CN113098413A - 一种用于6-18GHz频段射频信号的功率放大器及其功率放大方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于6‑18GHz频段射频信号的功率放大器及其功率放大方法，包括信号输入同轴连接器、功率分配模块、功率合成模块、信号输出同轴连接器和若干末级放大芯片，该功率分配模块配置为功分微带，该功分微带的输入端与该信号输入同轴连接器连接，该功分微带的输出端与该末级放大芯片的输入端连接，该功率合成模块配置有微带‑单脊波导复合型功率合成结构，该微带‑单脊波导复合型功率合成结构的输入端与该末级放大芯片的输出端连接，该微带‑单脊波导复合型功率合成结构的输出端与该信号输出同轴连接器耦合。对于6‑18GHz射频信号的功率放大，本发明具有合成效率高、体积小和重量轻的特点。

Description

一种用于6-18GHz频段射频信号的功率放大器及其功率放大 方法

技术领域

本发明涉及功率放大器领域，具体而言，涉及一种用于6-18GHz频段射频信号的功率放大器及其功率放大方法。

背景技术

目前在6-18GHz这个频率范围内，固态功率放大器的合成方式按照传输线类型的不同，主要分类3类：微带型多路合成、同轴型多路合成和波导型多路合成。

现有8路放大器模块基本原理框图如图1所示，主要分为以下几个部分：驱动放大器(Driver)、8路功率分配器(Divider-8Way)、末级放大器(Amp)、8路功率合成器(Combiner-8Way)、正向耦合(FP)和反向耦合(RP)。传统的设计思路一般是采用微带传输线设计8路功率分配器和8路合成器，而将输入输出端口设计为同轴连接器端口以便于和测试仪器互联；其主要的不足之处有以下几个方面：

(1)6-18GHz属于超宽带工作频率，微带传输线设计功分器和合成器时必须考虑宽带的阻抗匹配，由此设计的功分合成器在传输方向上的尺寸会比较长，由此带来的插入损耗较大；

(2)由于功放模块集成的芯片MMIC数量较多，合成端输出的功率一般在50W-100W左右，而目前6-18GHz单片芯片MMIC的输出功率最大在10W-20W之间，常用的0.254mm厚度的RO5880板材承受不了这么大的输出功率，需选用0.508mm厚度的RO5880板材设计合成器。但基板材料越厚，信号插入损耗越大；

(3)同轴线类型设计的功分合成器可以有效降低链路损耗，但是8路同轴径向功分合成的体积较大，不利于模块化的集成设计；

(4)传统的矩形波导则是工作频率范围无法完整覆盖6-18GHz频率范围，且矩形波导功分合成的体积也较大，因此也不适用于该频率范围内的多路MMIC做功率合成。

发明内容

本发明的目的包括提供一种用于6-18GHz频段射频信号的功率放大器，其针对用于6-18GHz频段射频信号的功率放大器而设计，其具有合成效率高、体积小和重量轻的特点。

本发明的目的包括提供一种用于6-18GHz频段射频信号的功率放大器，其针对6-18GHz频段射频信号的功率放大方法而设计，其具有合成效率高、体积小和重量轻的特点。

本发明的实施例通过以下技术方案实现：

一种用于6-18GHz频段射频信号的功率放大器，包括信号输入同轴连接器、功率分配模块、功率合成模块、信号输出同轴连接器和若干末级放大芯片，该功率分配模块配置为功分微带，该功分微带的输入端与该信号输入同轴连接器连接，该功分微带的输出端与该末级放大芯片的输入端连接，该功率合成模块配置有微带-单脊波导复合型功率合成结构，该微带-单脊波导复合型功率合成结构的输入端与该末级放大芯片的输出端连接，该微带-单脊波导复合型功率合成结构的输出端与该信号输出同轴连接器耦合，该微带-单脊波导复合型功率合成结构用于合成若干该末级放大芯片的输出信号。

在本发明的一实施例中，所述微带-单脊波导复合型功率合成结构包括一级合成微带和二级合成单脊波导，该一级合成微带的输入端与该末级放大芯片的输出端连接，该一级合成微带的输出端与该二级合成单脊波导的输入端耦合，该二级合成单脊波导的输出端与该信号输出同轴连接器耦合。

在本发明的一实施例中，还包括耦合检波结构，该耦合检波结构配置有耦合微带，该耦合微带与所述一级合成微带耦合。

在本发明的一实施例中，还包括腔体和功率放大器电路板，该腔体外壁设有安装槽，该功率放大器电路板安装于该安装槽内，该安装槽槽底设有若干连通孔，所述末级放大芯片焊有导线，该导线穿过该连通孔与该功率放大器电路板焊接。

在本发明的一实施例中，所述腔体外壁还连接有盖板，该盖板封盖于所述安装槽。

在本发明的一实施例中，所述功分微带配置有斜线渐变T型结。

在本发明的一实施例中，还包括驱动放大器，该驱动放大器配置有第一耦合微带，该第一耦合微带与所述功分微带的输入端耦合。

一种6-18GHz频段射频信号的功率放大方法，包括以下步骤：

S1功率分配：输入信号经信号输入同轴连接器传输至功分微带，该输入信号被该功分微带功分为若干路支路信号；

S2功率放大：每一该支路信号经该功分微带的输出端传输至对应的一末级放大芯片，该末级放大芯片将该支路信号进行功率放大后，该末级放大芯片将放大后的支路信号传输至一级合成微带；

S3功率合成：若干放大后的该支路信号依次经该一级合成微带、二级合成单脊波导的功率合成后，该二级合成单脊波导输出经功率放大的输出信号，该输出信号经信号输出同轴连接器输出。

在本发明的一实施例中，在所述S1功率分配中，所述输入信号输入信号输入同轴连接器后，先经驱动放大器功率进行初次放大后，再经所述功分微带进行功率分配。

在本发明的一实施例中，还包括，

S4耦合检波：若干放大后的所述支路信号经所述一级合成微带进行第一次功率合成后，该一级合成微带的输出信号耦合至耦合检波结构。

本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

本发明实施例在功绿放大器内部腔体结构结合了微带型、同轴型和单脊波导型三种类型传输线，实现了在6-18GHz的工作频率范围内较高合成效率的功率合成，与现有的同类产品相比，本实施例具有合成效率高、体积小、重量轻、易于设备间互连的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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发明的某些实施例，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为现有技术中8路放大器模块的基本原理框图；

图2为本发明的基本原理框图；

图3为本发明的外观图；

图4为本发明中下腔体正面的俯视图；

图5为本发明中上腔体与盖板的结构示意图；

图6为本发明中功分微带的结构示意图；

图7为本发明中一级合成微带的结构示意图；

图8为本发明在HFSS软件中模拟仿真的回波损耗S11曲线；

图9为本发明在HFSS软件中模拟仿真的插入损耗S21曲线；

图10为本发明在HFSS软件中模拟仿真的耦合度&隔离度曲线；

图11为本发明在HFSS软件中模拟仿真的方向性曲线。

图标：1-信号输入同轴连接器，2-功分微带，21-斜线渐变T型结，3-末级放大芯片，41-一级合成微带，42-二级合成单脊波导，5-信号输出同轴连接器，61-正向耦合结构(FP)，62-反向耦合结构(RP)，63-耦合微带，7-驱动放大器，8-腔体，81-下腔体，82-上腔体，83-安装槽，84-连通孔，85-盖板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明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发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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，都属于本发明保护的范围。

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。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“配置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参照图1，图1为现有8路放大器模块实现的基本原理框图，主要分为以下几个部分：

(1)驱动放大器(Driver)：末级放大器芯片有输入功率门限，所以需要驱动放大器；

(2)8路功率分配器(Divider-8Way)：将输入的射频信号均分给每一路末级放大器；

(3)末级放大器(Amp)：实现射频信号放大功能；

(4)8路功率合成器(Combiner-8Way)：将每一路末级放大器放大后的信号进行功率合成；

(5)正向耦合(FP)：一般用于监测输入功率，显示当前输出功率大小；

(6)反向耦合(RP)：一般用于监测反射功率，监测反射功率是为了对功放模块提供保护功能，避免反射功率过大烧毁末级功放芯片，所以反向耦合一般设计的位置都靠近输出端。

请参照图2至图7，一种用于6-18GHz频段射频信号的功率放大器，包括信号输入同轴连接器1、功率分配模块、功率合成模块、信号输出同轴连接器5和若干末级放大芯片3，该功率分配模块配置为功分微带2，该功分微带2的输入端与该信号输入同轴连接器1连接，该功分微带2的输出端与该末级放大芯片3的输入端连接，该功率合成模块配置有微带-单脊波导复合型功率合成结构，该微带-单脊波导复合型功率合成结构的输入端与该末级放大芯片3的输出端连接，该微带-单脊波导复合型功率合成结构的输出端与该信号输出同轴连接器5耦合，该微带-单脊波导复合型功率合成结构用于合成若干该末级放大芯片3的输出信号。

对于6-18GHz频段的射频信号，为了实现该频段功率放大器具有较高的合成效率、重量轻、体积小的目的，本技术方案采用同轴型传输线+微带型传输线+单脊波导型传输线的功率放大器。需要说明的是，本实施例以8路功分合成的用于6-18GHz频段射频信号的功率放大器为例进行说明，但本技术方案不局限于8路功分合成结构，实际功分合成的路数的确定，本领域技术人员需综合考虑功率放大器输出功率、单片MICC芯片的最大输出功率、元器件散热等因素后，根据实际情况设定。

本实施例中，功率放大器的信号输入端口与信号输出端口均采用同轴连接器，也就是信号输入同轴连接器1与信号输出同轴连接器5，利用同轴连接器也使得本实施例易于实现设备间互连。本实施例输入端的功率分配模块采用微带型传输线，也就是在功分端采用功分微带2，具体的是8路功分微带2，将信号输入同轴连接器1传入的一路输入信号功分输出为八路支路信号，本技术方案利用微带线与MICC芯片级联的特性，降低了输入端的结构复杂度，而且功分微带2配置有斜线渐变T型结21，为了适应6-18GHz的工作带宽，微带线T型结处通过斜线渐变金属线宽的方式实现宽带内的阻抗匹配。本实施例中的末级放大芯片3采用现有技术，该末级放大芯片3包括8块MICC芯片，功分微带2的每一支路输出端均级联有一块MICC芯片，利用该MICC芯片对支路信号进行放大。本实施例中的微带-单脊波导复合型功率合成结构包括一级合成微带41和二级合成单脊波导42，一级合成微带41采用2路合成结构，也就是将两路支路信号合成为一路信号，该功率合成模块中共有4个一级合成微带41，该二级合成单脊波导42为4路合成结构，也就是将4个一级合成微带41输出的四路信号合成为一路输出信号。在合成端采用微带线与单脊波导结合的合成结构，是为了减小合成端的功率损失，避免在大功率输出条件下微带线过热烧毁，所以在2路微带合成之后又采用4路单脊波导合成结构，保障了功率放大器在大功率输出的工作环境下的可靠性与稳定性。需要说明的是，在一级合成微带41传输线与单脊波导传输线过渡的位置，即微带探针的图形上采用多级阶梯过渡的阻抗变换方式，实现低阻抗到高阻抗的过渡匹配。

与现有技术相比，本技术方案在功绿放大器内部腔体8结构结合了微带型、同轴型和单脊波导型三种类型传输线，实现了在6-18GHz的工作频率范围内较高合成效率的功率合成，与现有的同类产品相比，具有合成效率高、体积小、重量轻、易于设备间互连的特点。

在某些实施例中，还包括耦合检波结构，该耦合检波结构配置有耦合微带63，该耦合微带63与所述一级合成微带41耦合，具体的，该耦合微带63与一级合成微带41的输出端耦合。该耦合检波结构为现有技术，该耦合检波结构包括正向耦合结构(FP)61和反向耦合结构(RP)62，正向耦合结构(FP)61和反向耦合结构(RP)62内均设有检波芯片，该正向耦合结构(FP)61和反向耦合结构(RP)62分别与一个一级合成微带41耦合。对于耦合检波的作用，正向耦合结构(FP)61一般用于监测输入功率，显示当前输出功率大小；反向耦合结构(RP)62一般用于监测反射功率，监测反射功率是为了对功放模块提供保护功能，避免反射功率过大烧毁末级放大芯片3内的MICC芯片。而且，本技术方案的合成端采用一级合成微带41还有便于在合成端加入耦合检波结构的作用。现有技术如图1所示，基于微带线的正向耦合和反向耦合结构一定程度上使得输出端微带线长度进一步加长，从而加大了功放模块在输出端的传输线损耗，降低了模块的合成效率。与现有技术相比，本技术方案一方面将耦合检波结构的位置前移，另一方面将在功率合成端采用单脊波导合成器，利用单脊波导损耗低的特性，从而减小了合成端的功率损失，提高了功功率放大器的合成效率。

需要说明的是，现有技术方案一般是在功率完全合成之后接耦合检波的结构，此时传输线上的功率较大，为了保障检波芯片正常工作，则需要设计具有较大耦合度的耦合结构，耦合度过大，就没有办法实现较高的隔离度，隔离度的指标又与检波精度相关，综合来看，这会在一定程度上增大仿真设计的难度。本技术方案将耦合微带63线的位置设于一级合成微带41线的输出端，也就是位于末级放大芯片3的两侧，相应的对应位置的功率较小，也就是一级合成微带41线的输出端的功率相对于单脊波导输出的功率较小，通过耦合微带63到达检波芯片处的功率较传统的实现方案来说，有较大范围的减少，从而更便于相应的仿真设计和器件选型。

在某些实施例中，还包括腔体8和功率放大器电路板，该腔体8外壁设有安装槽83，该功率放大器电路板安装于该安装槽83内，该安装槽83槽底设有若干连通孔84，所述末级放大芯片3焊有导线，该导线穿过该连通孔84与该功率放大器电路板焊接。所述腔体8外壁还连接有盖板85，该盖板85封盖于所述安装槽83。本实施例中，腔体8包括上腔体82和下腔体81，功率分配模块、功率合成模块和若干末级放大芯片3均设置在下腔体81内壁。设腔体8内壁为正面，腔体8外部为背面，现有技术中一般是在功率放大器腔体8的背部开槽，以安装功率放大器电路板，但这种方式已经不再适用于现如今大功率合成的技术发展，因为如果在功放模块背部开槽安装功率放大器电路板的话，一是会影响功率放大器的散热效果，二是在功率放大器安装于散热器后，功率放大器背部开槽的方式不利于功率放大器电路板的调试和拆装。为了便于功率放大器电路板的调试和拆装，也为了避免影响功率放大器的散热效果，本技术方案在将上腔体82设为空腔结构，即在上腔体82背面设置安装槽83和用于封盖于该安装槽83的盖板85，并在安装槽83槽底设置若干连通孔84，该连通孔84贯穿该上腔体82，功率放大器电路板安装于该安装槽83内，再通过焊线的方式将末级放大芯片3与功率放大器电路板连接，而且该导线从腔体8内穿过连通孔84与功率放大器电路板连接，本技术方案将功率放大器电路板安装至上腔体82内的空腔内，以达到便于调试和拆装功率放大器电路板的目的。

在某些实施例中，还包括驱动放大器7，该驱动放大器7配置有第一耦合微带63，该第一耦合微带63与所述功分微带2的输入端耦合，该驱动放大器7为现有技术，该驱动放大器7内也具有MICC芯片。由于末级放大芯片3中的MICC芯片有输入功率门限，当输入信号经过8路功分后，单支支路信号的功率无法达到MICC芯片的输入功率门限，则需利用驱动放大器7对输入信号进行初次放大，再讲初次放大的输入信号进行功分。

本功率放大器是合成链路与耦合检波结构在HFSS软件中进行模拟仿真时，仿真结果如下：

(1)请参照图8，在6-18GHz频率范围内，S11回波损耗最大值为-13.2729dB，对应频点10.1GHz；最小值为-51.9012dB，对应频点为15.3GHz；

(2)请参照图9，在6-18GHz频率范围内，8路合成端口插入损耗均低于0.4453dB(8路合成理想状态下，每个支路的S21基准值为10lgN，N为合成路数，则8路合成每个支路的理想值为-9.03dB，图7中最小值为-9.4753dB，减去基准值，则得出该支路的插入损耗为-0.4453dB)，换算出该结构的合成效率约90.25％；

(3)请参照图10至图11，正向耦合与反向耦合的方向性均大于15，且在6-18GHz频率范围内，耦合度波动仅为±3.5dB。

请参照图2至图7，一种6-18GHz频段射频信号的功率放大方法，包括以下步骤：

S1功率分配：输入信号经信号输入同轴连接器1传输至功分微带2，该输入信号被该功分微带2功分为若干路支路信号；当支路信号的功率小于末级放大芯片的输入功率门限时，该功分微带2的输入端设有驱动放大器7，所述输入信号输入信号输入同轴连接器1后，先经驱动放大器7功率进行初次放大后，再经所述功分微带2进行功率分配。

S2功率放大：每一该支路信号经该功分微带2的输出端传输至对应的一末级放大芯片3，该末级放大芯片3将该支路信号进行功率放大后，该末级放大芯片3将放大后的支路信号传输至一级合成微带41；

S3功率合成：若干放大后的该支路信号依次经该一级合成微带41、二级合成单脊波导42的功率合成后，该二级合成单脊波导42输出经功率放大的输出信号，该输出信号经信号输出同轴连接器5输出。

S4耦合检波：若干放大后的所述支路信号经所述一级合成微带41进行第一次功率合成后，该一级合成微带41的输出信号耦合至耦合检波结构。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种用于6-18GHz频段射频信号的功率放大器，包括信号输入同轴连接器、功率分配模块、功率合成模块、信号输出同轴连接器和若干末级放大芯片，其特征在于，

该功率分配模块配置为功分微带，该功分微带的输入端与该信号输入同轴连接器连接，该功分微带的输出端与该末级放大芯片的输入端连接，

该功率合成模块配置有微带-单脊波导复合型功率合成结构，

该微带-单脊波导复合型功率合成结构的输入端与该末级放大芯片的输出端连接，该微带-单脊波导复合型功率合成结构的输出端与该信号输出同轴连接器耦合，

该微带-单脊波导复合型功率合成结构用于合成若干该末级放大芯片的输出信号。

2.根据权利要求1所述的用于6-18GHz频段射频信号的功率放大器，其特征在于，

所述微带-单脊波导复合型功率合成结构包括一级合成微带和二级合成单脊波导，

该一级合成微带的输入端与该末级放大芯片的输出端连接，该一级合成微带的输出端与该二级合成单脊波导的输入端耦合，

该二级合成单脊波导的输出端与该信号输出同轴连接器耦合。

3.根据权利要求1所述的用于6-18GHz频段射频信号的功率放大器，其特征在于，

还包括耦合检波结构，

该耦合检波结构配置有耦合微带，该耦合微带与所述一级合成微带耦合。

4.根据权利要求1所述的用于6-18GHz频段射频信号的功率放大器，其特征在于，

还包括腔体和功率放大器电路板，

该腔体外壁设有安装槽，该功率放大器电路板安装于该安装槽内，

该安装槽槽底设有若干连通孔，所述末级放大芯片焊有导线，该导线穿过该连通孔与该功率放大器电路板焊接。

5.根据权利要求4所述的用于6-18GHz频段射频信号的功率放大器，其特征在于，

所述腔体外壁还连接有盖板，该盖板封盖于所述安装槽。

6.根据权利要求1所述的用于6-18GHz频段射频信号的功率放大器，其特征在于，

所述功分微带配置有斜线渐变T型结。

7.根据权利要求1-6任一所述的用于6-18GHz频段射频信号的功率放大器，其特征在于，

还包括驱动放大器，

该驱动放大器配置有第一耦合微带，该第一耦合微带与所述功分微带的输入端耦合。

8.一种6-18GHz频段射频信号的功率放大方法，其特征在于以下步骤：

S1功率分配：输入信号经信号输入同轴连接器传输至功分微带，该输入信号被该功分微带功分为若干路支路信号；

S2功率放大：每一该支路信号经该功分微带的输出端传输至对应的一末级放大芯片，该末级放大芯片将该支路信号进行功率放大后，该末级放大芯片将放大后的支路信号传输至一级合成微带；

S3功率合成：若干放大后的该支路信号依次经该一级合成微带、二级合成单脊波导的功率合成后，该二级合成单脊波导输出经功率放大的输出信号，该输出信号经信号输出同轴连接器输出。

9.根据权利要求8所述的6-18GHz频段射频信号的功率放大方法，其特征在于还包括，

在所述S1功率分配中，所述输入信号输入信号输入同轴连接器后，先经驱动放大器功率进行初次放大后，再经所述功分微带进行功率分配。

10.根据权利要求8所述的6-18GHz频段射频信号的功率放大方法，其特征在于还包括，

S4耦合检波：若干放大后的所述支路信号经所述一级合成微带进行第一次功率合成后，该一级合成微带的输出信号耦合至耦合检波结构。

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