CN117728141B - 一种传输线制功率合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传输线制功率合成方法，将多个单极合成器进行多级级联，使得第一级单极合成器的输入端连接的射频模块的功率经过多级级联放大；单极合成器的输入端分别连接两个相同功率的射频模块，这两个射频模块分别连接两条不同的阻抗传输线的一端，两条阻抗传输线的另一端汇集形成单极合成器的输出端；单极合成器的多级级联结构为：第一级的单极合成器的输入端连接射频模块，两个第一级的单极合成器的输出端连接第二级的单极合成器的输入端，两个第二级的单极合成器的输出端连接第三级的单极合成器的输入端，……，两个第n‑1级的单极合成器的输出端连接第n级的单极合成器的输入端，第n级的单极合成器的输出端为功率合成器的输出端。

Description

一种传输线制功率合成方法

技术领域

本发明涉及射频电源技术领域，更具体地说，是涉及一种传输线制功率合成方法。

背景技术

射频电源的功率合成器是一种将多个高频晶体管产生的功率在公共负载上相加的设备，其组成包括多个相同的功率放大器、混合电路以及公共负载。功率放大器通过混合电路使输出功率在公共负载上叠加起来，实现总输出功率的增加。射频电源的功率合成器在许多领域，如通信、雷达、电子战和射电天文学中都有广泛应用。

传统的功率合成器设计通常需要针对特定应用进行定制，因为不同的工作频率、输出功率和系统需求都需要不同的组件和电路配置，这导致了设计过程可能非常耗时，需要经过多次试验和调整，以确保最终的合成器能够满足性能要求。随着对更高输出功率和更宽工作频率范围的需求增加，功率合成器的设计也变得越来越复杂，这不仅增加了设计的难度和时间成本，也可能导致更高的制造成本和更低的系统可靠性。因此，设计一个高效的、满足特定需求的功率合成器是一项复杂且耗时的任务。

对于大功率射频电源的功率合成器来说，往往需要根据特定的使用场合进行设计，定制性较高，尽管存在一些通用的功率合成器的设计方法，但对于大功率的射频电源而言，其要求的时间仍较长。

发明内容

为了克服现有技术设计大功率射频电源功率合成器的耗时长的不足，本发明提供一种传输线制功率合成方法，利用特定长度的阻抗传输线，将多个射频模块经过以阻抗传输线构成的功率合成器实现多级级联，令射频模块的功率放大，令最终的输出功率为射频模块的功率的合成，从而完成功率合成器的制作，该方式简单、方便、快捷，并且能够减少制造功率合成器的成本。

本发明技术方案如下所述：

一种传输线制功率合成方法，将多个单极合成器进行多级级联，使得第一级单极合成器的输入端连接的射频模块的功率经过多级级联放大；

单极合成器的输入端分别连接两个相同功率的射频模块，这两个射频模块分别连接两条不同的阻抗传输线的一端，两条阻抗传输线的另一端汇集形成单极合成器的输出端；

单极合成器的多级级联结构为：第一级的单极合成器的输入端连接射频模块，两个第一级的单极合成器的输出端连接第二级的单极合成器的输入端，两个第二级的单极合成器的输出端连接第三级的单极合成器的输入端，……，两个第n-1级的单极合成器的输出端连接第n级的单极合成器的输入端，第n级的单极合成器的输出端为功率合成器的输出端。

上述的一种传输线制功率合成方法，单极合成器包括第一射频模块、第二射频模块、输出模块及合成模块，第一射频模块的一端接地，第一射频模块的另一端分别连接第一阻抗传输线的一端与合成模块的一端，第二射频模块的一端接地，第二射频模块的另一端分别连接合成模块的另一端与第二阻抗传输线的一端，第一阻抗传输线的另一端与第二阻抗传输线的另一端均连接输出模块的一端，输出模块的另一端接地。

进一步的，第一阻抗传输线与第二阻抗传输线均为带阻抗的同轴线缆。

进一步的，上一级的单极合成器的两条阻抗传输线交汇后分别连接下一级的单极合成器的第一阻抗传输线的一端与下一级单极合成器的合成模块的一端，上一级的另一个单极合成器的两条阻抗传输线交汇后分别连接第二阻抗传输线的另一端与下一级单极合成器的合成模块的另一端，……，最后一级的单极合成器的两条阻抗传输线交汇后连接输出阻抗后接地。

进一步的，合成模块为电阻，设置在以阻抗传输线形成的功率合成器的两端，以起到平衡电阻的作用，合成模块的电阻值为上一级单极合成器的输出阻抗的两倍。

进一步的，本级的输出阻抗等于合成模块的电阻值的平方除以本级的单极合成器的输入阻抗。

上述的一种传输线制功率合成方法，阻抗传输线的线长为与其连接的射频模块的射频信号的波长的四分之一。

上述的一种传输线制功率合成方法，连接同一个下一级单极合成器的两个单极合成器的输出阻抗、功率及相位相等，二者连接的下一级的单极合成器的输出功率为二者的输出功率的总和。

上述的一种传输线制功率合成方法，后一级的阻抗传输线的承载功率大于前一级的阻抗传输线的承载功率。

上述的一种传输线制功率合成方法，第一级的单极合成器的阻抗与射频电源的功率放大器的输出阻抗相同。

根据上述方案的本发明，其有益效果在于，

1.使得射频电源的功率合成器的设计周期缩短，开发成本降低。

2.使用材料为现有的同轴线缆即可，不需要复杂的混合电路、公共负载等其他组件，能够手动完成，对于非标、特殊设计、特定场合使用的射频电源能够快速制造生成其所用的功率合成器。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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例，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为单极合成器的结构示意图。

图2为本发明实施例的结构示意图。

图3为图2的局部放大图一。

图4为图2的局部放大图二。

图5为图2的局部放大图三。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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。

一种传输线制功率合成方法，将多个单极合成器进行多级级联，使得第一级单极合成器的输入端连接的射频模块的功率经过多级级联放大。

单极合成器的输入端分别连接两个相同功率的射频模块，这两个射频模块分别连接两条不同的阻抗传输线的一端，两条阻抗传输线的另一端汇集形成单极合成器的输出端。

单极合成器的多级级联结构为：第一级的单极合成器的输入端连接射频模块，两个第一级的单极合成器的输出端连接第二级的单极合成器的输入端，两个第二级的单极合成器的输出端连接第三级的单极合成器的输入端，……，两个第n-1级的单极合成器的输出端连接第n级的单极合成器的输入端，第n级的单极合成器的输出端为功率合成器的输出端。

如图1所示，单极合成器包括第一射频模块Z001、第二射频模块Z002、输出模块Z004及合成模块Z003，第一射频模块的一端接地，第一射频模块的另一端分别连接第一阻抗传输线C001的一端与合成模块的一端，第二射频模块的一端接地，第二射频模块的另一端分别连接合成模块的另一端与第二阻抗传输线C002的一端，第一阻抗传输线的另一端与第二阻抗传输线的另一端均连接输出模块的一端，输出模块的另一端接地。

第一射频模块与第二射频模块为相同功率的射频模块，作为多级级联的底层结构，射频模块为射频电源的功率放大器，通过多级的单极合成器的级联，使得这些功率放大器的输出功率进行合成，最终在最后一级的单极合成器输出合成功率，起到功率合成的技术效果。

对于单极合成器而言，第一射频模块与第二射频模块均为输入的射频模块，二者连接单极合成器的输入端。合成模块设置在以阻抗传输线形成的功率合成器的两端，以起到平衡电阻的作用。输出模块则是经过功率合成的最终功率的输出单元，可为任意电气功能模块。

在本实施例中，如图2-图5所示，将电源的功率放大器进行三级级联，将一共16个功率放大器进行功率合成，将750W的功率合成至12kW的输出功率。阻抗传输线采用带阻抗的同轴线缆，后一级的同轴线缆因承载更大的功率，在使用同一阻抗标准的情况下，后一级的同轴线缆的直径大于前一级的同轴线缆的直径。

第一功率放大器Z01的一端接地，第一功率放大器的另一端分别连接第一同轴线缆C01的一端与第三阻抗Z03的一端，第二功率放大器Z02的一端接地，第二功率放大器Z02的另一端分别连接第二同轴线缆C02的一端与第三阻抗Z03的另一端，第一同轴线缆C01的另一端与第二同轴线缆C02的另一端均分别连接第九同轴线缆C09的一端与第十三阻抗Z13的一端。

第四功率放大器Z04的一端接地，第四功率放大器Z04的另一端分别连接第六阻抗Z06的一端与第三同轴线缆C03的一端，第五功率放大器Z05的一端接地，第五功率放大器Z05的另一端分别连接第六阻抗Z06的另一端与第四同轴线缆C04的一端，第三同轴线缆C03的另一端与第四同轴线缆C04的另一端均分别连接第十三阻抗Z13的另一端与第十同轴线缆C10的一端。

第七功率放大器Z07的一端接地，第七功率放大器Z07的另一端分别连接第九阻抗Z09的一端与第五同轴线缆C05的一端，第八功率放大器Z08的一端接地，第八功率放大器Z08的另一端分别连接第九阻抗Z09的另一端与第六同轴线缆C06的一端，第五同轴线缆C05的另一端与第六同轴线缆C06的另一端均分别连接第十四阻抗Z14的一端与第十一同轴线缆C11的一端。

第十功率放大器Z10的一端接地，第十功率放大器Z10的另一端分别连接第十二阻抗Z12的一端与第七同轴线缆C07的一端，第十一功率放大器Z11的一端接地，第十一功率放大器Z11的另一端分别连接第十二阻抗Z12的另一端与第八同轴线缆C08的一端，第七同轴线缆C07的另一端与第八同轴线缆C08的另一端均分别连接第十四阻抗Z14的另一端与第十二同轴线缆C12的一端。

第九同轴线缆C09的另一端与第十同轴线缆C10的另一端均分别连接第十五阻抗Z15的一端与第十三同轴线缆C13的一端，第十一同轴线缆C11的另一端与第十二同轴线缆C12的另一端均分别连接第十四同轴线缆C14的一端与第十五阻抗Z15的另一端，第十三同轴线缆C13的另一端与第十四同轴线缆C14的另一端均分别连接第三十一阻抗Z31的一端与第二十九同轴线缆C29的一端。

第十六功率放大器Z16的另一端接地，第十六功率放大器Z16的一端分别连接第十五同轴线缆C15的另一端与第十八阻抗Z18的一端，第十七功率放大器Z17的另一端接地，第十七功率放大器Z17的一端分别连接第十六同轴线缆C16的另一端与第十八阻抗Z18的另一端，第十五同轴线缆C15的一端与第十六同轴线缆C16的一端均分别连接第二十三同轴线缆C23的另一端与第二十八阻抗Z28的一端。

第十九功率放大器Z19的另一端接地，第十九功率放大器Z19的一端分别连接第二十一阻抗Z21的一端与第十七同轴线缆C17的另一端，第二十功率放大器Z20的另一端接地，第二十功率放大器Z20的一端分别连接第二十一阻抗Z21的另一端与第十八同轴线缆C18的另一端，第十七同轴线缆C17的一端与第十八同轴线缆C18的一端均分别连接第二十八阻抗Z28的另一端与第二十四同轴线缆C24的另一端。

第二十二功率放大器Z22的另一端接地，第二十二功率放大器Z22的一端分别连接第二十四阻抗Z24的一端与第十九同轴线缆C19的另一端，第二十三功率放大器Z23的另一端接地，第二十三功率放大器Z23的一端分别连接二十四九阻抗Z24的另一端与第二十同轴线缆C20的另一端，第十九同轴线缆C19的一端与第二十同轴线缆C20的一端均分别连接第二十九阻抗Z29的一端与第二十五同轴线缆C25的另一端。

第二十五功率放大器Z25的另一端接地，第二十五功率放大器Z25的一端分别连接第二十七阻抗Z27的一端与第二十一同轴线缆C21的另一端，第二十六功率放大器Z26的另一端接地，第二十六功率放大器Z26的一端分别连接第二十七阻抗Z27的另一端与第二十二同轴线缆C22的另一端，第二十一同轴线缆C21的一端与第二十二同轴线缆C22的一端均分别连接第二十九阻抗Z29的另一端与第二十六同轴线缆C26的另一端。

第二十三同轴线缆C23的一端与第二十四同轴线缆C24的一端均分别连接第三十阻抗Z30的一端与第二十七同轴线缆C27的另一端，第二十五同轴线缆C25的一端与第二十六同轴线缆C26的一端均分别连接第二十八同轴线缆C28的另一端与第三十阻抗Z30的另一端，第二十七同轴线缆C27的一端与第二十八同轴线缆C28的一端均分别连接第三十一阻抗Z31的另一端与第三十同轴线缆C30的一端。

第二十九同轴线缆C29的另一端与第三十同轴线缆C30的另一端均连接第三十二输出负载Z32的一端，第三十二输出负载Z32的另一端接地。

上一级的单极合成器的两条阻抗传输线交汇后分别连接下一级的单极合成器的第一阻抗传输线的一端与下一级单极合成器的合成模块的一端，上一级的另一个单极合成器的两条阻抗传输线交汇后分别连接第二阻抗传输线的另一端与下一级单极合成器的合成模块的另一端，……，最后一级的单极合成器的两条阻抗传输线交汇后连接输出阻抗后接地。

在本实施例中，合成模块为电阻，如第三阻抗、第六阻抗等，其电阻值为上一级单极合成器的输出阻抗的两倍，如第三阻抗的电阻值为第一功率放大器的阻抗的两倍，第十三阻抗的电阻值为包括第三阻抗的单极合成器的整体阻抗的两倍。

在本实施例中，阻抗传输线为带有阻抗的同轴线缆，通常情况为五十欧姆，也有七十五欧姆、一百五十欧姆，甚至出现二欧姆的情况，对此不做任何要求，在进行功率合成器的制备时，完全可以取决于现有库存即可。

在计算使用多少级级联时，先根据需求确定最终的输出阻抗的大小，如本实施例中的第三十二阻抗的大小，然后根据现有同轴线缆的阻抗逆向决定需要多少级联。合成模块的电阻值大小为上一级单极合成器输出阻抗的两倍，相当于本级的单极合成器的输入阻抗的两倍，本级的输出阻抗等于合成模块的电阻值的平方除以本级的单极合成器的输入阻抗。逆推运算中，本级的输出阻抗可知，通过合成模块的电阻值与上一级单极合成器的输出阻抗的关系，得出上一级单极合成器的输出阻抗的大小。由于输出阻抗取决于现有的同轴线缆，因此阻抗传输线(即同轴线缆)的阻抗确定，单极合成器的结构确定，因此，上一级的输入阻抗依然可以用同样的方法进行计算得出。最终，令第一级的输入阻抗与功率放大器的输出阻抗一致即可。

连接同一个下一级单极合成器的两个单极合成器的输出阻抗、功率及相位相等，二者连接的下一级的单极合成器的输出功率为二者的输出功率的总和，在此前提下，上述计算方式可行。

优选的，阻抗传输线的阻抗等于上一级单极合成器的输出阻抗与下一级单极合成器的输出阻抗的乘积的一半。后一级的阻抗传输线的承载功率大于前一级的阻抗传输线的承载功率，尽管阻抗传输线的阻抗一致，波长一致，但后一级的所需要的承载的功率较大，因此，因此，后一级的同轴线缆的直径要大于前一级的同轴线缆的直径。

阻抗传输线的线长为与其连接的射频模块的射频信号的波长的四分之一，这个条件是实现传输线制功率合成的重要因素之一。在射频和微波频率下，信号的波长非常短，因此传输线的长度会对信号的传输产生重要影响，当传输线的长度为信号波长的四分之一时，传输线的阻抗与信号的特性阻抗相匹配，可以减少信号在传输过程中的反射和能量损失，提高信号的传输效率和稳定性。在功率合成中，阻抗传输线的线长为射频信号波长的四分之一可以确保信号在传输过程中能量损失最小，并且可以保证多个单极合成器的输出信号能够有效地叠加在一起，实现总输出功率的增加。因此，阻抗传输线的线长为与其连接的射频模块的射频信号的波长的四分之一，可以提高传输线制功率合成的效率、稳定性和可靠性，缩短设计周期并降低开发成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种传输线制功率合成方法，其特征在于，将多个单极合成器进行多级级联，使得第一级单极合成器的输入端连接的射频模块的功率经过多级级联放大，射频模块为射频电源的功率放大器；

每一个第一级单极合成器的两个输入端对应连接两个相同功率的射频模块，这两个射频模块分别连接两条不同的阻抗传输线的一端，两条阻抗传输线的另一端汇集形成第一级单极合成器的输出端；

单极合成器的多级级联结构为：第一级的单极合成器的输入端连接射频模块，两个第一级的单极合成器的输出端连接第二级的单极合成器的输入端，两个第二级的单极合成器的输出端连接第三级的单极合成器的输入端，……，两个第n-1级的单极合成器的输出端连接第n级的单极合成器的输入端，第n级的单极合成器的输出端为功率合成器的输出端；

两个相同功率的射频模块分别为第一射频模块与第二射频模块，每一个单极合成器均包括第一阻抗传输线、第二阻抗传输线及合成模块；

第一射频模块的一端接地，第一射频模块的另一端分别连接第一级单极合成器的第一阻抗传输线的一端与第一级单极合成器的合成模块的一端，第二射频模块的一端接地，第二射频模块的另一端分别连接第一级单极合成器的合成模块的另一端与第一级单极合成器的第二阻抗传输线的一端；

上一级的单极合成器的两条阻抗传输线交汇后分别连接下一级的单极合成器的第一阻抗传输线的一端与下一级单极合成器的合成模块的一端，上一级的另一个单极合成器的两条阻抗传输线交汇后分别连接下一级的单极合成器的第二阻抗传输线的一端与下一级单极合成器的合成模块的另一端，最后一级的单极合成器的两条阻抗传输线交汇后连接输出阻抗后接地；

第一阻抗传输线与第二阻抗传输线均为带阻抗的同轴线缆；

合成模块为电阻，起到平衡电阻的作用，合成模块的电阻值为上一级单极合成器的输出阻抗的两倍；

本级的输出阻抗等于合成模块的电阻值的平方除以本级的单极合成器的输入阻抗；

阻抗传输线的线长为与其连接的射频模块的射频信号的波长的四分之一。

2.根据权利要求1中所述的一种传输线制功率合成方法，其特征在于，连接同一个下一级单极合成器的两个单极合成器的输出阻抗、功率及相位相等，二者连接的下一级的单极合成器的输出功率为二者的输出功率的总和。

3.根据权利要求1中所述的一种传输线制功率合成方法，其特征在于，后一级的阻抗传输线的承载功率大于前一级的阻抗传输线的承载功率。