CN116260406B - 一种并行功率放大合成器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种并行功率放大合成器，涉及放大器技术领域，包括依次连接的输入信号预处理模块、信号分配器、功率放大模块、信号合成器以及输出信号检测模块，输入信号预处理模块接收待放大的输入信号，对输入信号行进滤波处理和预放大处理；信号分配器将滤波后的输入信号进行二级功率分配，实现输入信号的4功分；功率放大模块对4功分后的信号分别进行并行放大处理；信号合成器将所述放大处理后的信号进行二级信号合成；输出信号检测模块用于检测输出信号的功率；通过设置输入信号预处理模块并根据输出信号检测模块的电位器的调整量指令，通过对输入信号增益的调整实现放大电路工作状态的控制，以保持合成器的性能稳定。

Description

一种并行功率放大合成器

技术领域

本发明涉及功率放大器技术领域，具体涉及一种并行功率放大合成器。

背景技术

并行功率放大合成器（Parallel Power Amplifier Combiner）是一种用于增强射频信号的电路。它由多个功率放大器并联组成，可以将多个低功率的信号放大器合并成一个高功率的信号放大器，从而提高输出功率和信号质量。并行功率放大合成器的主要优点是具有高效率和高功率输出能力，由于多个功率放大器并联，因此可以同时处理多个信号，从而提高信号处理的速度和效率。此外，由于并行放大器具有较高的输出功率，因此可以满足高功率应用的需求，如雷达、通信和卫星通信等领域。然而，目前的并行功率放大合成器也存在一些缺点，如功率放大合成器通常包含复杂的设计和调试过程，以及需要精确匹配的放大器，以确保各个放大器的输出功率和相位一致。此外，由于多个放大器并联，因此可能会引入一些不必要的噪声和失真，从而影响信号质量。

现有技术通常采用数字预失真技术，以补偿功率放大器的非线性特性和失配问题，提高合成器的线性度和效率，或者采用自适应控制技术，以实时调整功率放大器的工作状态和失配校准，以保持合成器的性能稳定和最优。然而，上述技术在解决噪声和失真问题的同时，使得整个功率放大合成器电路更加复杂，不利于器件的小型化，同时电路调试往往需要耗费很多时间，并行功率放大合成器中电路元器件的增多带来插入损耗变大，也导致合成器的稳定性变差。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种并行功率放大合成器，通过小型化的波导二功分器和3dB电桥的级联实现输入信号的并行分配以及放大后的信号的功率合成，实现电信号在C波段下的功率放大。

本发明通过以下技术方案实现：

一种并行功率放大合成器，包括依次连接的输入信号预处理模块，信号分配器，功率放大模块，信号合成器以及输出信号检测模块。

进一步地，所述输入信号预处理模块接收待放大的输入信号，对所述输入信号行进滤波处理和预放大处理；

所述信号分配器将滤波后的输入信号进行二级功率分配，实现输入信号的4功分；

所述功率放大模块对4功分后的信号分别进行并行放大处理；

所述信号合成器将所述放大处理后的信号进行二级信号合成；

输出信号检测模块用于检测输出信号的功率。

进一步地，所述输入信号预处理模块包括依次连接的电位器、滤波器、衰减器和激励放大器，所述电位器接收所述待放大的输入信号；

所述输入信号预处理模块与所述输出信号检测模块通信连接，所述输入信号预处理模块实时接收输出信号检测模块发出的调整指令，所述电位器根据所述调整指令自动调整输入信号的增益和频率响应。

进一步地，所述信号分配器将滤波后的输入信号进行二级功率分配，实现输入信号的4路功分，所述信号分配器包括一个微带二功分器和第一电桥、第二电桥。

所述微带二功分器具有一个射频输入连接器和两个射频输出连接器。

所述射频输入连接器连接所述输入信号预处理模块的输出口，接收滤波后的输入信号。

所述两个射频输出连接器分别与所述第一电桥和所述第二电桥的输入端连接。

所述第一电桥的直通端输出0°第一直通信号，所述第一电桥的耦合端输出90°第一耦合信号。

所述第二电桥的直通端输出0°第二直通信号，所述第二电桥的耦合端输出90°第二耦合信号；所述输入信号经过微带二功分器后，被功率平分为两路信号，实现一级功率分配，再经过与所述微带二功分器级联的所述第一电桥和所述第二电桥，将信号进一步进行第二级功率分配，功分为四路信号。

进一步地，所述第一电桥和所述第二电桥均为3dB90°电桥，所述第一电桥和所述第二电桥的隔离端均接有75电阻负载隔离端和负载之间连接有耦合隔直电容。

进一步地，所述功率放大模块包括4个并联的放大器，所述放大器均由MMIC芯片及其外围电路组成；

所述0°第一直通信号和所述0°第二直通信号分别连接第一放大器和第二放大器的输入端；

所述90°第一耦合信号和所述90°第二耦合信号分别连接第三放大器和第四放大器的输入端。

进一步地，所述功率放大模块还包括放大器监控单元，放大器监控单元用于采集4个放大器的工作状态信息；

所述工作状态信息包括放大器MMIC芯片的温度、输出功率及放大器的栅极和漏极的电压、电流；

所述放大器监控单元包括微处理器、温度传感器、检波器和电压电流传感器；

所述温度传感器与所述微处理器连接用于对放大器的温度进行监测；

所述检波器用于对每只放大器的输出功率进行耦合检波得到检波电压后输送至所述微处理器；

所述电压电流传感器与所述微处理器连接用于对放大器的漏极和栅极的电压、电流进行检测。

进一步地，所述信号合成器包含第一微带二功合器、第二微带二功合器和第三电桥，所述第一微带二功合器和所述第二微带二功合器分别具有两个射频输入连接器和一个射频输出连接器，所述第一放大器和所述第二放大器的输出端分别连接所述第一微带二功合器的两个射频输入连接器，第三放大器和第四放大器的输出端分别连接所述第二微带二功合器的两个射频输入连接器，所述第一微带二功合器和所述第二微带二功合器的两个输出端分别与所述第三电桥的两个输入端连接，经所述第三电桥进行功率合成，得到放大后的输出信号。

进一步地，所述第三电桥为3dB90°电桥，所述第三电桥的隔离端均接有75Ω电阻负载，隔离端和负载之间连接有耦合隔直电容。

进一步地，所述第三电桥的输出端与所述输出信号检测模块连接；

所述输出信号检测模块包括功率检测单元和运算调整单元；

所述功率检测单元对第三电桥功率合成的输出信号进行实时监测，检测输出信号的功率能量，并将功率能量转化成电压信号，并将所述电压信号与预设的电压阈值进行比较；

当所述电压信号超出预设的电压阈值时，所述运算调整单元自动计算电位器的调整量，并对所述输入信号预处理模块发出调节指令。

进一步地，所述并行功率放大合成器还包括辅助电源，所述辅助电源与所述输入信号预处理模块、功率放大模块以及输出信号检测模块连接，提供3V~24V的DC-DC电压。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明通过设置输入信号预处理模块并根据输出信号检测模块的电位器的调整量指令，实现对整体合成器的功率控制，通过对输入信号增益的调整实现放大电路工作状态的控制，避免放大器的工作状态失配，以保持合成器的性能稳定和最优。

2、本发明使用微带功分器、3dB90°电桥和微带功合器共同组成功率放大合成器，采用将信号分为4组功率相同的功分信号后直接并联4组功率放大器进行信号放大，由于3dB90°电桥的隔直特性，电路在设计时不需要在放大器两端增加隔直电容，因此，在保证功率合成电路在C波段正常工作下，减小了电路不必要的插入损耗，增加信号的合成效率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的一种并行功率放大合成器组成示意图；

图2为本发明的输入信号预处理模块组成示意图；

图3为本发明的放大电路连接示意图；

图4为本发明的功率放大模块组成示意图；

图5为本发明的输出信号检测模块组成示意图。

附图中标记及对应的电路接口或器件名称：

1-电位器；2-滤波器；3-衰减器；4-激励放大器；5-微带二功分器；6-第一电桥；7-第二电桥；8-第一放大器；9-第二放大器；10-第三放大器；11-第四放大器；12-第一微带二功合器；13-第二微带二功合器；14-第三电桥。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下。

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅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。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

实施例1：

如图1所示，为本实施例提出的一种并行功率放大合成器组成示意图，包括以图中箭头的标注方向依次连接的输入信号预处理模块，信号分配器，功率放大模块，信号合成器以及输出信号检测模块，还包括了辅助电源，各个模块之间相互配合，以达到C波段输入信号功率放大的目的。

参照图1中的连接关系，各模块间按照以下方式实现其功能：

输入信号预处理模块接收待放大的输入信号，对输入信号行进滤波处理和预放大处理，信号分配器将滤波后的输入信号进行二级功率分配，实现输入信号的4功分，功率放大模块对4功分后的信号分别进行并行放大处理，信号合成器将放大处理后的信号进行二级信号合成，输出信号检测模块用于检测输出信号的功率。

如图2所示，为本实施例的输入信号预处理模块组成示意图，输入信号预处理模块包括依次连接的电位器1、滤波器2、衰减器3和激励放大器4。

电位器1与并行功率放大合成器的信号输入端口连接，接收待放大的输入信号，本发明中的电位器型号包括：可变电阻器（Potentiometer），旋转电感器（Rotary Inductor），可变电容器（Variable Capacitor）和电位器网络（Potentiometer Network）。

输入信号预处理模块与输出信号检测模块通信连接，输入信号预处理模块实时接收输出信号检测模块发出的调整指令，电位器根据调整指令自动调整输入信号的增益和频率响应。

滤波器2为输入带通滤波器，输入带通滤波器接收电位器输出端信号，并对信号进行滤波，滤除带外杂散信号。

滤波器和衰减器之间还可以增加定向耦合器，定向耦合器对滤波后的信号进行耦合输出，可以用来检测处理后的输入信号的功率能量。

如图3所示，为本实施例的放大电路连接示意图，信号分配器将预处理后的输入信号进行二级功率分配，实现输入信号的4路功分，信号分配器包括一个微带二功分器5和第一电桥6、第二电桥7。

微带二功分器5具有一个射频输入连接器和两个射频输出连接器。

射频输入连接器连接输入信号预处理模块的输出口，接收滤波后的输入信号。

两个射频输出连接器分别与第一电桥6和第二电桥7的输入端连接。

为了解决在实际功放电路中，幅度和相位不一致造成的合成效率降低的问题，本实施例采用功分器和电桥级联的方式实现信号的功率平分，第一电桥6的直通端输出0°第一直通信号，第一电桥6的耦合端输出90°第一耦合信号；第二电桥7的直通端输出0°第二直通信号，第二电桥7的耦合端输出90°第二耦合信号；输入信号经过微带二功分器5后，被功率平分为两路信号，实现一级功率分配，再经过与微带二功分器5级联的第一电桥6和第二电桥7，将信号进一步进行第二级功率分配，功分为四路信号。

需要说明的是，第一电桥6和第二电桥7均为3dB90°电桥，第一电桥6和第二电桥7的隔离端均接有75Ω电阻负载隔离端和负载之间连接有不小于30W的耦合隔直电容，以保证放大链路正常工作。

如图3所示，信号合成器包含第一微带二功合器12、第二微带二功合器13和第三电桥14，第一微带二功合器12和第二微带二功合器13分别具有两个射频输入连接器和一个射频输出连接器，第一放大器8和第二放大器9的输出端分别连接第一微带二功合器12的两个射频输入连接器，第三放大器10和第四放大器11的输出端分别连接第二微带二功合器13的两个射频输入连接器，第一微带二功合器12和第二微带二功合器13的两个输出端分别与第三电桥14的两个输入端连接，经第三电桥14进行功率合成，得到放大后的输出信号。

需要说明的是，第三电桥14为3dB90°电桥，第三电桥的隔离端均接有75Ω电阻负载，隔离端和负载之间连接有耦合隔直电容，隔直电容不小于50W。

本实施例采用的电桥的工作频率范围为：3～6GHz；从输入端到直通端的能量损耗不大于0.1dB。

如图4所示，为本实施例的功率放大模块组成示意图，功率放大模块包括4个并联的放大器组成的放大器组，放大器均由MMIC芯片及其外围电路组成；功放MMIC芯片均采用型号为WID010040-P20或者WFD020060-P32的MMIC芯片。

0°第一直通信号和0°第二直通信号分别连接第一放大器8和第二放大器9的输入端；

90°第一耦合信号和90°第二耦合信号分别连接第三放大器10和第四放大器11的输入端。

功率放大模块还包括放大器监控单元，放大器监控单元用于采集4个放大器的工作状态信息；工作状态信息包括放大器MMIC芯片的温度、输出功率及放大器的栅极和漏极的电压、电流。

放大器监控单元包括微处理器、温度传感器、检波器和电压电流传感器；温度传感器与微处理器连接用于对放大器的温度进行监测；检波器用于对每只放大器的输出功率进行耦合检波得到检波电压后输送至微处理器；电压电流传感器与微处理器连接用于对放大器的漏极和栅极的电压、电流进行检测。

如图5所示，第三电桥14的输出端与输出信号检测模块连接；输出信号检测模块包括功率检测单元和运算调整单元。

功率检测单元对第三电桥功率合成的输出信号进行实时监测，检测输出信号的功率能量，并将功率能量转化成电压信号，并将电压信号与预设的电压阈值进行比较，当电压信号超出预设的电压阈值时，运算调整单元自动计算电位器的调整量，并对输入信号预处理模块发出调节指令。

并行功率放大合成器还包括辅助电源，辅助电源与输入信号预处理模块、功率放大模块以及输出信号检测模块连接，提供3V~24V的DC-DC电压。辅助电源能够给上述模块提供稳定工作电压，并且具有过压、欠压保护功能。

需要说明的是，本发明的并行功率放大合成器还包括控制电路，控制电路用来控制功率放大器的工作状态，以确保合成器的正常工作；另外，并行功率放大合成器还包括散热器和外壳，散热器用于散热，以保持功率放大器的温度在安全范围内，外壳用于保护合成器内部电路，同时提供连接器和指示灯等功能。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种并行功率放大合成器，包括依次连接的输入信号预处理模块，信号分配器，功率放大模块，信号合成器以及输出信号检测模块，其特征在于：

所述输入信号预处理模块接收待放大的输入信号，对所述输入信号行进滤波处理和预放大处理；

所述信号分配器将滤波和预放大后的输入信号进行二级功率分配，实现输入信号的4功分；

所述功率放大模块对4功分后的信号分别进行并行放大处理；

所述信号合成器将所述放大处理后的信号进行二级信号合成；

输出信号检测模块用于检测输出信号的功率；

所述输入信号预处理模块包括依次连接的电位器、滤波器、衰减器和激励放大器，所述电位器接收所述待放大的输入信号；

所述输入信号预处理模块与所述输出信号检测模块通信连接，所述输入信号预处理模块实时接收输出信号检测模块发出的调整指令，所述电位器根据所述调整指令自动调整输入信号的增益和频率响应；

所述信号分配器将滤波后的输入信号进行二级功率分配，实现输入信号的4路功分，所述信号分配器包括一个微带二功分器和第一电桥、第二电桥；

所述微带二功分器具有一个射频输入连接器和两个射频输出连接器；

所述射频输入连接器连接所述输入信号预处理模块的输出口，接收滤波后的输入信号；

所述两个射频输出连接器分别与所述第一电桥和所述第二电桥的输入端连接；

所述第一电桥的直通端输出0°第一直通信号，所述第一电桥的耦合端输出90°第一耦合信号；

所述第二电桥的直通端输出0°第二直通信号，所述第二电桥的耦合端输出90°第二耦合信号；所述输入信号经过微带二功分器后，被功率平分为两路信号，实现一级功率分配，再经过与所述微带二功分器级联的所述第一电桥和所述第二电桥，将信号进一步进行第二级功率分配，功分为四路信号；

所述功率放大模块包括4个并联的放大器，所述放大器均由MMIC芯片及其外围电路组成；

所述0°第一直通信号和所述0°第二直通信号分别连接第一放大器和第二放大器的输入端；

所述90°第一耦合信号和所述90°第二耦合信号分别连接第三放大器和第四放大器的输入端；

所述信号合成器包含第一微带二功合器、第二微带二功合器和第三电桥，所述第一微带二功合器和所述第二微带二功合器分别具有两个射频输入连接器和一个射频输出连接器，所述第一放大器和所述第二放大器的输出端分别连接所述第一微带二功合器的两个射频输入连接器，第三放大器和第四放大器的输出端分别连接所述第二微带二功合器的两个射频输入连接器，所述第一微带二功合器和所述第二微带二功合器的两个输出端分别与所述第三电桥的两个输入端连接，经所述第三电桥进行功率合成，得到放大后的输出信号；

所述第三电桥的输出端与所述输出信号检测模块连接；

所述输出信号检测模块包括功率检测单元和运算调整单元；

所述功率检测单元对第三电桥功率合成的输出信号进行实时监测，检测输出信号的功率能量，并将功率能量转化成电压信号，并将所述电压信号与预设的电压阈值进行比较；

当所述电压信号超出预设的电压阈值时，所述运算调整单元自动计算电位器的调整量，并对所述输入信号预处理模块发出调节指令；

所述第一电桥和所述第二电桥均为3dB90°电桥，所述第一电桥和所述第二电桥的隔离端均接有75Ω电阻负载，隔离端和负载之间连接有耦合隔直电容；

所述第三电桥为3dB90°电桥，所述第三电桥的隔离端接有75Ω的电阻负载，隔离端和负载之间连接有耦合隔直电容。

2.根据权利要求1所述的并行功率放大合成器，其特征在于：所述功率放大模块还包括放大器监控单元，放大器监控单元用于采集4个放大器的工作状态信息；

所述工作状态信息包括放大器MMIC芯片的温度、输出功率及放大器的栅极和漏极的电压、电流；

所述放大器监控单元包括微处理器、温度传感器、检波器和电压电流传感器；

所述温度传感器与所述微处理器连接用于对放大器的温度进行监测；

所述检波器用于对每只放大器的输出功率进行耦合检波得到检波电压后输送至所述微处理器；

所述电压电流传感器与所述微处理器连接用于对放大器的漏极和栅极的电压、电流进行检测。

3.根据权利要求1~2中任意一项所述的并行功率放大合成器，其特征在于：还包括辅助电源，所述辅助电源与所述输入信号预处理模块、功率放大模块以及输出信号检测模块连接，提供3V~24V的DC-DC电压。