CN114883769A - 一种固态微波源以及固态微波源支路一致性控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固态微波源以及固态微波源支路一致性控制方法，所述方法包括：采集各支路单元在多个目标功率下的相位信息，根据各目标功率下的相位信息对各支路单元进行相位调整，以使各支路单元在对应目标功率下的相位增益均满足第一阈值；将粗调后的N个支路单元与驱动模块、功率分配模块、径向合路器、环形器及波导耦合器进行装配；利用驱动模块和功率分配模块调整支路功率，以采集每一支路单元在各目标功率下的相位信息；当各支路单元在各目标功率下的相位信息满足预设条件时，根据相位信息对各支路单元进行相位调整，以使各支路单元在对应目标功率下的相位增益均满足第二阈值。本发明提供的技术方案有利于降低固态微波源的功率合成难度。

Description

一种固态微波源以及固态微波源支路一致性控制方法
技术领域
本发明涉及固态微波源技术领域，特别涉及一种固态微波源以及固态微波源支路一致性控制方法。
背景技术
随着半导体技术的发展，千瓦级固态微波源凭借着其工作电压低、输出功率稳定且功率频率可灵活调节的优势，现已逐步取代磁控管作为微波能量源的主流。
千瓦级固态微波源主要通过多路合成的方式实现，因此支路功放一致性尤为重要。由于功放器件本身的差异，各支路功放不可避免地存在相位差，这种情况在高频尤为严重。
常规解决办法是在支路功放增加相位调节模块，在线实时调整相位，同时，由于不同相位对应不同插损，故相应还要增加幅度补偿模块。然而，这种方法需要整体采集和监测各个支路功放模块的相位、幅度信息，并根据总体输出功率的实时在线判断结果，对某一个或某些支路功放模块相位、幅度同时进行动态补偿，当合成路数较多时，这对于控制要求极高，同时配合各种高速模数、数模信号采集，不仅难度大大增加，而且成本极高。
发明内容
本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种固态微波源以及固态微波源支路一致性控制方法。
第一方面，本发明提供一种固态微波源，包括依次连接的驱动模块、功率分配模块、支路功放模块、径向合路器、环形器和波导耦合器。其中，所述支路功放模块包括N个支路单元，N个支路单元分别通过稳幅稳相线缆与所述功率分配模块连接；各所述支路单元均包括独立开关、隔直电容以及M个串联的驱动芯片；其中，所述隔直电容两侧分别垂直设置有微带，用于调整支路相位；M个串联的驱动芯片用于控制相位调整所带来的插损；N、M均为非零自然数。
作为第一方面一种可能的实现方式，N个支路单元均使用同一批次的电子元器件，且使用相同的焊接工艺进行焊接。
作为第一方面一种可能的实现方式，N≥4。
第二方面，本发明还提供一种固态微波源支路一致性控制方法，应用于第一方面所述的固态微波源中，包括：
粗调步骤：采集每一个支路单元在预先设置的多个目标功率下的相位信息，其中，所述目标功率包括功放线性区、饱和区和深饱和区的功率点；根据各所述目标功率下的相位信息对各支路单元进行相位调整，以使N个支路单元在对应目标功率下的相位、增益均满足第一阈值；
细调步骤：将粗调后的N个支路单元与驱动模块、功率分配模块、径向合路器、环形器及波导耦合器进行装配；利用所述驱动模块和所述功率分配模块调整支路功率，以采集每一支路单元在各所述目标功率下的相位信息；当各支路单元在各所述目标功率下的相位信息满足预设条件时，根据所述相位信息对对应支路单元进行相位调整，以使N个支路单元在对应目标功率下的相位、增益均满足第二阈值；
其中，所述第二阈值小于所述第一阈值；所述相位调整包括：根据各所述目标功率下的相位信息确定对应支路单元的目标相位，并基于所述目标相位调整该支路单元中隔直电容的高度。
作为第二方面一种可能的实现方式，所述目标相位通过下述方式确定：基于当前目标功率下的N个相位信息确定均值；将N个所述相位信息中最靠近所述均值的相位信息设置为目标相位。
作为第二方面一种可能的实现方式，所述细调步骤中，当各支路单元在各所述目标功率下的相位信息不满足预设条件时，所述相位调整还包括：更换所述功率分配模块与所述支路功放模块之间的稳幅稳相线缆，以使N个支路单元在对应目标功率下的相位、增益均满足第二阈值。
作为第二方面一种可能的实现方式，所述细调步骤之后，还包括校准步骤：在所述驱动模块的输入端依次串联连接耦合器和锁相源；获取所述锁相源的频率，以及所述波导耦合器的输出频率；通过鉴相模块对所述锁相源的频率和所述波导耦合器的输出频率进行鉴相，并输出鉴相电压；根据所述鉴相电压结果对N个支路单元进行细调。
作为第二方面一种可能的实现方式，所述第二阈值中的相位阈值与所述第一阈值的相位阈值之间的差值为10°；所述第二阈值中的增益阈值与所述第一阈值的增益阈值均为0.4dB。
作为第二方面一种可能的实现方式，当各支路单元的增益不满足第一阈值或第二阈值时，调节各所述支路单元中的可调电阻，以控制衰减电压。
作为第二方面一种可能的实现方式，所述细调步骤中：通过矢量网络分析仪采集每一路支路单元在各所述目标功率下的相位信息；其中，所述矢量网络分析仪的一端连接所述驱动模块的输入端，另一端连接所述波导耦合器的输入端。
相较于现有技术，本发明提供的一种固态微波源及固态微波源支路一致性控制方法至少具有如下的有益效果：
在固态微波源支路一致性控制方法中，通过粗调步骤对各支路单元进行单独调试时，本具体利用支路单元内增加设置的微带对支路相位进行调整，以降低总装后因支路单元相位差异大而不断拆装的概率，提高效率；完成粗调后，对固态微波源各模块进行总装并再进行细调步骤，以进一步提高各支路的相位增益一致性。通过上述方法得到固态微波源的方式能够极大降低功率合成的难度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，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的附图。
图1是本发明实施例提供的固态微波源的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的固态微波源支路一致性控制方法的流程示意图。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
说明书和权利要求书中使用的术语“包括”不应解释为限制于其后列出的内容；它不排除其它的元件或步骤。因此，其应当诠释为指定所提到的所述特征、整体、步骤或部件的存在，但并不排除存在或添加一个或更多其它特征、整体、步骤或部件及其组群。因此，表述“包括装置A和B的设备”不应局限为仅由部件A和B组成的设备。
本说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意味着与该实施例结合描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书各处出现的用语“在一个实施例中”或“在实施例中”并不一定都指同一实施例，但可以指同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，能够以任何适当的方式组合各特定特征、结构或特性，如从本公开对本领域的普通技术人员显而易见的那样。
千瓦级高功率固态微波源因其具备工作电压低、输出功率稳定及功率频率可以灵活调节等优势，正在逐步取代磁控管。当前，千瓦级固态微波源主要通过多路合成的方式来实现，因此支路功放的一致性尤为重要，但由于功放器件本身的差异，各支路功放不可避免地存在相位差，这种情况在高频（≥1.3G）尤为严重。
针对上述问题，常规的解决办法是为支路功放增加相位调节模块，以实现在线实时调整相位；同时，由于不同相位对应不同插损，故还需相应增加幅度补偿模块。这种常规方式虽然可以实现较好的支路相位一致性，但过程中需要整体监测和采集各支路的相位和幅度信息，并根据总体输出功率进行实时在线判断，以对某一个或某些支路的相位、幅度同时进行动态补偿，故这种常规方法仅适用于固态微波源合成路数不多的情形，当需要获得10KW以上功率输出时，对控制的要求将极高，且还需配合各种高速模数/数模信号采集，使得不仅难度大大增加，且成本也极高。因此，当前迫切需要一种低成本高效率的支路一致性检测及补偿方法。
考虑到现有技术存在的上述问题，本发明实施例结合附图，提出了一种固态微波源以及固态微波源支路一致性控制方法，以下将详细描述。
第一方面，本发明一个实施例提供一种固态微波源，包括依次连接的驱动模块、功率分配模块、支路功放模块、径向合路器、环形器和波导耦合器。其中，支路功放模块包括N个支路单元，N个支路单元分别通过稳幅稳相线缆与功率分配模块连接。
具体地，功率分配模块与支路功放模块之间、支路功放模块与径向合路器之间均采用稳幅稳相线缆进行连接。在其他示例中，固态微波源中各模块之间均可使用稳幅稳相线缆进行连接，以确保支路相位增益一致。
在本实施例中，支路功放模块的各支路单元均包括独立开关、隔直电容以及M个串联的驱动芯片，其中，隔直电容两侧分别垂直设置有微带，用于调整支路相位，M个串联的驱动芯片则用于控制相位调整所带来的插损。
可以理解的是，上述实施例基于固态电路灵活可调的特点，通过在隔直电容两侧分别垂直增加一端微带，可利用隔直电容高度调整微带长度，进而实现相位调整；同时，采用M级驱动芯片串联可实现深饱和，以抵消相位变化所带来的插损。
在本实施例中，N、M均为非零自然数。其中，支路单元的数量N可设置为N≥4；M可设置为M≥2，即设置两级或多级驱动芯片。
优选的，N个支路单元均使用同一批次的电子元器件，特别是功放芯片、电容、隔离器即电桥等关键器件；且使用相同的焊接工艺和真空焊接流程进行焊接，以实现在源头的关键器件选取和工艺上确保各支路单元相位增益一致性。
在一个具体实施例中，本发明提供的高功率固态微波源的结构如图1所示。
在本实施例中，驱动模块用于功率放大，以确保功分之后功率可以驱动支路功放模块中各支路单元实现目标功率，同时实现开关调节和增益调节功能；功率分配模块与径向合路器的端口数量相等，功率分配模块的端口形式一般是SMA或是N头，以实现功率均分，保证支路相位一致。
具体地，N个支路单元输入为SMA或N头，各支路单元与功率分配模块之间通过同轴稳幅稳相线缆连接。
通常情况下，径向合路器的输入端口以及支路功放模块的输出端口的功率都较大，故采用7-16射频接头，以及采用高功率稳幅稳相线缆直接连接。
衰减器用于减小功率，一般情况下，矢量网络分析仪的端口输入功率较小，故波导耦合器耦合出的功率需经过衰减才可以馈入矢量网络分析仪端口，以保护测试仪器；环形器则用于避免反射功率过大对前端的径向合路器所造成的永久损坏；水负载用于吸收反射功率。衰减器、环形器及水负载的设置均为通用的现有技术，本发明不再赘述。
第二方面，本发明一个实施例还提供一种固态微波源支路一致性控制方法，应用于第一方面所述的固态微波源中，所述方法包括下述步骤：
S1、粗调步骤：采集每一个支路单元在预先设置的多个目标功率下的相位信息，其中，所述目标功率包括功放线性区、饱和区和深饱和区的功率点，根据各目标功率下的相位信息对各支路单元进行相位调整，以使N个支路单元在对应目标功率下的相位、增益均满足第一阈值。
S2、细调步骤：将粗调后的N个支路单元与驱动模块、功率分配模块、径向合路器、环形器及波导耦合器进行装配；利用驱动模块和功率分配模块调整支路功率，以采集每一支路单元在各目标功率下的相位信息；当各支路单元在各目标功率下的相位信息满足预设条件时，根据相位信息对对应支路单元进行相位调整，以使N个支路单元在对应目标功率下的相位、增益均满足第二阈值。
在本实施例中，第二阈值中的相位值小于第一阈值中的相位值。所述相位调整具体包括：根据各目标功率下的相位信息确定对应支路单元的目标相位，并基于目标相位调整该支路单元中隔直电容的高度。
本实施例在固态微波源总装前，先通过粗调步骤对支路功放模块进行单独调试，以降低总装后因支路单元差异过大而不断拆装的概率；再在总装后进行细调，进一步提高支路功放模块一致性。相比现有技术，本发明实施例提供的固态微波源支路一致性控制方法整体流程操作更简单，且成本低廉。
以下将通过多个实施例介绍固态微波源支路一致性控制方法的具体实现流程。
在一个实施例中，支路功放模块中的N个支路单元均选取同一批次的电子元器件，并保证相同的焊接工艺，以从源头上确保相位增益一致性。
在正式总装前，需对每一个支路单元单独进行调试，以完成粗调步骤。具体地，分别选取功放线性区、饱和区、深饱和区的多个功率台阶点，如100w、200w、400w、600w、800w等，采集并记录N个支路单元在各个功率台阶点的增益及相位信息，得到N个支路的数据集。
可以理解的是，功放在线性区和饱和区的增益相位信息基本一致，故采集全部功率数据的意义不大，对此，本发明实施例无需实时记录，仅记录所设定的若个功率台阶点下的相位及增益信息，便可涵盖线性区和饱和区的数据，从而极大降低了数据量，提高了工作效率。
进一步地，完成相位增益数据采集和记录后，对所记录的数据集进行汇总并计算均值，将N个支路数据中最靠近均值的数据作为目标相位，并根据该目标相位对N个支路单元进行相位调整，以保证N个支路单元的在各个功率台阶点的相位和增益均满足第一阈值。
具体地，在相位调整过程中，对支路单元隔直电容的高度进行调节，以改变隔直电容两端所设置的微带长度，进而改变支路单元的相位。同时，由于相位调整带来不同插损，从而影响增益，因此需利用所设置的两级或多级驱动芯片串联实现深饱和，以抵消相位改变所带来的增益影响。
需要说明的是，本实施例具体可设置两个驱动芯片和一个可调增益芯片串联，其中，可调增益芯片设置为电路设计中自带的可调电阻，利用可调电阻的调整改变电压，能够实现本地衰减调节，而不再需要外部单独控制。
进一步地，完成了各支路单元的单独调试后，将调试好的N个支路单元与驱动模块、功率分配模块、径向合路器、环形器及波导耦合器进行装配，再进行细调步骤。
具体地，可将矢量网络分析仪的一端连接驱动模块的输入端，另一端连接波导耦合器总路入射端，再将待测支路单元的独立开关打开，此时其他支路单元的独立开关呈关闭状态。进一步地，通过控制驱动模块调整功率，从而依次测量待测支路单元在各个功率台阶点下的相位增益信息，并采用同样方式测量其余支路，最后将所测量的数据进行汇总。
通过分析汇总数据，可确定各支路单元的相位差是否满足预设条件，若满足，则根据汇总的数据对各支路单元的相位进行调整，以使N个支路单元的在各功率台阶点的相位和增益均满足第二阈值。
需要说明的是，在细调步骤中，所选取的功率台阶点、各支路单元的相位增益信息测量方法以及相位调整方法均与粗调步骤一致，其具体实现过程可以参照上述实施例的相关描述，此处不再赘述。
可以理解的是，在组装状态下测量的支路相位增益信息通常不如单个支路单元的测量数据效果好，这是因为合路器各端口及数十根稳幅稳相线缆均存在不同的相位增益差，对此，本实施例根据不同支路的相位均值选取一个目标相位，通过将各支路相位调整至该目标相位，以达到支路相位增益一致性的效果。
具体地，当支路单元的相位差不满足预设条件时，则可通过改变功率分配模块到各支路单元之间的稳幅稳相线缆的相位来进行相位补偿，以使N个支路单元的在各个功率台阶点的相位和增益均满足第二阈值，实现各支路单元相位一致性。
在本实施例中，相位补偿具体可通过更换功率分配模块到各支路单元之间的稳幅稳相线缆实现。
对于上述实施例中阈值的选取，考虑对于固态微波源而言，若功放芯片一致性较好，则增益信息在±0.5dB左右；另一方面，支路相位一致性将直接影响合成效率，故通常情况下，相位差异需控制在±10°内，功率合成效率≥90%。因此，本发明实施例中，第一阈值优选设置为：相位差≤±25°，增益≤0.4dB；第二阈值优选设置为：相位差≤±15°，增益≤0.4dB。
对应的，本实施例所设置的预设条件可为：相位差≥30°。
在另一实施例中，完成了支路单元的粗调和细调步骤后，还可对其进行校准，以进一步确保支路相位一致性。
具体地，在校准步骤中，首先在驱动模块的输入端连接锁相源，并在驱动模块和锁相源之间串联一个耦合器，以耦合出锁相源的频率fo作为鉴相模块的参考频率；同时，从波导耦合器的输入耦合端输出频率fn，以作为鉴相模块的另一个输入频率，最后通过鉴相模块对频率fo和频率fn进行鉴相，并输出鉴相电压；根据所得到的鉴相电压依次对各支路单元进行细调，以确定相位调整的准确值，从而进一步验证相位一致性信息。
最后，将锁相源与驱动模块之间串联的耦合器及鉴相模块撤掉，恢复高功率固态微波源架构，并依次打开各支路单元的独立开关，以及驱动模块的开关，同时，通过驱动模块将功率调至较小值，监测合路输出数据，再逐渐增加功率，直至满功率输出，最终实现功率合成。
本发明上述实施例提供的固态微波源支路一致性控制方法能够极大降低合成难度，为尚处于起步阶段的千瓦级高功率固态微波源研究提供良好的探索基础。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

Claims (10)

1.一种固态微波源，其特征在于，包括依次连接的驱动模块、功率分配模块、支路功放模块、径向合路器、环形器和波导耦合器；其中，
所述支路功放模块包括N个支路单元，N个支路单元分别通过稳幅稳相线缆与所述功率分配模块连接；
各所述支路单元均包括独立开关、隔直电容以及M个串联的驱动芯片；其中，
所述隔直电容两侧分别垂直设置有微带，用于调整支路相位；
M个串联的驱动芯片用于控制相位调整所带来的插损；N、M均为非零自然数。
2.根据权利要求1所述的固态微波源，其特征在于，N个支路单元均使用同一批次的电子元器件，且使用相同的焊接工艺进行焊接。
3.根据权利要求1所述的固态微波源，其特征在于，N≥4。
4.一种固态微波源支路一致性控制方法，应用于如权利要求1至3任一所述的固态微波源中，其特征在于，包括：
粗调步骤：采集每一个支路单元在预先设置的多个目标功率下的相位信息，其中，所述目标功率包括功放线性区、饱和区和深饱和区的功率点；
根据各所述目标功率下的相位信息对各支路单元进行相位调整，以使N个支路单元在对应目标功率下的相位、增益均满足第一阈值；
细调步骤：将粗调后的N个支路单元与驱动模块、功率分配模块、径向合路器、环形器及波导耦合器进行装配；
利用所述驱动模块和所述功率分配模块调整支路功率，以采集每一支路单元在各所述目标功率下的相位信息；
当各支路单元在各所述目标功率下的相位信息满足预设条件时，根据所述相位信息对对应支路单元进行相位调整，以使N个支路单元在对应目标功率下的相位、增益均满足第二阈值；
其中，所述第二阈值小于所述第一阈值；
所述相位调整包括：根据各所述目标功率下的相位信息确定对应支路单元的目标相位，并基于所述目标相位调整该支路单元中隔直电容的高度。
5.根据权利要求4所述的固态微波源支路一致性控制方法，其特征在于，所述目标相位通过下述方式确定：
基于当前目标功率下的N个相位信息确定均值；
将N个所述相位信息中最靠近所述均值的相位信息设置为目标相位。
6.根据权利要求4所述的固态微波源支路一致性控制方法，其特征在于，所述细调步骤中，当各支路单元在各所述目标功率下的相位信息不满足预设条件时，所述相位调整还包括：
更换所述功率分配模块与所述支路功放模块之间的稳幅稳相线缆，以使N个支路单元在对应目标功率下的相位、增益均满足第二阈值。
7.根据权利要求4所述的固态微波源支路一致性控制方法，其特征在于，所述细调步骤之后，还包括校准步骤：
在所述驱动模块的输入端依次串联连接耦合器和锁相源；
获取所述锁相源的频率，以及所述波导耦合器的输出频率；
通过鉴相模块对所述锁相源的频率和所述波导耦合器的输出频率进行鉴相，并输出鉴相电压；
根据所述鉴相电压结果对N个支路单元进行细调。
8.根据权利要求4所述的固态微波源支路一致性控制方法，其特征在于，
所述第二阈值中的相位阈值与所述第一阈值的相位阈值之间的差值为10°；
所述第二阈值中的增益阈值与所述第一阈值的增益阈值均为0.4dB。
9.根据权利要求4所述的固态微波源支路一致性控制方法，其特征在于，还包括：
当各支路单元的增益不满足第一阈值或第二阈值时，调节各所述支路单元中的可调电阻，以控制衰减电压。
10.根据权利要求4所述的固态微波源支路一致性控制方法，其特征在于，所述细调步骤中：
通过矢量网络分析仪采集每一路支路单元在各所述目标功率下的相位信息；其中，
所述矢量网络分析仪的一端连接所述驱动模块的输入端，另一端连接所述波导耦合器的输入端。
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