CN114843732A - 一种高功率固态功率源合成电路 - Google Patents

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李晓
朱俊裕
张春林
刘盛画
陆志军
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    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port

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Abstract

本发明涉及电源技术领域，尤指一种高功率固态功率源合成电路；所述的合成电路包括8路合成器电路，通过改变合成方式和传输相移来抑制各端口间反射功率同相叠加，降低模块的极限反射功率；本发明保留了现有合成电路的简洁性，同时在合成路数确定的情况下，可通过改变合成器各级合成路数和各级间传输长度来抑制各端口间反射功率同相叠加，降低模块的极限反射功率，大大提升系统稳定性；同时现有技术通常是在合成器输出端口加大功率环形器和吸收负载，大大增加成本的同时系统复杂度也大幅增加，导致系统故障率相应的提升，采用本发明的方案，极限反射功率大幅降低，合成器输出端不必再接大功率的环形器和吸收负载，大大降低成本和系统故障率。

Description

一种高功率固态功率源合成电路
技术领域
本发明涉及电源技术领域，尤指一种高功率固态功率源合成电路。
背景技术
目前高功率固态功率源功率合成常用是基于1/4波长阻抗变换的多级同向合成网络，虽然材料、工艺和设计水平不断发展，单个固态功率放大器输出功率越来越大，但输出功率依然有限，如图1所示，由于结构限制，端口之间无隔离电阻导致隔离度较差，随着固态功率源输出功率等级的不断提升，现有技术暴露出许多不足。此模式下固态功率源功放模块的抗失配能力较差，当输入端口是一致性较差时，特别是出现某路故障时，功放模块易因反射功率过大损毁，目前普遍采用功放模块加环形器及吸收负载的方式，并通过功率合成后的输出端加大功率环形器及大功率吸收负载的方法解决抗适配能力差的问题。但因尺寸和成本等限制，固态功率源功放模块环形器与负载承受不了极限情况下的反射功率。另外，在固态功率源合成后的输出端使用大功率环形器进行隔离，会造成成本大幅增加、同时系统复杂度和联锁保护系统的监测点也大幅增加，导致系统故障率相应的提升。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种针对固态功率源功放模块环形器与负载承受不了极限情况下的反射功率的合成电路优化方案，尤指一种高功率固态功率源合成电路。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案是：一种高功率固态功率源合成电路，所述的合成电路通过改变合成方式和传输相移来抑制各端口间反射功率同相叠加，降低模块的极限反射功率。
所述合成电路的高功率的固态功率源是由多个基本功放单元经过功率合成网络功率矢量相加而成。
所述的合成电路包括至少23n路合成器电路，其中n为自然数，且n≥1。
所述的合成电路包括8路合成器电路，合成电路的合成方式有8*1、4*2、2*4、2*2*2等多种合成方式。
在8路合成器电路中通过选择2*2*2的方案进行计算分析，可以得出其S参数如下：
Figure BDA0003491587260000021
Figure BDA0003491587260000022
其中θ1和θ2分别为合成器一二级和二三级之间的传输相移。
通过S参数可以计算合成器端口1的反射电压为：
Figure BDA0003491587260000023
当合成器各输入模块正常时，且合成器输出端匹配时：
Figure BDA0003491587260000024
此时，端口间不存在反射功率。
当端口1模块失效时，其端口1的反射电压为：
Figure BDA0003491587260000025
其中τ和
Figure BDA0003491587260000026
是合成器输出端的反射系数和相位，可以看出，当取特定的值时：
Figure BDA0003491587260000031
τ＝1，则
Figure BDA0003491587260000032
从而反射功率接近额定输出功率的四倍，端口1会因功率过大而损毁。
所述的合成电路通过改变合成器级间相移来降低极限反射功率，根据理论计算结果，提出了合成器的优化方案，具体如下：
(1)8路合成器采用2*2*2三级合成网络；
(2)优化合成器级间电长度，一二级合成级间相移为θ1＝135°，二三级合成级间相移θ2＝90°。
根据相移，二三级合成级间的值可以取
Figure BDA0003491587260000033
c＝nλ，其中λ为波长，n≥0。
本发明所采用的技术方案后的有益效果是：本发明结构和实现形式和现有技术一样，保留了现有合成电路的简洁性，同时在合成路数确定的情况下，可通过改变合成器各级合成路数和各级间传输长度来抑制各端口间反射功率同相叠加，降低模块的极限反射功率，大大提升系统稳定性；同时现有技术通常是在合成器输出端口加大功率环形器和吸收负载，大大增加成本的同时系统复杂度也大幅增加，导致系统故障率相应的提升，采用本发明的方案，极限反射功率大幅降低，合成器输出端不必再接大功率的环形器和吸收负载，大大降低成本和系统故障率。
附图说明
图1是现有技术中基于1/4波长阻抗变换的多级同向合成网络示意图。
图2是本发明中基于1/4波长阻抗变换的多级同向合成网络的合成器的优化方案示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图，详细说明本发明的具体实施方式：
如图1所示，通过分析现有技术中基于1/4波长阻抗变换的多级同向合成网络合成网络的S参数可以得知，各端口反射功率和幅度相位一致性、合成网络方式以及传输相移的关系，本发明旨在通过改变合成方式和传输相移来抑制各端口间反射功率同相叠加，降低模块的极限反射功率。
一种高功率固态功率源合成电路，所述的合成电路通过改变合成方式和传输相移来抑制各端口间反射功率同相叠加，降低模块的极限反射功率；所述合成电路的高功率的固态功率源是由多个基本功放单元经过功率合成网络功率矢量相加而成，所述的合成电路包括至少23n路合成器电路，其中n为自然数，且n≥1。
实施例：通过选择2*2*2方案进行优化分析
一种高功率固态功率源合成电路，如图2所示，所述的合成电路包括8路合成器电路，合成电路的合成方式有8*1、4*2、2*4、2*2*2等多种合成方式。其中8*1指的是八合一一级合成电路；4*2指的是初级四合一，次级二合一，二级合成电路；2*4指的是初级二合一，次级四合一，二级合成电路；2*2*2指的是三级二合一合成电路。
在8路合成器电路中通过选择2*2*2的方案进行计算分析，可以得出其S参数如下：
Figure BDA0003491587260000041
Figure BDA0003491587260000051
其中θ1和θ2分别为合成器一二级和二三级之间的传输相移。
通过S参数可以计算合成器端口1(指合成器输入端口1，如图2箭头所指位置)的反射电压为：
Figure BDA0003491587260000052
下面分两种讨论：
(1)当合成器各输入模块正常时，且合成器输出端匹配时：
Figure BDA0003491587260000053
此时，端口间不存在反射功率。
(2)当端口1模块失效时，其端口1的反射电压为：
Figure BDA0003491587260000054
其中τ和
Figure BDA0003491587260000055
是合成器输出端的反射系数和相位，可以看出，当取特定的值时：
Figure BDA0003491587260000056
τ＝1，则
Figure BDA0003491587260000057
从而反射功率接近额定输出功率的四倍，端口1会因功率过大而损毁。
可以看出，其反射功率的大小和θ1、θ2、
Figure BDA0003491587260000058
τ的取值有关，但在实际应应用中，输出端的反射系数τ和相位
Figure BDA0003491587260000059
是无法预测的，因此只能通过改变合成器级间相移来降低极限反射功率，根据理论计算结果，提出了合成器的优化方案，如下图所示：
(1)8路合成器采用2*2*2三级合成网络；
(2)优化合成器级间电长度，一二级合成级间(即图2中A电到B点)相移为θ1＝135°，二三级合成级间(即图2中B电到C点)相移θ2＝90°。根据相移，则图2中b和c的值可以取
Figure BDA00034915872600000510
c＝nλ，其中λ为波长，n≥0。
从具体实施例中得知，本发明结构和实现形式和现有技术一样，保留了现有合成电路的简洁性，同时在合成路数确定的情况下，可通过改变合成器各级合成路数和各级间传输长度来抑制各端口间反射功率同相叠加，降低模块的极限反射功率，大大提升系统稳定性；同时现有技术通常是在合成器输出端口加大功率环形器和吸收负载，大大增加成本的同时系统复杂度也大幅增加，导致系统故障率相应的提升，采用本发明的方案，极限反射功率大幅降低，合成器输出端不必再接大功率的环形器和吸收负载，大大降低成本和系统故障率。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明的技术范围作任何限制，本行业的技术人员，在本技术方案的启迪下，可以做出一些变形与修改，凡是依据本发明的技术实质对以上的实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种高功率固态功率源合成电路，其特征在于：所述的合成电路通过改变合成方式和传输相移来抑制各端口间反射功率同相叠加，降低模块的极限反射功率。
2.根据权利要求1所述的一种高功率固态功率源合成电路，其特征在于：所述合成电路的高功率的固态功率源是由多个基本功放单元经过功率合成网络功率矢量相加而成。
3.根据权利要求1所述的一种高功率固态功率源合成电路，其特征在于：所述的合成电路包括至少23n路合成器电路，其中n为自然数，且n≥1。
4.根据权利要求3所述的一种高功率固态功率源合成电路，其特征在于：所述的合成电路包括8路合成器电路，合成电路的合成方式有8*1、4*2、2*4、2*2*2等多种合成方式。
5.根据权利要求4所述的一种高功率固态功率源合成电路，其特征在于：在8路合成器电路中通过选择2*2*2的方案进行计算分析，可以得出其S参数如下：
Figure FDA0003491587250000011
Figure FDA0003491587250000012
其中θ1和θ2分别为合成器一二级和二三级之间的传输相移。
6.根据权利要求5所述的一种高功率固态功率源合成电路，其特征在于：通过S参数可以计算合成器端口1的反射电压为：
Figure FDA0003491587250000013
7.根据权利要求6所述的一种高功率固态功率源合成电路，其特征在于：合成器各输入模块正常时，且合成器输出端匹配时：
Figure FDA0003491587250000021
此时，端口间不存在反射功率。
8.根据权利要求6所述的一种高功率固态功率源合成电路，其特征在于：端口1模块失效时，其端口1的反射电压为：
Figure FDA0003491587250000022
其中τ和
Figure FDA0003491587250000023
是合成器输出端的反射系数和相位，可以看出，当取特定的值时：
Figure FDA0003491587250000024
τ＝1，则
Figure FDA0003491587250000025
从而反射功率接近额定输出功率的四倍，端口1会因功率过大而损毁。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种高功率固态功率源合成电路，其特征在于：所述的合成电路通过改变合成器级间相移来降低极限反射功率，根据理论计算结果，提出了合成器的优化方案，具体如下：
(1)8路合成器采用2*2*2三级合成网络；
(2)优化合成器级间电长度，一二级合成级间相移为θ1＝135°，二三级合成级间相移θ2＝90°。
10.根据权利要求9所述的一种高功率固态功率源合成电路，其特征在于：根据相移，二三级合成级间的值可以取
Figure FDA0003491587250000026
c＝nλ，其中λ为波长，n≥0。
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