CN112019183A - 一种新型超宽带功率合成电路阻抗匹配电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型超宽带功率合成电路阻抗匹配电路及方法，属于大功率测量领域。本发明中的匹配电路可满足现代通信系统超宽带、大功率与小型化的需求；本发明提出的新型阻抗匹配的方法主要是由高次三角函数和Klopfenstein函数相结合，形成的一种双渐变的阻抗变换网络；利用该方法提高了功率的合成效率，实现了超宽带工作频率的覆盖，减小了功率合成的电路的尺寸、提高了空间利用率，该方法对高效率的功率分配/合成技术提供了一种新的匹配方式，进一步提高了阻抗匹配的效率，为实现功率合成电路的超宽带、小型化提供了一种全新的方案。

Description

一种新型超宽带功率合成电路阻抗匹配电路及方法

技术领域

本发明属于大功率测量领域，具体涉及一种新型超宽带功率合成电路阻抗匹配电路及方法。

背景技术

微波毫米波功率放大器是通信系统中不可或缺的重要组成部分，随着现代通信技术的快速发展，对功率放大器的工作带宽、输出功率、工作效率以及结构的小型化、工作的稳定性都提出了更高的要求。基于功放芯片的自身半导体物理特性的影响，以及现当代加工工艺、匹配方式、基板材料等多方面的影响，单片的功放芯片其输出功率远远达不到工程应用的需求。为满足大功率测试系统、微波毫米波通信系统以及电磁兼容测试系统等大功率的输出要求，目前普遍采用功率合成技术。信号由功率分配器等幅同相的分配给多个支路，各支路分别进行放大后再由功率合成器进行功率的合成，以达到大功率输出的目的。

传统的功率分配/合成技术主要分为两大类：平面功率分配/合成技术和空间功率分配/合成技术。前者主要是利用微带传输技术进行不同阻抗之间的匹配，后者是利用波导传输或者同轴传输线进行阻抗变换，进而完成匹配工作。

在功率的分配/合成中阻抗匹配的效率对其影响较大，良好的阻抗匹配能够实现超宽带的工作频段，较低反射功率以及较高的输出功率等。传统的匹配方法有LC匹配网络、短截线匹配、λ/4变换器、多节匹配变换器以及渐变传输线等方法。为实现功率合成电路的宽频带覆盖，阻抗匹配方法的方法从λ/4变换器演变到多节匹配变换器，继续增加匹配节数演化到渐变传输线的匹配方法。这些方法在增加工作频宽的同时也带来了器件的物理尺寸不断变大，对功率放大器甚至对整个测试系统的小型化起到了阻碍的作用。但是较短的匹配节又会影响频带宽度。因此在小型化与超宽带之间就存在一个相互矛盾的问题。

如图1所示，一种利用双节匹配变换器设计的平面微带Wilkinson功率分配/合成器示意图，该合成器为一个两路等幅同相的Wilkinson功率合成器。该结构为平面三端口网络，为实现宽带的功率合成，利用了两节变换器相连的阻抗匹配方法。该合成器主要由以下几部分组成：两个标准50Ω输入端口1-1和1-2；阻抗匹配网络1-3；标准50Ω输出端口1-6。其中1-3是由第一匹配节1-4和第二匹配节1-5，两个匹配节组成。该匹配方式相比于λ/4匹配变换器提高了工作带宽，如图2所示。但是该方法设计的合成电路延长了匹配长度，使得整个电路加长。同时多个匹配节之间利用台阶式连接，信号在该处传播时会造成一定的传输不连续性，从而增大了端口驻波比。

功率分配/合成器阻抗匹配的方式主要是利用λ/4变换器、多节匹配变换器以及渐变传输线等方法进行输入输出端口的阻抗匹配，为了增加频带宽度，采用增加功分支路匹配节数的方法，利用该方法设计的合成电路随着匹配节数的增多，工作频段也就得到一定的拓宽。但是功分支路节数的增加就会造成射频通路的加长，从而带来较大的插入损耗，较高的插入损耗将直接导致功率合成效率降低。同时多个匹配节之间利用台阶式连接，信号在该处传播时会造成一定的传输不连续性，从而降低了匹配效率。功分支路节数的增多还会造成功率分配/合成器的物理尺寸变大，在空间限制的情况下，无法进行多支节的匹配就很难获得较好的匹配网络，进而导致反射功率的增加。较大的反射功率还会引起电路的热损耗增加，降低了功率合成电路的功率容量。因此，以传统的匹配方法形成的功率合成电路时，存有频带窄、热损耗高、功率容量小、空间利用率低以及端口驻波不好等问题，不能满足系统大功率、高效率、小型化的要求。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种新型超宽带功率合成电路阻抗匹配电路及方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种新型超宽带功率合成电路阻抗匹配电路，包括两个标准的50Ω输入端口、复合双渐变曲线阻抗匹配结构和标准的50Ω输出端口；其中，复合双渐变曲线阻抗匹配结构包括两个部分：复合双渐变曲线的内边和复合双渐变曲线的外边；

经过各支路功放芯片放大的信号分别由两个标准的50Ω输入端口进入复合双渐变曲线阻抗匹配结构，信号经复合双渐变曲线阻抗匹配结构进行匹配，而后由标准的50Ω输出端口输出。

复合双渐变曲线阻抗匹配结构是由高次三角函数和Klopfenstein函数组合而成；

Klopfenstein函数的表达式为：

式中,函数

为：

其中，I₁(x)为修正贝塞尔函数；

高次三角函数的表达式为：

f(x)＝Asin^m(nx) (2)；

式中n为影响函数的周期，m为控制曲线形式，A为影响函数幅度。

此外，本发明还提到一种新型超宽带功率合成阻抗匹配方法，该方法采用如上所述的新型超宽带功率合成阻抗匹配电路，具体包括如下步骤：

步骤1：通过高次三角函数确定复合双渐变曲线的内边的位置，复合双渐变曲线的内边符合高次三角函数曲线；

步骤2：以高次三角函数的内边作为基线，通过Klopfenstein函数确定复合双渐变曲线的外边的位置，复合双渐变曲线的外边符合Klopfenstein函数的阻抗变换；

步骤3：阻抗匹配完成。

本发明所带来的有益技术效果：

本发明方法突破了传统平面功率合成技术方案的合成效率低、端口驻波差、电路尺寸大与频率覆盖窄等限制，利用该匹配方法得出的匹配电路可满足现代通信系统超宽带、大功率与小型化的需求；本发明提出的新型阻抗匹配的方法主要是由高次三角函数和Klopfenstein函数相结合，形成的一种双渐变的阻抗变换网络；利用该方法提高了功率的合成效率，实现了超宽带工作频率的覆盖，减小了功率合成的电路的尺寸、提高了空间利用率，该方法对高效率的功率分配/合成技术提供了一种新的匹配方式，进一步提高了阻抗匹配的效率，为实现功率合成电路的超宽带、小型化提供了一种全新的方案；具体如下：

(1)工作频带宽：本发明利用高次三角函数与Klopfenstein函数相结合的形式，共同组成的双渐变结构能够实现超宽频带的覆盖。

(2)功率容量大：整个阻抗匹配阶段利用线性渐变的形式改变了阻抗匹配台阶式的连接方式，避免了射频电路中信号传输的不连续性，降低了反射功率，增大了合成电路的功率。

(3)端口驻波好、热损耗小：利用本发明设计的功率合成电路降低了反射功率，从而会降低端口的驻波比，反射功率的降低还会减少电路中的热损耗，减小热损耗对电路的影响。

(4)结构紧凑，空间利用率高：提出的复合双渐变曲线结构，能够在有限的空间内利用复合函数的曲线性、易操作性，缩短了电路的外形尺寸，实现了在小空间内达到超宽频带的匹配方式，使得电路结构更加紧凑，提高了空间利用率。

(5)双渐变的阻抗匹配：整个阻抗匹配阶段利用双渐变的形式改变了阻抗匹配台阶式的连接方式，避免了射频电路中信号传输的不连续性，改善了电路的端口驻波比。

(6)适用性广：本发明不仅针对微带的功率分配/合成器中，在芯片级的匹配、空间功率合成器的匹配中亦能突出其优点，具有一定的普适性。

附图说明

图1为一种传统的平面微带威尔金森功率合成器示意图；

图2为匹配网络的工作带宽对比示意图；

图3为新型超宽带功率合成阻抗匹配电路的示意图；

其中，2-1-标准的50Ω输入端口；2-2-标准的50Ω输入端口；2-3-复合双渐变曲线阻抗匹配结构；2-4-复合双渐变曲线的内边；2-5-复合双渐变曲线的外边；2-6-标准的50Ω输出端口；

图4为复合双渐变曲线阻抗匹配结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

本发明提出的一种新型超宽带功率合成电路阻抗匹配电路及方法——复合双渐变结构的匹配方法，改变了传统的微带线的多阶梯进行匹配的模式，超宽带功率合成电路阻抗匹配电路结构如图3所示，包括两个标准的50Ω输入端口2-1和2-2；复合双渐变曲线阻抗匹配结构2-3；标准的50Ω输出端口2-6。其中复合双渐变曲线阻抗匹配结构2-3包含两个部分：复合双渐变曲线的内边2-4和复合双渐变曲线的外边2-5。

经过各支路功放芯片放大的信号分别由两个标准的50Ω输入端口2-1和2-2进入复合双渐变曲线阻抗匹配结构2-3，信号经复合双渐变曲线阻抗匹配结构2-3进行匹配，而后由输出端口输出功率。

本发明主要提出的阻抗匹配方法体现在复合双渐变曲线阻抗匹配结构2-3，该结构是由高次三角函数和Klopfenstein函数组合而成。

Klopfenstein函数的表达式为：

式中,函数

为：

其中，I₁(x)是修正贝塞尔函数。

利用Klopfenstein函数来确定不同位置的阻抗值，用来确定双渐变曲线的一条外边。

高次三角函数的表达式为：

f(x)＝Asin^m(nx) (2)

式中n影响函数的周期，m控制曲线形式，A影响函数幅度。

本发明利用高次三角函数进行微带线的排布，在进行超宽带功率合成电路的阻抗匹配时，可以根据实际已确定的基板尺寸，通过调节A、m和n的值改变复合双渐变曲线结构的排布，使其合成电路合理的排布在基板上。高次的三角函数形成的曲线在横坐标长度一定的情况下具有较长的边长，在一定的条件下可以改变各常数的值，延长阻抗匹配节的长度使其合成电路实现超宽带的频率覆盖。

本发明提出的复合双渐变曲线阻抗匹配结构如图4所示，是利用高次三角函数与Klopfenstein函数相结合组成的。由高次三角函数确定了复合双渐变曲线的内边2-4的位置，由Klopfenstein函数确定复合双渐变曲线的外边2-5的位置，两者结合形成的一种新的超宽带的阻抗匹配方法。复合双渐变曲线的内边2-4符合高次三角函数曲线，复合双渐变曲线的外边2-5符合Klopfenstein函数的阻抗变换。

利用本发明提出方法设计的功率合成器，不仅提高了合成电路的工作带宽，还能利用高次三角函数曲线的多变性使电路结构紧凑化、小型化，提高了电路的空间利用率，对功率放大器起到小型化起到一定的推动作用。

本发明提出的复合双渐变的匹配方法，利用组合函数形式对阻抗变换节进行线性的阻抗变换，避免了传统的阶梯式阻抗变换带来的信号传输不连续性，改善了端口驻波比，降低了通路上反射功率带来的热损耗。

本发明的保护点：

(1)复合双渐变结构：利用高次三角函数与Klopfenstein函数相结合的组合函数形式，共同组成的双渐变结构，实现了超宽频带的覆盖。复合双渐变结构是由高次三角函数确定了阻抗渐变线内边的位置，由Klopfenstein函数确定阻抗渐变线外边的位置，两者结合形成的一种新的超宽带的阻抗匹配方法。

(2)符合高次三角函数的内边：利用高次三角函数进行定义符合双渐变线的内边，能够在横坐标一定的情况下获得较长的边长。

(3)符合Klopfenstein函数的外边：以高次三角函数的内边作为基线，利用Klopfenstein函数定义渐变线的外边，实现整个阻抗变换网络，降低了通带内的反射功率，提高了功率合成效率。

(4)线性渐变的阻抗匹配：整个阻抗匹配阶段利用线性渐变的形式改变了阻抗匹配台阶式的连接方式，避免了射频电路中信号传输的不连续性，改善了电路的端口驻波比。

(5)适用性广：本方法不仅针对微带的功率分配/合成器中，在芯片级的匹配中，由于芯片尺寸的限制，复合双渐变结构的阻抗匹配方法更能满足在小空间内实现较长的匹配节长度，达到超快频段的覆盖，同时在高频段、大功率的空间功率合成中同样适用。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种新型超宽带功率合成电路阻抗匹配电路，其特征在于：包括两个标准的50Ω输入端口、复合双渐变曲线阻抗匹配结构和标准的50Ω输出端口；其中，复合双渐变曲线阻抗匹配结构包括两个部分：复合双渐变曲线的内边和复合双渐变曲线的外边；

经过各支路功放芯片放大的信号分别由两个标准的50Ω输入端口进入复合双渐变曲线阻抗匹配结构，信号经复合双渐变曲线阻抗匹配结构进行匹配，而后由标准的50Ω输出端口输出。

2.根据权利要求1所述的新型超宽带功率合成电路阻抗匹配电路，其特征在于：复合双渐变曲线阻抗匹配结构是由高次三角函数和Klopfenstein函数组合而成；

Klopfenstein函数的表达式为：

式中,函数

为：

其中，I₁(x)为修正贝塞尔函数；

高次三角函数的表达式为：

f(x)＝Asin^m(nx) (2)；

式中n为影响函数的周期，m为控制曲线形式，A为影响函数幅度。

3.一种新型超宽带功率合成电路阻抗匹配方法，其特征在于：采用如权利要求2所述的新型超宽带功率合成电路阻抗匹配电路，具体包括如下步骤：

步骤1：通过高次三角函数确定复合双渐变曲线的内边的位置，复合双渐变曲线的内边符合高次三角函数曲线；

步骤2：以高次三角函数的内边作为基线，通过Klopfenstein函数确定复合双渐变曲线的外边的位置，复合双渐变曲线的外边符合Klopfenstein函数的阻抗变换；

步骤3：阻抗匹配完成。

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