度的一致性决定了功率合成效率，有效地调节四路功率放大后信号的相位和幅度，有助于提高功率合成效率。

实施例2

在实施例1的基础上进行改进，如图2所示，平面四路功率合成放大器还包括末级隔离模块和散热模块。其中，末级隔离模块的输入端与功率合成模块的输出端连接，其输出端作为平面四路功率合成放大器的输出端。散热模块覆盖所述功率分配模块、相位调节模块、功率放大模块、功率合成模块和末级隔离模块的至少一个表面，并与所述功率合成模块集成于一体。

可选地，上述扇热模块也可以与功率分配模块、相位调节模块、功率放大模块、功率合成模块和末级隔离模块种的至少一种集成与一体。与所述功率合成模块集成于一体，是因为功率合成模块的散热需求最大，因而集成在一起后散热效果将更好。

末级隔离模块，用于对上述满足预设功率需求的最终信号进行隔离调理，将获得的隔离调理结果作为最终信号输出。通过末级隔离模块，可以防止因输出驻波不良导致信号倒灌，造成平面四路功率合成放大器损坏。优选地，末级隔离模块可采用Narda4915型隔离模块，其隔离度较高，隔离效果非常好。

散热模块，用于为上述功率分配模块、相位调节模块、功率放大模块、功率合成模块和末级隔离模块工作时提供散热功能。优选地，散热模块可以采用锯齿状金属片结构，所述金属可为铜铝合金。相对于外加散热装置，本实施例中自行研制的散热模块能够显著提高平面四路功率合成放大器的散热效率。

优选地，如图3所示，功率放大模块包括依次连接的驱动级放大器、幅度调节模块、功率放大器。

驱动级放大器，用于将输入的四路相位调节后信号分别进行信号放大处理，并将获得的具有合适信号功率的四路放大后信号传输至幅度调节模块。优选地，驱动级放大器可采用HMC451型驱动级放大器。

幅度调节模块，用于对上述四路放大后信号进行信号分别进行幅度调节处理，将获得的四路幅度调节后信号传输至功率放大器。幅度调节模块，可以调节分支链路的增益，从而改善电路驻波，防止功率放大器自激的同时，可以结合实际情况通过幅度调节改变功率放大器的输出功率。优选地，幅度调节模块的结构包括3个通过50Ω微带线串联在一起的微带衰减器。具体地，所述微带衰减器包括微带线5和六个长方形金属微带电阻3，其结构如图5所示，其连接方式不进行限定，原因是通过金带键合连接微带线和不同的长方形金属微带块可得到不同的衰减量，幅度调节模块输出信号的幅度取决于微带衰减器的衰减量，因此通过调节金带键合位置和方式可得到不同的输出信号幅度。

功率放大器，用于对上述四路幅度调节后信号分别进行功率放大处理，将获得四路功率放大后信号传输至功率合成模块。优选地，功率放大器可采用中国电子科技集团第十三研究所研制的NC31144S-812P5型功率放大器。

优选地，如图4所示，相位调节模块包括绕线式结构的微带线1、金带键合点2和连接相邻金带键合点的金带。相位调节模块的输入信号(四路参考信号)沿着绕线式结构的微带线传输，通过在微带线上设置的金带键合点，传输至相邻的金带键合点，因此隔断了相邻两个金带键合点之间原来微带线传输的信号，改变了信号传输路径。相位调节模块输出端信号的相位决定于输入信号的传输路径和距离，即金带键合点位置。通过改变所述路径和距离，可以改变相位调节模块输出端信号的相位数值，保证四路信号的相位一致性，进而提高功率合成的效率。

优选地，功率分配模块和功率合成模块分别包括两个并联的改进曲线形式功分器，如图3所示，改进曲线形式功分器如图6所示。因此，在保证性能的同时，相对于传统功分器，其体积明显减小。通过采用HFSS射频仿真软件仿真可以优化所述改进曲线形式功分器的曲线结构，进而优化功率分配模块和功率合成模块，使其损耗降低，体积减小，本领域技术人员能够理解。

在功率分配模块中，每个所述改进曲线形式功分器，用于根据各自的预设功率分配需求，对输入信号进行功率分配处理，将获得的两路参考信号传输至相位调节模块。

在功率合成模块中，每个所述改进曲线形式功分器，用于对输入的两路功率放大后信号进行功率合成处理，获得满足预设功率需求的最终信号输出。

优选地，上述改进曲线形式功分器可以采用改进型威尔金森功分器。

通过图7和图8显示的结果可以看出，本实施例中功率合成模块的损耗较小，相位一致度较高，非常适合用于大功率合成。

实施时，通过调节功率分配模块和幅度调节模块损耗、驱动级放大器和功率放大模块、功率合成模块增益，可获得平面四路功率合成放大器的输入信号的功率为0dBm，功率放大器输出的功率放大后信号的功率为36.2dBm(4W)，功率合成模块输出的最终信号的功率为40.3dBm(10W)。

具体地，功率放大器模块的输出功率：

P₁＝P_in-L₁+G₁+L₂+G₂

式中，P₁表示功率放大器模块输出功率，P_in表示平面四路功率合成放大器输入功率，L₁表示功率分配器模块损耗，G₁表示驱动级放大器增益，L₂表示幅度调节模块损耗，G₂表示功率放大模块增益。

功率合成模块输出的最终信号功率：

P₂＝P₁+G₃

式中，P₂表示功率合成模块输出的最终信号功率，P₁表示功率放大模块输出功率，G₃表示功率合成模块合成增益。

与实施例1相比，本实施例提供的平面四路功率合成放大器，具有相位和幅度调节功能，能够根据实际需要，调节功率合成放大器的输出信号的功率和相位特征，使四路信号达到较好的相幅一致，从而提高功率合成的效率，并通过改进功分器的结构，减小功率放大器的体积，使其更加方便使用。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种平面四路功率合成放大器，其特征在于，包括依次连接的功率分配模块、相位调节模块、功率放大模块、功率合成模块；

所述功率分配模块，用于根据预设功率分配需求，对输入信号进行功率分配处理，将获得的四路参考信号传输至相位调节模块；

所述相位调节模块，用于对上述四路参考信号分别进行相位调节处理，将获得的四路相位调节后信号传输至功率放大模块；

所述功率放大模块，用于对上述四路相位调节后信号分别进行功率放大处理，将获得的四路功率放大后信号传输至功率合成模块；

所述功率合成模块，用于对上述四路功率放大后信号进行功率合成处理，获得满足预设功率需求的最终信号输出。

2.根据权利要求1所述的平面四路功率合成放大器，其特征在于，还包括末级隔离模块；所述末级隔离模块的输入端与功率合成模块的输出端连接，其输出端作为所述平面四路功率合成放大器的输出端；

所述末级隔离模块，用于对上述满足预设功率需求的最终信号进行隔离调理，将获得的隔离调理结果作为最终信号输出。

3.根据权利要求2所述的平面四路功率合成放大器，其特征在于，还包括散热模块；所述散热模块覆盖所述功率分配模块、相位调节模块、功率放大模块、功率合成模块和末级隔离模块的至少一个表面，并与所述功率合成模块集成于一体；

所述散热模块，用于为所述功率分配模块、相位调节模块、功率放大模块、功率合成模块和末级隔离模块工作时提供散热功能。

4.根据权利要求1-3之一所述的平面四路功率合成放大器，其特征在于，所述功率放大模块包括依次连接的驱动级放大器、幅度调节模块、功率放大器；

所述驱动级放大器，用于将输入的四路相位调节后信号分别进行信号放大处理，并将获得的具有合适信号功率的四路放大后信号传输至幅度调节模块；

所述幅度调节模块，用于对上述四路放大后信号进行信号分别进行幅度调节处理，将获得的四路幅度调节后信号传输至功率放大器；

所述功率放大器，用于对上述四路幅度调节后信号分别进行功率放大处理，将获得四路功率放大后信号传输至功率合成模块。

5.根据权利要求1-3之一所述的平面四路功率合成放大器，其特征在于，所述相位调节模块包括绕线式结构的微带线、金带键合点和金带；

所述微带线上按预设规则设置金带键合点，相邻的两个金带键合点通过金带连接。

6.根据权利要求3所述的平面四路功率合成放大器，其特征在于，所述散热模块采用锯齿状金属片结构；

所述金属为铜铝合金。

7.根据权利要求4所述的平面四路功率合成放大器，其特征在于，所述平面四路功率合成放大器的输入信号的功率为0dBm，所述功率放大模块输出的功率放大后信号的功率为36.2dBm，功率合成模块输出的最终信号的功率为40.3dBm。

8.根据权利要求1-3、6-7之一所述的平面四路功率合成放大器，其特征在于，所述功率分配模块包括两个并联的改进曲线形式功分器；

每个所述改进曲线形式功分器，用于根据各自的预设功率分配需求，对输入信号进行功率分配处理，将获得的两路参考信号传输至相位调节模块。

9.根据权利要求1-3、6-7之一所述的平面四路功率合成放大器，其特征在于，所述功率合成模块包括两个并联的改进曲线形式功分器；

每个所述改进曲线形式功分器，用于对输入的两路功率放大后信号进行功率合成处理，获得满足预设功率需求的最终信号输出。

10.根据权利要求9或10所述的平面四路功率合成放大器，其特征在于，所述改进曲线形式功分器采用改进型威尔金森功分器。