CN110620558A - 微波生成系统、方法及无线通信设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种微波生成系统、方法及无线通信设备，包括半导体放大器、耦合器、输入匹配电路及输出匹配电路。输入匹配电路及输出匹配电路分别连接至半导体放大器的输入端和输出端，用于半导体放大器的输入阻抗及输出阻抗与系统阻抗的匹配。半导体放大器用于产生振荡信号，并对所述振荡信号进行放大处理，输出微波信号。耦合器连接在半导体放大器的输出端及输入端之间，用于将其输出的部分微波信号的功率耦合至其输入端。利用半导体放大器自身高增益、易于震荡的特性，并结合耦合器的功率耦合功能，通过控制半导体放大器的功率增益和耦合器的耦合度，使系统能够输出稳定的高功率的微波信号。如此，降低了电路设计的复杂度。

Description

微波生成系统、方法及无线通信设备

技术领域

本申请涉及无线通信技术领域，具体而言，涉及一种微波生成系统、方法及无线通信设备。

背景技术

功率放大器作为通信系统的核心部件，在通信系统中发挥着十分重要的作用，因此，要求通信系统中的功率放大器能够长期稳定工作。传统的微波生成系统通常是利用压控振荡器、锁相环等小放大器，并在特定的外界条件下、某需要的频率下产生震荡，以生成微波信号。然后，再通过一级一级的放大，从而生成稳定的高功率的微波信号。

在传统设计中，为了输出稳定的高功率的微波信号，需要用到多个不同的器件进行混合设计，存在电路设计复杂的问题。

发明内容

本申请的目的包括，例如，提供了一种微波生成系统、方法及无线通信设备，其能够降低电路设计复杂度。

本申请的实施例可以这样实现：

第一方面，本申请实施例提供一种微波生成系统，包括半导体放大器、耦合器、输入匹配电路以及输出匹配电路；

所述输入匹配电路连接至所述半导体放大器的输入端，所述输出匹配电路连接至所述半导体放大器的输出端；

所述半导体放大器用于产生振荡信号，并对所述振荡信号进行放大处理，输出对应的微波信号；

所述耦合器的输入端通过所述输出匹配电路连接至所述半导体放大器的输出端，所述耦合器的输出端通过所述输入匹配电路连接至所述半导体放大器的输入端，用于将所述半导体放大器输出的部分微波信号的功率耦合至所述半导体放大器的输入端；

其中，所述半导体放大器的功率增益与所述耦合器的耦合度之和大于或等于0。

在可选的实施方式中，所述耦合器由主微带线及辅微带线构成，所述主微带线和所述辅微带线间隔平行设置，所述主微带线通过所述输出匹配电路连接至所述半导体放大器的输出端，所述辅微带线的一端通过所述输入匹配电路连接至所述半导体放大器的输入端、另一端连接下拉电阻后接地。

在可选的实施方式中，所述微波生成系统还包括输入偏置电路以及输出偏置电路；

所述输入偏置电路的一端连接至栅极电源、另一端连接至所述半导体放大器的输入端；

所述输出偏置电路的一端与漏极电源连接、另一端连接至所述半导体放大器的输出端。

在可选的实施方式中，所述输入偏置电路包括第一微带线及至少一个第一电容，所述第一电容的一端接地、另一端的一路连接至所述栅极电源、另一路通过所述第一微带线连接至所述半导体放大器的输入端；

所述输出偏置电路包括第二微带线及至少一个第二电容，所述第二电容的一端接地、另一端的一路连接至所述漏极电源、另一路通过所述第二微带线连接至所述半导体放大器的输出端。

在可选的实施方式中，所述微波生成系统还包括输入保护电路，所述输入保护电路的一端与所述输入偏置电路连接、另一端连接至所述半导体放大器的输入端。

在可选的实施方式中，所述输入保护电路包括限流电阻，所述限流电阻的一端通过所述输入偏置电路与所述栅极电源连接、另一端连接至所述半导体放大器的输入端。

在可选的实施方式中，所述微波生成系统还包括滤波电路，所述滤波电路连接在所述耦合器与所述输入匹配电路之间。

在可选的实施方式中，所述输入匹配电路包括第三电容以及第三微带线，所述第三电容的一端通过所述第三微带线连接至所述半导体放大器的输入端、另一端与所述耦合器的输出端连接；

所述输出匹配电路包括第四电容以及第四微带线，所述第四电容的一端通过所述第四微带线连接至所述半导体放大器的输出端、另一端与所述耦合器的输入端连接。

在可选的实施方式中，所述半导体放大器为氮化镓晶体管。

第二方面，本申请实施例提供一种微波生成方法，应用于上述任一实施例提供的微波生成系统，所述方法包括：

利用输入匹配电路将系统阻抗匹配至半导体放大器的输入阻抗；

半导体放大器产生振荡信号，并对所述振荡信号进行放大处理，输出对应的微波信号，利用输出匹配电路将所述半导体放大器的输出阻抗匹配至系统阻抗；

耦合器将所述半导体放大器输出的部分微波信号的功率耦合至所述半导体放大器的输入端；

其中，所述半导体放大器的功率增益与所述耦合器的耦合度之和大于或等于0。

第三方面，本申请实施例提供一种无线通信设备，包括前述实施方式中任意一项所述的微波生成系统。

本申请实施例的有益效果包括，例如：

本申请实施例提供的微波生成系统、方法及无线通信设备，包括半导体放大器、耦合器、输入匹配电路以及输出匹配电路，通过输入匹配电路和输出匹配电路，使半导体放大器具备正常的放大功能。利用半导体放大器自身高增益、易于震荡的特性，并结合耦合器的功率耦合功能，在控制半导体放大器的功率增益和耦合器的耦合度之和大于或等于0时，使系统能够输出稳定的高功率的微波信号。如此，降低了电路设计的复杂度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本申请实施例提供的微波生成系统的结构框图；

图2为本申请实施例提供的微波生成系统的另一结构框图；

图3为本申请实施例提供的微波生成系统的电路原理图；

图4为本申请实施例提供的半导体放大器的功率增益变化曲线图；

图5为本申请实施例提供的耦合器的耦合度变化曲线图；

图6为本申请实施例提供的微波生成系统的另一结构框图；

图7为本申请实施例提供的微波生成方法的流程示意图。

图标：10-微波生成系统；100-半导体放大器；200-输入匹配电路；300-输出匹配电路；400-耦合器；500-输入偏置电路；600-输出偏置电路；700-输入保护电路；800-滤波电路。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例中的特征可以相互结合。

请参阅图1，为本申请实施例提供的微波生成系统10的结构框图，该微波生成系统10包括半导体放大器100、耦合器400、输入匹配电路200以及输出匹配电路300。其中，输入匹配电路200连接至半导体放大器100的输入端、用于将系统阻抗50欧姆匹配至半导体放大器100的输入阻抗。输出匹配电路300连接至半导体放大器100的输出端，用于将半导体放大器100的输出阻抗匹配至系统阻抗50欧姆。

半导体放大器100用于产生振荡信号，并对所述振荡信号进行放大处理，输出对应的微波信号。而耦合器400的输入端通过输出匹配电路300连接至半导体放大器100的输出端，耦合器400的输出端通过输入匹配电路200连接至半导体放大器100的输入端。耦合器400用于将半导体放大器100输出的部分微波信号的功率耦合至半导体放大器100的输入端。

在本实施例中，为了能够稳定输出大功率微波信号，半导体放大器100的功率增益与耦合器400的耦合度之和设置为大于或等于0。

在本实施例中，半导体放大器100可以是氮化镓晶体管。

根据微波散射理论中稳定性因子的计算公式可知，若传输增益越小，则稳定性因子越大，微波网络越稳定。而若传输增益越大，则稳定性因子越小，微波网络越不稳定。因此，本实施例中，利用氮化镓晶体管构成的半导体放大器100自身的高增益特性，容易使微波网络处于微波震荡状态。

并且，半导体放大器100在经过输入匹配电路200以及输出匹配电路300的匹配之后，可以实现正常的放大功能。而通过连接在半导体放大器100的输入端和输出端之间的耦合器400，可以将半导体放大器100输出端输出的部分微波功率耦合至输入端。在半导体放大器100的功率增益和耦合器400的耦合度之和大于0时，半导体放大器100将会产生微波震荡，通过调整耦合器400的耦合度，可以使系统处于稳定输出高功率的微波信号状态。如此，可以便捷地实现输出高功率微波信号的目的，避免了传统设计中，需要多种器件进行混合设计，所带来的电路设计复杂的问题。

请参阅图2，耦合器400由主微带线TLA及辅微带线TLB构成，主微带线TLA和辅微带线TLB间隔平行设置。主微带线TLA通过输出匹配电路300连接至半导体放大器100的输出端，辅微带线TLB的一端通过输入匹配电路200连接至半导体放大器100的输入端、另一端连接下拉电阻R1后接地。

在调整耦合器400的耦合度时，可通过调整主微带线TLA及辅微带线TLB之间的距离来实现。本实施例中，可将耦合器400的耦合度的绝对值调整至低于半导体放大器100的最大功率增益预设值时停止调整，该预设值可以是，例如3db或4db等。

请结合参阅图2和图3，在本实施例中，微波生成系统10还包括输入偏置电路500及输出偏置电路600。其中，输入偏置电路500的一端连接至栅极电源VGS、另一端连接至半导体放大器100的输入端。输入偏置电路500可用于为半导体放大器100提供栅极电压，使半导体放大器100处于放大状态。输出偏置电路600的一端与漏极电源VDS连接、另一端连接至半导体放大器100的输出端，用于为半导体放大器100提供漏极电压。

在本实施例中，半导体放大器100包括源极、漏极及栅极，输入偏置电路500及输入匹配电路200分别连接至半导体放大器100的栅极，而输出匹配电路300及输出偏置电路600分别连接至半导体放大器100的漏极，半导体放大器100的源极接地。

输入偏置电路500用于抑制信号从半导体放大器100的栅极馈电电源端泄漏，并为半导体放大器100提供栅极电压。输出偏置电路600用于抑制输出的微波信号向半导体放大器100的漏极馈电电源端泄漏，同时为半导体放大器100提供漏极电压。

可选地，输入偏置电路500可包括第一微带线TL1及至少一个第一电容，图2中示意性示出包含三个第一电容，即电容C1、电容C2以及电容C3。应当理解，第一电容也可以为其他各种组合，例如四个或五个等不限，并不限定于本实施例中的三个第一电容。其中，各个第一电容的一端接地、另一端的一路连接至栅极电源VGS、另一路通过第一微带线TL1连接至半导体放大器100的输入端。

上述输出偏置电路600包括第二微带线TL2及至少一个第二电容，图2中示意性示出三个第二电容，即电容C4、电容C5以及电容C6。需要说明的是，包含的第二电容还可以为其他各种组合，例如四个或五个等不限，不限定为本实施例中的电容C4、电容C5以及电容C6。其中，各个第二电容的一端接地、另一端的一路连接至漏极电源VDS、另一路通过第二微带线TL2连接至半导体放大器100的输出端。

此外，可选地，上述输入匹配电路200包括第三电容C7以及第三微带线，其中，第三电容C7的一端通过第三微带线连接至半导体放大器100的输入端、另一端与所述耦合器400的输出端连接。

在本实施例中，所述第三微带线为至少一条，例如图2中所示的微带线TL3、TL4、TL5，其中微带线TL3、TL4、TL5依次连接，微带线TL4连接在微带线TL3以及微带线TL5之间，微带线TL5的另一端连接至半导体放大器100的输入端，微带线TL3的另一端与第三电容C7的一端连接。第三电容C7的另一端连接至耦合器400的输出端。需要说明的是，第三微带线还可以为其他各种组合，不限定于本实施例中列举的三条第三微带线TL3、TL4、TL5。

上述的输出匹配电路300包括第四电容C8以及第四微带线，其中，第四电容C8的一端通过第四微带线连接至半导体放大器100的输出端、另一端与所述耦合器400的输入端连接。

在本实施例中，所述第四微带线为至少一条，例如图2中所示的微带线TL6、TL7、TL8，其中微带线TL6、TL7、TL8依次连接，微带线TL7连接在微带线TL6以及微带线TL8之间，而微带线TL6的另一端连接至半导体放大器100的输出端，微带线TL8的另一端与第四电容C8的一端连接。第四电容C8的另一端连接至耦合器400的输入端。需要说明的是，第四微带线还可以为其他各种组合，不限定于本实施例中列举的三条第四微带线TL6、TL7、TL8。在本实施例中，输入匹配电路200以及输入偏置电路500一起构成半导体放大器100的输入部分，输出匹配电路300和输出偏置电路600一起构成半导体放大器100的输出部分。输入匹配电路200及输出匹配电路300用于半导体放大器100的输入阻抗及输出阻抗与系统欧姆阻抗之间的匹配，输入偏置电路500及输出偏置电路600用于对射频信号进行扼流。

请结合参阅图4和图5，以半导体放大器100为氮化镓晶体管为例进行说明，图4为氮化镓晶体管的功率增益的变化曲线图，图5为耦合器400的耦合度的变化曲线图。对于氮化镓晶体管，其在小信号的情况下，功率增益基本维持不变。故在小信号的情况下，氮化镓晶体管的功率增益A和耦合器400的耦合度B之和A+B>0。

由于耦合器400将部分功率耦合回来，因此，系统输出的功率持续增大。在氮化镓器件的输出功率变大而进入非线性区后，其功率增益由于输出功率开始饱和而降低，故功率增益和耦合度之和A+B开始降低，随着输出功率继续增大，A+B继续降低，直到相对稳定在A+B＝0时，系统处于稳态。

由于系统的最后工作状态处于非线性区，为了让半导体放大器100不至于工作于过度饱和状态，因此，需要对其进行保护。请再次参阅图3，本实施例中，该微波生成系统10还包括输入保护电路700，该输入保护电路700的一端与输入偏置电路500连接、另一端连接至半导体放大器100的输入端，用于对半导体放大器100进行过电流保护。

其中，该输入保护电路700包括限流电阻R2，限流电阻R2的一端通过输入偏置电路500与栅极电源VGS连接、另一端连接至半导体放大器100的输入端，即限流电阻R2的另一端连接至半导体放大器100的栅极。

对于半导体放大器100而言，在其栅极电流过渡饱和时，其电流大小成倍数增大。因此，在半导体放大器100的栅极连接一个限流电阻R2，当电流越大时，在限流电阻R2上的压降越大，到达半导体放大器100的电压将降低。半导体放大器100的有效增益将降低，从而通过拉低半导体放大器100的偏置电压以起到进行过电流保护的功能。

进一步地，请结合参阅2和图6，在本实施例中，微波生成系统10还包括滤波电路800，该滤波电路800连接在耦合器400与输入匹配电路200之间，用于对耦合器400输出的微波信号中的高频杂波信号进行滤除。如此，可滤除耦合器400输出的不需要的高频的杂散信号，以避免对微波信号生成产生影响。

其中，所述滤波电路800由电容及电感构成，可选地，可包括第五电容C9、第六电容C10及电感L1。第五电容C9的一端接地、另一端连接在耦合器400与输入匹配电路200之间。所述电感L1连接在第五电容C9及耦合器400之间，第六电容C10的一端接地、另一端连接在电感L1和耦合器400之间。

本实施例中，以氮化镓晶体管构成半导体放大器100，并结合外围电路以实现稳定输出高频率微波信号的目的，降低了微波生成系统10的复杂度，提高了微波生成系统10的效率，且增加了氮化镓器件的应用场景。

本申请另一实施例还提供一种微波生成方法，该微波生成方法应用于上述微波生成系统10。结合参阅图7，以下对所述微波生成方法的过程进行介绍：

步骤S110，利用输入匹配电路200将系统阻抗匹配至半导体放大器100的输入阻抗；

步骤S120，半导体放大器100产生振荡信号，并对所述振荡信号进行放大处理，输出对应的微波信号，利用输出匹配电路300将所述半导体放大器100的输出阻抗匹配至系统阻抗；

步骤S130，耦合器400将所述半导体放大器100输出的部分微波信号的功率耦合至所述半导体放大器100的输入端，其中，所述半导体放大器100的功率增益与所述耦合器400的耦合度之和大于或等于0。

该微波生成方法可基于上述微波生成系统10的基础上，通过输入匹配电路200及输出匹配电路300的输入、输出匹配作用，使半导体放大器100实现正常的放大功能，且通过耦合器400将半导体放大器100输出端输出的部分微波功率耦合至其输入端，并控制半导体放大器100的功率增益与耦合器400的耦合度之和大于或等于0，从而实现稳定输出高功率微波信号的目的。

该微波生成方法具有与上述微波生成系统10相同的有益效果，该微波生成方法的详细过程可参见前述实施例中关于微波生成系统10的相关描述，在此不再赘述。

在上述基础上，本申请另一实施例还提供一种无线通信设备，该无线通信设备包括上述的微波生成系统10。该无线通信设备包含与前述实施例中的微波生成系统10相同的结构和有益效果。微波生成系统10的结构和有益效果已经在前述实施例中进行了详细描述，在此不再赘述。

综上所述，本申请实施例提供一种微波生成系统10、方法及无线通信设备，该微波生成系统10包括半导体放大器100、耦合器400、输入匹配电路200及输出匹配电路300。其中，输入匹配电路200连接至半导体放大器100的输入端，用于将系统欧姆阻抗匹配至半导体放大器100的输入阻抗。输出匹配电路300连接至半导体放大器100的输出端，用于将半导体放大器100的输出阻抗匹配至系统欧姆阻抗。而半导体放大器100用于产生振荡信号，并对其进行放大处理，输出对应的微波信号。耦合器400连接在半导体放大器100的输出端及输入端之间，用于将半导体放大器100输出的部分微波信号的功率耦合至半导体放大器100的输入端。其中，半导体放大器100的功率增益与耦合器400的耦合度之和大于或等于0。

通过上述设计，利用半导体放大器100自身高增益、易于震荡的特性，并结合耦合器400的功率耦合功能，在控制半导体放大器100的功率增益和耦合器400的耦合度之和大于或等于0时，使系统能够输出稳定的高功率的微波信号。如此，无需复杂的电路结构，降低了电路设计复杂度。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种微波生成系统，其特征在于，包括半导体放大器、耦合器、输入匹配电路以及输出匹配电路；

所述输入匹配电路连接至所述半导体放大器的输入端，所述输出匹配电路连接至所述半导体放大器的输出端；

所述半导体放大器用于产生振荡信号，并对所述振荡信号进行放大处理，输出对应的微波信号；

所述耦合器的输入端通过所述输出匹配电路连接至所述半导体放大器的输出端，所述耦合器的输出端通过所述输入匹配电路连接至所述半导体放大器的输入端，用于将所述半导体放大器输出的部分微波信号的功率耦合至所述半导体放大器的输入端；

其中，所述半导体放大器的功率增益与所述耦合器的耦合度之和大于或等于0。

2.根据权利要求1所述的微波生成系统，其特征在于，所述耦合器由主微带线及辅微带线构成，所述主微带线和所述辅微带线间隔平行设置，所述主微带线通过所述输出匹配电路连接至所述半导体放大器的输出端，所述辅微带线的一端通过所述输入匹配电路连接至所述半导体放大器的输入端、另一端连接下拉电阻后接地。

3.根据权利要求1所述的微波生成系统，其特征在于，所述微波生成系统还包括输入偏置电路以及输出偏置电路；

所述输入偏置电路的一端连接至栅极电源、另一端连接至所述半导体放大器的输入端；

所述输出偏置电路的一端与漏极电源连接、另一端连接至所述半导体放大器的输出端。

4.根据权利要求3所述的微波生成系统，其特征在于，所述输入偏置电路包括第一微带线及至少一个第一电容，所述第一电容的一端接地、另一端的一路连接至所述栅极电源、另一路通过所述第一微带线连接至所述半导体放大器的输入端；

所述输出偏置电路包括第二微带线及至少一个第二电容，所述第二电容的一端接地、另一端的一路连接至所述漏极电源、另一路通过所述第二微带线连接至所述半导体放大器的输出端。

5.根据权利要求3所述的微波生成系统，其特征在于，所述微波生成系统还包括输入保护电路，所述输入保护电路的一端与所述输入偏置电路连接、另一端连接至所述半导体放大器的输入端。

6.根据权利要求5所述的微波生成系统，其特征在于，所述输入保护电路包括限流电阻，所述限流电阻的一端通过所述输入偏置电路与所述栅极电源连接、另一端连接至所述半导体放大器的输入端。

7.根据权利要求1所述的微波生成系统，其特征在于，所述微波生成系统还包括滤波电路，所述滤波电路连接在所述耦合器与所述输入匹配电路之间。

8.根据权利要求1所述的微波生成系统，其特征在于，所述输入匹配电路包括第三电容以及第三微带线，所述第三电容的一端通过所述第三微带线连接至所述半导体放大器的输入端、另一端与所述耦合器的输出端连接；

所述输出匹配电路包括第四电容以及第四微带线，所述第四电容的一端通过所述第四微带线连接至所述半导体放大器的输出端、另一端与所述耦合器的输入端连接。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的微波生成系统，其特征在于，所述半导体放大器为氮化镓晶体管。

10.一种微波生成方法，其特征在于，应用于权利要求1-9任意一项所述的微波生成系统，所述方法包括：

利用输入匹配电路将系统阻抗匹配至半导体放大器的输入阻抗；

半导体放大器产生振荡信号，并对所述振荡信号进行放大处理，输出对应的微波信号，利用输出匹配电路将所述半导体放大器的输出阻抗匹配至系统阻抗；

耦合器将所述半导体放大器输出的部分微波信号的功率耦合至所述半导体放大器的输入端；

其中，所述半导体放大器的功率增益与所述耦合器的耦合度之和大于或等于0。

11.一种无线通信设备，其特征在于，包括权利要求1-9任意一项所述的微波生成系统。