CN114184851B - 一种多端口放大器的幅相不平衡检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种多端口放大器的幅相不平衡检测系统及方法，系统包括输入巴特勒矩阵、输出巴特勒矩阵、多路单级固态功率放大器、波导同轴转换器、表贴热敏电阻；输入巴特勒矩阵对输入信号通过相位调配完成功率分配，多路放大器完成对经过输入巴特勒矩阵的每一路输出信号进行功率放大，输出巴特勒矩阵对放大器输出信号通过相位调配完成功率合成，波导同轴转换器用于合成后功率输出，热敏电阻粘贴在波同结构件的卡槽中，完成对波导同轴转换器端口的实时温度的检测。本发明通过减少多路放大器级联，在输出端口增加波导同轴转换器和高精度热敏电阻对输出端口进行实时温度检测，通过温度对应功率变化，从而完成迅速监测多端口放大器的健康情况，判断多路放大器的幅度相位一致性。

Description

一种多端口放大器的幅相不平衡检测系统及方法

技术领域

本发明一种多端口放大器的幅相不平衡检测方法，属于通信领域。

背景技术

多波束天线可以很好的解决卫星通信中不断增长的移动业务，对于基于模拟波束形成网络的多波束天线来说，多端口功率放大器可以通过灵活搬运和配置功率容量而得到广泛应用，在L/S频段多端口放大器技术已趋近成熟，随着通信容量的需求增长，对Ka频段多端口放大器的关注持续上升，Ka频段由于其波长非常短(20GHz大约为15mm)对于多端口放大器稳定的隔离度提出了巨大的挑战。

多端口放大器对于多路放大器幅度和相位的要求异常苛刻，对Ka频段来说，较短的波长意味着更容易发生相位偏移，相位偏移会带来多端口之间的隔离度变差。传统的设计方法的问题也因此而较为明显：

1.传统采用的放大器一般为多级放大器级联，级联放大器越多，N路放大器之间的不一致性就越明显，对放大器自身幅度相位的要求也就越高；

2.对于多端口放大器来说，端口之间隔离度是保证波束之间不会相互干涉的主要原因。N路放大器的幅相不平衡是造成端口之间隔离度不满足要求的主要原因，幅度检测可以直接通过功率放大器的功率遥测得到，但是相位的检测手段因为复杂度太高而甚少见使用，相比较于幅度不平衡而言，相位不平衡更容易发生，因此对于多端口放大器来说，快速的幅相不平衡检测方法非常重要。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种多端口放大器的幅相不平衡检测系统及方法，该方法通过减少级联放大器，同时通过表贴在波同上的热敏电阻检测幅度相位不平衡。

本发明的技术方案是：一种多端口放大器的幅相不平衡检测系统，包括输入巴特勒矩阵、输出巴特勒矩阵、多路单级固态功率放大器、波导同轴转换器、表贴热敏电阻；输入巴特勒矩阵对输入信号通过相位调配完成功率分配，多路放大器完成对经过输入巴特勒矩阵的每一路输出信号进行功率放大，输出巴特勒矩阵对放大器输出信号通过相位调配完成功率合成，波导同轴转换器用于合成后功率输出，热敏电阻粘贴在波同结构件的卡槽中，完成对波导同轴转换器端口的实时温度的检测。

所述输入巴特勒矩阵通过3dB电桥和固定移相器构成，输入巴特勒矩阵采用波导结构。

所述多路单级固态功率放大器包括移相和衰减功能，每一路放大器只包含单级功率放大器。

所述输出巴特勒矩阵与输入巴特勒矩阵构造相同。

采用基于同轴探针的直插型波导同轴转换器，并将热敏电阻粘结在探针位置处对应的波导本体中。

所述波导同轴转换器采用铝镀银结构，波导局部加工凹槽，放置热敏电阻，采用502进行热敏电阻固定，待热敏电阻本体基本固定后，采用GD-414进行常温固定，保证热敏电阻工作点位置准确。

一种多端口放大器的幅相不平衡检测方法，步骤如下：

1)输入信号只从输入巴特勒矩阵输入端口中一个端口输入，经过由3dB电桥和固定移相器构成的输入巴特勒矩阵，完成输入信号的功分。

2)经输入巴特勒矩阵输出的等分信号进入每一路具有移相衰减功能的单级功率放大器中，完成信号放大，同时具备输出功率遥测功能。

3)每一路单级功率放大器的输出信号进入输出巴特勒矩阵，完成功率合成，从输出巴特勒矩阵的端口中输出。

4)合成输出的功率信号经过波导同轴转换器最终输出，每一路输出波导同轴转换器上的热敏电阻会检测到温度信息，完成实时电阻值反馈。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1)本发明在输入巴特勒矩阵后只采用了单级高功率固态功率放大器和幅度相位控制相位芯片，提高了幅度相位的一致性；

(2)本发明在输出端口采用了高功率波导同轴转换，该转换结构所承受的功率与温度可以直接对应；

(3)本发明将热敏电阻安置在波导同轴转换器的结构开槽中，实现了多端口放大器不平衡检测；

附图说明

图1为传统多端口功率放大器示意图；

图2为基于快速幅相不平衡检测方案的多端口功率放大器示意图；

图3为集中功率模式下不同端口输入的输出功率仿真示意图；

图4为波导同轴转换及热敏电阻位置示意图；

图5为热敏电阻对应泄露功率示意图；

图6为热敏电阻对应波同温度示意图。

具体实施方式

本发明所述的一种多端口放大器的幅相不平衡检测系统，包括输入巴特勒矩阵、输出巴特勒矩阵、多路放大器、波导同轴转换器、表贴热敏电阻，如图2所示，与传统的多端口放大器不同的部分主要在输出端口增加了波导同轴转换器和热敏电阻，传统的功率放大器结构如图1所示。

本发明诉述的多端口放大器幅相不平衡检测原理为：一个典型的多端口功率放大器的输出具备不同模式的工作状态，其中一种模式为集中功率发射模式，在该模式中从N个输入端口中只选取一个输入口k作为输入端口，在本发明中选取集中功率发射模式。根据本设计的仿真结果，输出端口会从N-k+1端口输出，利用MATLAB进行理想模型搭建，按照N＝8时的MATLAB模型，仿真结果可以验证该结论：从输入端口1进入，输出端口为8，输出为2，输出为7，依次类推。图3表示在不同的单端口输入情况下的输出端口功率情况。

单端口输入信号进入输入巴特勒矩阵后，输入巴特勒矩阵对输入信号通过相位调配完成功率分配，输入巴特勒矩阵通过3dB电桥和固定移相器构成，多路单级功率放大器完成对经过输入巴特勒矩阵的每一路输出信号进行功率放大，基于上述设计方案，首先对N路多端口放大器的输出隔离度Iso(ij)进行定义：

其中i、j分别表示N个端口中的某一路输出，Iso(ij)表示输出端口中的第i路与第j路之间的隔离度，Iso(ij)直接决定了最终输出波束的质量。其中α为N路放大器相位偏离的均方根值，σ为N路放大器幅度偏离的均方根值。

从上述公式中可以看出，放大器的级数越多，越容易幅度相位的不一致，α和σ的数值就会越大，隔离度就会变小，因此在系统设计方案的输入网络之后只加入单级放大器就是通过减少可能会带来α和σ的变化因素，从而带来隔离度的优化。

通过多路单级放大器的信号进入输出巴特勒矩阵进行功率合成，输入输出巴特勒矩阵是完全一致的结构。

对于多端口的幅度相位一致性要求可以在ADS中建模得到，对于隔离度为24dB时，想得到95％以上概率的幅度和相位要求，对于相位的要求为±10°，幅度要求±0.7dB。幅度要求对于多数的功率放大器一致性要求比较好进行筛选，单级放大器的输出功率遥测的变化情况可以对输出功率进行标定，但是对于相位的要求就需要非常小心，并随时进行监测。因此我们对集中功率发射模式判断是否发生由于老化等造成了PA的相位误差，及时对相位进行重新校准，完成多端口放大器的全周期健康监测。

由于固态功率放大器在Ka频段的效率大约只有百分之25左右，因此大部分功耗会以热的形式进行传导，在该情况下，N-k+1的输出端口波导迅速聚集了热量，该热量根据热敏电阻与功率的测试结果可以推导得到，同时其他端口如果因为幅相不平衡带来热量聚集现象，在不应出现功率的端口就会出现热敏电阻遥测变化，为了保证准确迅速的得到不同端口的热量汇聚情况，需要采用直插类型的波导同轴转换器结构，该结构实现简单，并且热累积效应在探针处明显且准确，将热敏电阻通过502胶先行固定在已经开好波导壁上的凹槽处，在热敏电阻稳定后通过GD414将整个热敏电阻本体包裹，实现固定热敏电阻的作用，同时GD414的温度特性稳定，不会因为温度急剧变化而导致本体出现松动的现象，可以精准的传达波导同轴转换器的温度，从而能够进行功率检测。图4为采用的波导同轴探针结构以及热敏电阻的准确位置，图5和图6分别表明发生了相位偏移之后的温度变化和对应的泄露功率情况。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种多端口放大器的幅相不平衡检测系统，其特征在于：包括输入巴特勒矩阵、输出巴特勒矩阵、多路单级固态功率放大器、波导同轴转换器、表贴热敏电阻；输入巴特勒矩阵对输入信号通过相位调配完成功率分配，多路放大器完成对经过输入巴特勒矩阵的每一路输出信号进行功率放大，输出巴特勒矩阵对放大器输出信号通过相位调配完成功率合成，波导同轴转换器用于合成后功率输出，所述波导同轴转换器采用基于同轴探针的直插型波导同轴转换器，并将热敏电阻粘结在探针位置处对应的波导本体中；所述波导同轴转换器采用铝镀银结构，波导局部加工凹槽，放置热敏电阻，采用502进行热敏电阻固定，待热敏电阻本体基本固定后，采用GD-414进行常温固定，保证热敏电阻工作点位置准确；热敏电阻完成对波导同轴转换器端口的实时温度的检测。

2.根据权利要求1所述的一种多端口放大器的幅相不平衡检测系统，其特征在于：所述输入巴特勒矩阵通过3dB电桥和固定移相器构成，输入巴特勒矩阵采用波导结构。

3.根据权利要求1所述的一种多端口放大器的幅相不平衡检测系统，其特征在于：所述多路单级固态功率放大器包括移相和衰减功能，每一路放大器只包含单级功率放大器。

4.根据权利要求1所述的一种多端口放大器的幅相不平衡检测系统，其特征在于：所述输出巴特勒矩阵与输入巴特勒矩阵构造相同。

5.一种多端口放大器的幅相不平衡检测方法，其特征在于步骤如下：

1)输入信号只从输入巴特勒矩阵输入端口中一个端口输入，经过由3dB电桥和固定移相器构成的输入巴特勒矩阵，完成输入信号的功分；

2)经输入巴特勒矩阵输出的等分信号进入每一路具有移相衰减功能的单级功率放大器中，完成信号放大，同时具备输出功率遥测功能；

3)每一路单级功率放大器的输出信号进入输出巴特勒矩阵，完成功率合成，从输出巴特勒矩阵的端口中输出；

4)合成输出的功率信号经过波导同轴转换器最终输出，每一路输出波导同轴转换器上的热敏电阻会检测到温度信息，完成实时电阻值反馈。