CN117200719B - 一种宽带大功率多频放大系统及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种宽带大功率多频放大系统及工作方法，包括N个独立信号源，其中，前N‑1个独立信号源分别依次经独立的功率放大器、隔离器、定向耦合器后连接至多工器的N个输入端；第N个独立信号源接至第一电桥端口1，第一电桥端口3依次经第N功率放大器、第N定向耦合器接至第二电桥端口1，第一电桥端口4依次经独立的第N+1功率放大器、第N+1定向耦合器接至第二电桥端口2，第一电桥端口2经电阻接地；第二电桥端口3与多工器输出端连接，第二电桥端口4完成输出。本发明可以灵活地对宽带信号和窄带信号进行合成，总输出功率可上百瓦，交调无恶化，峰峰值耐受高、效率高。

Description

一种宽带大功率多频放大系统及工作方法

技术领域

本发明涉及信号放大领域，特别涉及一种宽带大功率多频放大系统及工作方法。

背景技术

宽带功率放大器广泛应用在通信、雷达、电子战领域中，是产生微波能量的核心部件。通信网络从4G时代开始就长期处于多通信网络共存的状态，频段多且离散；雷达与电子战在几百兆到几十千兆赫兹的频率范围内探测和对抗，工作频段分布广泛。多频段同时工作，导致这些系统所需的功率放大器种类和数量急剧增加，带来系统的成本、尺寸、功耗和复杂度的相应增加。

因此，研究多模多频的功率放大器及架构具有重大意义。目前常见的手段是采用宽带放大器直接放大多频点信号、采用多频段匹配电路针对性地提升效率、直接异频合成等方式。采用直接放大多频点信号和多频段针对性匹配，均会导致输出的交调指标恶化，干扰邻信道的工作，并且会导致高峰均比，引起效率降低、峰值尖峰击穿等问题，使得功率管工作在较多的回退功率水平上，需要采用额外手段如Doherty架构来改善，付出额外成本；采用直接异频合成，会引起额外的3dB损耗，或者合成频率不连续，灵活性不足。以上方法均难以满足实际应用的需求。

发明内容

为了解决宽带大功率、多个频段同时放大时交调恶化、峰峰值耐受低、效率低、不能无缝覆盖等问题，提供了一种宽带大功率多频放大系统及工作方法，内部采用宽带和窄带两种电路形式，宽带通道用于保证有瞬时带宽要求的信号，窄带通道用于有高效率要求的信号。

本发明第一方面提出了一种宽带大功率多频放大系统，包括N个独立信号源、N+1个功率放大器、N+1个定向耦合器、N-1个隔离器、第一电桥、第二电桥以及N通道的多工器，其中，

前N-1个独立信号源分别依次经独立的功率放大器、隔离器、定向耦合器后连接至多工器的N个输入端；

第N个独立信号源接至第一电桥端口1，第一电桥端口3依次经第N功率放大器、第N定向耦合器接至第二电桥端口1，第一电桥端口4依次经独立的第N+1功率放大器、第N+1定向耦合器接至第二电桥端口2，第一电桥端口2经电阻接地；第二电桥端口3与多工器输出端连接，第二电桥端口4完成输出；所述第一电桥与第二电桥均为90°电桥。

进一步的，还包括第N+2定向耦合器，所述第二电桥端口4经第N+2定向耦合器后输出。

进一步的，所有功率放大器结构相同，包括：输入匹配电路、功率管、输出匹配电路，功率放大器输入端经输入匹配电路接至功率管栅极，功率管漏极经输出匹配电路接至功率放大器输出端，功率管源极接地；同时功率管栅极和漏极分别接栅极、漏极馈电。

进一步的，所有隔离器为单向隔离器，正向端输入端与功率放大器输出端连接。

进一步的，所有定向耦合器包括直通端口1和直通端口2，正向耦合端口3和方向耦合端口4，所述直通端口1和直通端口2完成信号传输；所述正向耦合端口3和方向耦合端口4接至外部检测系统用于对通道中的正、反向信号进行采样监控。

进一步的，所述多工器由N个滤波电路和匹配电路组成，N个滤波电路分别对N个输入的信号进行滤波，滤波后输入到匹配电路；匹配电路完成N路信号频率合成，并将阻抗匹配至系统阻抗。

进一步的，所述第N功率放大器与第N定向耦合器、第N+1功率放大器与第N+1定向耦合器之间分别设有环形器，所述环形器第一端接功率放大器输出侧，第二端接定向耦合器输入侧，第三端保持开路。

进一步的，所述前N-1个独立信号源连接的功率放大器输出功率小于第N功率放大器的驻波耐受能力。

进一步的，所述第N功率放大器与第N+1功率放大器为相同宽带功率放大器，且工作带宽大于前N-1个独立信号源连接的功率放大器工作带宽。

本发明第二方面提出了一种基于上述的宽带大功率多频放大系统的工作方法，包括：

前N-1个独立信号源输出信号f1~fn-1分别经过功率放大器放大后，通过隔离器单向传输后分别输入到N通道的多工器的N个输入端，由多工器完成频率合成和阻抗匹配后得到信号f1+f2+…+fn-1并输出到第二电桥的端口3；

第N个独立信号源输出信号fn至第一电桥端口1，第一电桥将信号分为等幅值的两部分，并在端口3输出相位滞后90°、幅度减小一半的信号fn´，端口4输出幅度减小一半的信号fn´´；第一电桥端口3输出的信号fn´经过功率放大器放大后输入到第二电桥端口1，第一电桥端口4输出的信号fn´´经过功率放大器放大后输入到第二电桥端口2；

第二电桥在端口4合成输出相位滞后90°的信号fn，第二电桥端口3进入信号f1+f2+…+fn-1后，在端口1和端口2分别形成滞后90°和0°的等幅信号，经过功率放大器输出端反射，在端口4形成滞后90°的信号f1+f2+…+fn-1，此时，第二电桥端口4输出信号f1+f2+…+fn，完成多频信号的合成。

进一步的，所述隔离器输出端、第二电桥端口1、第二电桥端口2和第二电桥端口4处均设有定向耦合器，通过定向耦合器的直通端口完成信号传输，通过定向耦合器的正、方向耦合端口，对通道中的正、反向信号进行采样，传输到检测系统中对设备的工作状态进行监控，在发生异常反射时，发出警报。

与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：本发明可以灵活地对宽带信号和窄带信号进行合成，总输出功率可上百瓦，交调无恶化，峰峰值耐受高、效率高，支持连续波和脉冲模式，且内部包含隔离器和信号反射检测电路，合成的过程相互隔离且实时监控，可靠性高，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明提出的宽带大功率多频放大系统示意图。

图2为本发明一实施例中三信号源宽带大功率多频放大系统示意图。

图3为本发明一实施例中功率放大器示意图。

图4为本发明一实施例中双工器示意图。

图5（a）和图5（b）为本发明一实施例中电桥功分和合成示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

针对现有技术中宽带大功率、多个频段同时放大时交调恶化、峰值耐受低、效率低、不能无缝覆盖等问题，请参考图1，本发明实施例提出了一种宽带大功率多频放大系统，包括N个独立信号源（S1~Sn）、N+1个功率放大器（A1~An+1）、N+1个定向耦合器（C1~Cn+1）、N-1个隔离器（G1~Gn-1）、第一电桥H1、第二电桥H2以及N通道的多工器D，其中，前N-1个独立信号源（S1~Sn-1）分别依次经独立的功率放大器（A1~An-1）、隔离器（G1~Gn-1）、定向耦合器（C1~Cn-1）后连接至多工器的N个输入端；第N个独立信号源（Sn）接至第一电桥H1端口1，第一电桥H1端口3依次经第N功率放大器（An）、第N定向耦合器（Cn）接至第二电桥H2端口1，第一电桥H1端口4依次经独立的第N+1功率放大器（An+1）、第N+1定向耦合器（Cn+1）接至第二电桥H2端口2，第一电桥H1端口2经电阻R1接地；第二电桥H2端口3与多工器D输出端连接，第二电桥H2端口4通过第N+2定向耦合器（Cn+2）完成输出；所述第一电桥H1与第二电桥H2均为90°电桥。

本实施例中，前N-1个电路是窄带电路，第N个电路是宽带电路；前N-1个电路中，放大整个链路上的器件带宽，如放大器A1~An-1（受输入匹配电路IMN和输出匹配电路OMN影响）、隔离器G1~Gn-1、多工器D的带宽；第N个电路中，放大电路整个链路上的器件带宽，如放大器An~An+1、环形器E1~E2、电桥H2的带宽。

下面以独立信号源数量N=3的实际场景对该系统进行进一步阐述。

请参考图2，在该系统中，包括独立信号源S1、S2、S3，信号源输出可以时连续波或脉冲，任意信号均不影响多频合成的效果。本实施例中，三个独立信号源发射f1、f2、f3三种独立频率的信号，信号源之间不需要任何同步。信号f1和f2分别进入到功率放大器A1和A2；信号f3进入90°电桥H1（第一电桥），分为相位差为90°的两路信号，再进入对应的功率放大器A3、A4进行放大。

具体的，功率放大器A1~A4结构相同，请参考图3，该功率放大器包括输入匹配电路IMN、输出匹配电路OMN以及功率管Q1，其中，端口1为输入端，端口2为输出端，端口3为栅极馈电，端口4为漏极馈电。输入端经输入匹配电路IMN接至功率管Q1栅极，功率管Q1漏极经输出匹配电路接至输出点，功率管Q1源极接地，漏极馈电和栅极馈电则分别对接至功率管Q1的漏极和栅极。

在一个实施例中，功率放大器A1、A2为为窄带或者宽带功率放大器，且工作频率不同；功率放大器A3、A4为完全相同的宽带功率放大器，且工作带宽比功率放大器A1、A2更宽。

对于信号f1、f2，在经过功率放大器放大后，分别进入隔离器G1和G2，经隔离器输出至双工器D1的输入端口1和输入端口2，经双工器频率合成为信号f1+f2后输入到电桥H2的端口3。

其中，隔离器G1和G2用于保证信号为单向传输，经放大后的信号f1、f2以极小损耗通过隔离器，反射回来的信号会被大幅衰减，起到保护功率放大器的作用。

双工器D1包含两个独立的滤波网络，分别针对信号f1和信号f2频段进行滤波，仅公国对应频率的信号，具体的，请参考图4，该双工器包括f1滤波电路、f2滤波电路和匹配电路，f1滤波电路主要工作在f1频段，滤除f1之外的信号；f2滤波电路主要工作在f2频段，滤除f2之外的信号；匹配电路的主要作用是将两个滤波电路合并后的信号阻抗匹配至系统阻抗。

对于信号f3，在经过电桥H1分为相位差为90°的两路信号，再进入对应的功率放大器A3、A4进行放大，其中，功率放大器A3输出的信号接至电桥H2的端口1，功率放大器A4输出的信号接至电桥H2的端口2。

请参考图5（a）~图5（b），分别展示了电桥的功分与合成特性示意图。本实施例中，对于电桥H1，其主要用于功分，为便于分析，将电桥H1端口1输入的信号f3信号相位归一化为0°，由于H1的固有特性，信号会为分成等幅值的两部分，即在端口3获得相位滞后90°、幅度减小一半的信号f3´，端口4获得相位为0°、幅度减小一半的信号f3´´。两路信号f3´、f3´´经过功率放大器后，分别输入到电桥H2的端口1和端口2，根据电桥H2特性，将在电桥H2端口4合成输出相位滞后90°的信号f3；双工器D1端口3输出的信号f1+f2输入到电桥H2的端口3，而后在电桥的端口1和2分别形成滞后90°和0°的等幅信号，经过功率放大器A3和A4输出端反射后，又在电桥H2的端口4合成滞后90°的信号f1+f2，此时电桥H2的端口4输出了f1+f2+f3信号，完成了多频信号的合成。

由于f1和f2的合成、f1+f2与f3的合成在各个信号之间均无互相依赖，且由无源电路完成，不会产生交调失真，因此理论上可以完成电桥H2能够覆盖的任意频率信号合成。

在一个实施例中，在隔离器与双工器之间还设有定向耦合器C1、C2，在功率放大器A3与电桥H2端口1之间还设有定向耦合C3，在功率放大器A4与电桥H2端口2之间还设有定向耦合器C4，在电桥H2端口2处还设有定向耦合器C5。

其中，定向耦合器C1~C5结构相同，均包括直通端口1和直通端口2，正向耦合端口3和方向耦合端口4，其中，直通端口1和直通端口2分别作为输入输出端，以极小损耗通过信号；正向耦合端口3和方向耦合端口4则与检测系统连接，用于对通道中的正、反向信号进行采样，并传输到检测系统中，完成对工作状态的监控，若发生较大的反射，可以及时进行处理。

在实际应用中，只需要将信号f1、f2通道的工作带宽配置为小于信号f3通道的带宽，功率放大器A1和A2的输出功率小于功率放大器A3的驻波耐受能力，便能实现任意频率的合成。如果要增加合成频率数量，可以将双工器变为多工器。

在一个实施例中，如果要增加合成功率，可以采用负载开路的环形器，实现更大功率的合成，请参考图1，在功率放大器An与定向耦合器Cn之间、在功率放大器An+1与定向耦合器Cn+1之间分别设置了环形器E1和环形器E2。其中，多工器完成信号f1~fn-1的合成，最终再和宽带通道的信号fn进行合成，已完成f1~fn的信号合成。

环形器E1和环形器E2结构相同，均包括第一端口1、第二端口2、第三端口3，每一端的输出为下一端的输入，本实施例中，第一端口1和第二端口2分别作为输入端和输出端，第三端口保持开路，此时信号fn可以冲第一端口1无损地输入到第二端口2，但由于第三端口3开路，信号f1~fn-1从第二端口2到第三端口3后，无法到达第一端口1，信号又会返回到电桥H2进行合成。合成信号的功率大小不再取决于功率放大器的耐反射能力，而是取决于环形器E1和E2的功率容量，因此可以较大地扩展多频架构的功率容量。

实施例2

本实施例提出了一种基于实施例1所述的宽带大功率多频放大系统的工作方法，包括：

前N-1个独立信号源输出信号f1~fn-1分别经过功率放大器放大后，通过隔离器单向传输后分别输入到N通道的多工器的N个输入端，由多工器完成频率合成和阻抗匹配后得到信号f1+f2+…+fn-1并输出到第二电桥的端口3；

第N个独立信号源输出信号fn至第一电桥端口1，第一电桥将信号分为等幅值的两部分，并在端口3输出相位滞后90°、幅度减小一半的信号fn´，端口4输出幅度减小一半的信号fn´´；第一电桥端口3输出的信号fn´经过功率放大器放大后输入到第二电桥端口1，第一电桥端口4输出的信号fn´´经过功率放大器放大后输入到第二电桥端口2；

第二电桥在端口4合成输出相位滞后90°的信号fn，第二电桥端口3进入信号f1+f2+…+fn-1后，在端口1和端口2分别形成滞后90°和0°的等幅信号，经过功率放大器输出端反射，在端口4形成滞后90°的信号f1+f2+…+fn-1，此时，第二电桥端口4输出信号f1+f2+…+fn，完成多频信号的合成。

本实施例中，所述隔离器输出端、第二电桥端口1、第二电桥端口2和第二电桥端口4处均设有定向耦合器，通过定向耦合器的直通端口完成信号传输，通过定向耦合器的正、方向耦合端口，对通道中的正、反向信号进行采样，传输到检测系统中对设备的工作状态进行监控，在发生异常反射时（在一个实施例中，发生较大反射即为异常反射），发出警报。

本发明用于宽带大功率微波多个异频信号的放大，由于采用了无源的合成混合方式，多个异频信号之间的比例、信号样式不受限制，可极大地降低雷达、通信、电子战、测试系统等设备的复杂度和成本。其内部采用宽带支持大瞬时带宽需求，窄带支持高效率的需求，两种方式相结合，可在倍频层上输出百瓦量级的功率。内部双工器和电桥的隔离功能使合成的多路信号之间独立而互不干扰，使其支持不同频率的任意样式信号合成；还可以采用多工器和环形器进一步拓展架构的合成频率数量、功率容量。

需要说明的是，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。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；实施例中的附图用以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。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种宽带大功率多频放大系统，其特征在于，包括N个独立信号源、N+1个功率放大器、N+1个定向耦合器、N-1个隔离器、第一电桥、第二电桥以及N-1通道的多工器，其中，

前N-1个独立信号源分别依次经独立的功率放大器、隔离器、定向耦合器后连接至多工器的N-1个输入端；

第N个独立信号源接至第一电桥端口1，第一电桥端口3依次经第N功率放大器、第N定向耦合器接至第二电桥端口1，第一电桥端口4依次经独立的第N+1功率放大器、第N+1定向耦合器接至第二电桥端口2，第一电桥端口2经电阻接地；第二电桥端口3与多工器输出端连接，第二电桥端口4完成输出；所述第一电桥与第二电桥均为90°电桥；

所述前N-1个独立信号源连接的功率放大器输出功率小于第N功率放大器的驻波耐受能力；所述第N功率放大器与第N+1功率放大器为相同宽带功率放大器，且工作带宽大于前N-1个独立信号源连接的功率放大器工作带宽。

2.根据权利要求1所述的宽带大功率多频放大系统，其特征在于，还包括第N+2定向耦合器，所述第二电桥端口4经第N+2定向耦合器后输出。

3.根据权利要求1所述的宽带大功率多频放大系统，其特征在于，所有功率放大器结构相同，包括：输入匹配电路、功率管、输出匹配电路，功率放大器输入端经输入匹配电路接至功率管栅极，功率管漏极经输出匹配电路接至功率放大器输出端，功率管源极接地；同时功率管栅极和漏极分别接栅极、漏极馈电。

4.根据权利要求1所述的宽带大功率多频放大系统，其特征在于，所有隔离器为单向隔离器，正向端输入端与功率放大器输出端连接。

5.根据权利要求1所述的宽带大功率多频放大系统，其特征在于，所有定向耦合器包括直通端口1和直通端口2，正向耦合端口3和方向耦合端口4，所述直通端口1和直通端口2完成信号传输；所述正向耦合端口3和方向耦合端口4接至外部检测系统用于对通道中的正、反向信号进行采样监控。

6.根据权利要求1所述的宽带大功率多频放大系统，其特征在于，所述多工器由N-1个滤波电路和匹配电路组成，N-1个滤波电路分别对N-1个输入的信号进行滤波，滤波后输入到匹配电路；匹配电路完成N-1路信号频率合成，并将阻抗匹配至系统阻抗。

7.根据权利要求1所述的宽带大功率多频放大系统，其特征在于，所述第N功率放大器与第N定向耦合器、第N+1功率放大器与第N+1定向耦合器之间分别设有环形器，所述环形器第一端接功率放大器输出侧，第二端接定向耦合器输入侧，第三端保持开路。

8.一种基于权利要求1-7任一项所述的宽带大功率多频放大系统的工作方法，其特征在于，包括：

前N-1个独立信号源输出信号f1~fn-1分别经过功率放大器放大后，通过隔离器单向传输后分别输入到N-1通道的多工器的N-1个输入端，由多工器完成频率合成和阻抗匹配后得到信号f1+f2+…+fn-1并输出到第二电桥的端口3；

第N个独立信号源输出信号fn至第一电桥端口1，第一电桥将信号分为等幅值的两部分，并在端口3输出相位滞后90°、幅度减小一半的信号fn´，端口4输出幅度减小一半的信号fn´´；第一电桥端口3输出的信号fn´经过功率放大器放大后输入到第二电桥端口1，第一电桥端口4输出的信号fn´´经过功率放大器放大后输入到第二电桥端口2；

第二电桥在端口4合成输出相位滞后90°的信号fn，第二电桥端口3进入信号f1+f2+…+fn-1后，在端口1和端口2分别形成滞后90°和0°的等幅信号，经过功率放大器输出端反射，在端口4形成滞后90°的信号f1+f2+…+fn-1，此时，第二电桥端口4输出信号f1+f2+…+fn，完成多频信号的合成。

9.根据权利要求8所述的工作方法，其特征在于，所述隔离器输出端、第二电桥端口1、第二电桥端口2和第二电桥端口4处均设有定向耦合器，通过定向耦合器的直通端口完成信号传输，通过定向耦合器的正、方向耦合端口，对通道中的正、反向信号进行采样，传输到检测系统中对设备的工作状态进行监控，在发生异常反射时，发出警报。