CN211455920U - 功率合成器、发射机和通信系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种功率合成器、发射机和通信系统，其中一种功率合成器，包括：印制电路板，印制电路板具有变压器安装窗口、第一表面和相对于第一表面的第二表面；变压器安装窗口贯穿第一表面和第二表面；用于分别连接信号输入端和信号输出端的传输线变压器，传输线变压器对应变压器安装窗口设置，并通过变压器安装窗口暴露。本申请可采用1级合成的方式实现功率合成，并增大传输线变压器的散热面积，增强功率放大器的散热性能，进而可减小功率合成器的体积，并使得功率合成器可承受千瓦级别以上的工作功率，在进行大功率合成的同时，完成功率合成器的小型化设计。

Description

功率合成器、发射机和通信系统

技术领域

本申请涉及通信技术领域，特别是涉及一种功率合成器、发射机和通信系统。

背景技术

随着通信领域和雷达领域对于功率的要求越来越高，大功率固态器件的工作频率以及所能达到的功率也越来越高，但受到半导体的物理特性的影响，单个固态器件的输出功率仍然是有限的。采用功率合成技术将多路固态器件输出功率进行叠加，是获得更高输出功率的有效途径之一。

目前，现有技术包括数字合成和模拟合成两种类型的功率合成方法，其中，模拟合成具有接收信号无失真、可共用的特点，因此具有重要的使用价值。而在模拟合成中，同相功率合成器是构成合成网络的重要组成部分，其多为无源网络结构。

功率合成器能够满足多路功率相加的条件，同时各路之间的端口都能达到一定的隔离条件。按照实现方式不同，可以有对绞线变压合成、微带耦合合成、波导腔体合成等功率合成器。由传输线变压器构成的混合网络可以有效提高的功率合成器性能指标。

传统技术中，常采用Wilkinson(威尔金森)功率合成器。Wilkinson功率合成器为一种通过传输线实现的N路功率合成器，具有结构简单、易于实现的优点。为拓宽Wilkinson功率合成器的工作带宽，多采用多节传输结构。

然而，在实现过程中，发明人发现传统技术中至少存在如下问题：对于短波频段而言，传统的大功率合成器在实现大功率合成时，存在体积大的问题。

实用新型内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够在实现大功率合成的同时，体积小的功率合成器、发射机和通信系统。

为了实现上述目的，本申请实施例提供了一种功率合成器，包括：

印制电路板，印制电路板具有变压器安装窗口、第一表面和相对于第一表面的第二表面；变压器安装窗口贯穿第一表面和第二表面；

用于分别连接信号输入端和信号输出端的传输线变压器，传输线变压器对应变压器安装窗口设置，并通过变压器安装窗口暴露。

在其中一个实施例中，传输线变压器从第一表面突出，且传输线变压器的至少一部分穿过变压器安装窗口、从第二表面突出。

在其中一个实施例中，传输线变压器的数量为至少两个；各传输线变压器紧密排布。

在其中一个实施例中，传输线变压器还包括磁芯和传输线；

传输线缠绕在磁芯上；传输线的第一端连接信号输入端，第二端连接信号输出端。

在其中一个实施例中，传输线为射频线缆。

在其中一个实施例中，传输线变压器的数量为8个。

在其中一个实施例中，功率合成器还包括支撑结构；支撑结构固定安装于印制电路板上；

当支撑结构设于支撑平面上时，传输线变压器和支撑平面形成有架空区域。

在其中一个实施例中，传输线变压器为变压比9:1的传输线变压器。

本申请实施例提供了一种发射机，包括上述任一实施例中的功率合成器。

本申请实施例提供了通信系统，包括上述任一实施例中的发射机。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：

功率合成器包括印制电路板和传输线变压器，印制电路板具有第一表面、第二表面和贯穿第一表面、第二表面的变压器安装窗口，传输线变压器对应变压器安装窗口设置，并通过变压器安装窗口暴露，从而可采用1级合成的方式实现功率合成，并增大传输线变压器的散热面积，增强功率放大器的散热性能，进而可减小功率合成器的体积，并使得功率合成器可承受千瓦级别以上的工作功率，在进行大功率合成的同时，完成功率合成器的小型化设计。

附图说明

通过附图中所示的本申请的优选实施例的更具体说明，本申请的上述及其它目的、特征和优势将变得更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，且并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本申请的主旨。

图1为一个2路Wilkinson功率合成器的典型电路图；

图2为一个实施例中功率合成器的组合示意图；

图3为一个实施例中功率合成器的第一主视图；

图4为一个实施例中功率合成器的第二主视图；

图5为一个实施例中功率合成器的第三主视图；

图6为一个实施例中2路功率合成器的电路图；

图7为一个实施例中8路功率合成器的设计框图；

图8为一个实施例中8路功率合成器的电路图；

图9为一个实施例中8路功率合成器的PCB设计图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的首选实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“安装”、“设置”、“设于”、“一端”、“另一端”、“第一端”、“第二端”、“第三端”、“第四端”、“第一表面”、“第二表面”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

功率合成，是指将多个功率放大器的输出通过一些网络直接合成来增加输出功率的器件或方法。请参阅图1，图1示出了2路Wilkinson功率合成器的典型电路，包括负载Term1、负载Term2、负载Term3，传输线TL1和传输线TL2，各器件的连接关系可如图1所示。

在传统的Wilkinson功率合成器中，为展宽器件的工作带宽，多采用多节传输结构来构建Wilkinson功率合成器。然而，多节合成的结构方式增加了功率合成器的电路复杂程度，使得功率合成器的体积空间增大。因此，在选择多节合成器时，节数是重点考虑因素。

针对于短波频段，即1MHz(兆赫兹)到30MHz的频段而言，大功率的功率合成器所适配的传输线变压器需要采用体积较大的铁氧体磁环，在进行多节合成后，功率合成器具有较大的体积。同时，大功率合成所带来的散热等系列问题均需解决，进一步地增大了功率合成器的体积。

而本申请可通过采用1级合成的方式实现功率合成，并增大传输线变压器的散热面积，增强功率放大器的散热性能，进而可减小功率合成器的体积，并使得功率合成器可承受KW(千瓦)级别以上的工作功率，在进行大功率合成的同时，完成功率合成器的小型化设计。

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，如图2所示，提供了一种功率合成器，包括：

印制电路板10，印制电路板10具有变压器安装窗口110、第一表面120和相对于第一表面120的第二表面130；变压器安装窗口110贯穿第一表面120和第二表面130；

用于分别连接信号输入端和信号输出端的传输线变压器20，传输线变压器20对应变压器安装窗口110设置，并通过变压器安装窗口110暴露。

其中，本申请的功率合成器可用于实现多路短波射频信号的功率合成。

具体地，功率合成器包括印制电路板10和传输线变压器20。其中，传输线变压器20可采用对绞线变压合成、微带耦合合成或者波导腔体合成等方式实现，从而可利用传输线变压器20混合网络的特性，实现同相信号等的功率合成。

传输线变压器20分别连接信号输入端和信号输出端，从而可通过信号输入端接收输入信号，并对输入信号进行合成，将合成后的信号通过信号输出端进行输出，进而可采用1级合成的方式实现功率合成，即采用尽量少的节数方式来实现功率合成器，从而可尽可能地减小功率合成器的体积，使得合成电路中最小电路达到最小空间占用，完成功率合成器的小型化设计。

传输线变压器20可用于在功率合成后进行阻抗变换，从而可实现电路的低损耗传输。传输线变压器20的数量可以根据功率合成器的使用情况、输入功率和输出功率等确定，可以为一个或者多个。例如，当功率合成器用于实现2路信号的合成时，传输线变压器20的数量可以大于或等于2个，进一步地，可以为2个；当功率合成器用于实现4路信号的合成时，传输线变压器20的数量可以大于或等于4个，进一步地，可以为4个。

当传输线变压器20的数量大于或等于2个时，各传输线变压器20可分别一一对应连接各信号输入端，即各传输线变压器20所连接的信号输入端互不相同，以使各传输线变压器20可接收对应的输入信号，实现对多路信号进行合成。进一步地，各传输线变压器20可分别连接同一信号输出端，以输出合成后的信号。

印制电路板10包括第一表面120和相对于第一表面120的第二表面130，且印制电路板10上具有变压器安装窗口110，变压器安装窗口110贯穿第一表面120、印制电路板10和第二表面130。传输线变压器20对应变压器安装窗口110设置。以垂直于印制电路板10、从第一表面120指向第二表面130的方向为投影方向，在投影方向上，传输线变压器20的投影可以全部或部分地覆盖变压器安装窗口110。传输线变压器20可以固定安装在第一表面120或第二表面130上，也可以贴合变压器安装窗口110的周缘设置。

传输线变压器20通过变压器安装窗口110暴露，并可贯穿或者不贯穿印制电路板10。例如，当传输线变压器20设于第一表面120，且对应于变压器安装窗口110设置时，如图3所示，传输线变压器20可从第二表面130露出。或者可如图4所示，以投影方向为坐标轴方向，传输线变压器20在坐标轴方向上的最低点可与第二表面130平齐；或者如图5所示，传输线变压器20在坐标轴方向上的最低点可高于第二表面130上任意点的位置，即传输线变压器20在投影方向上的最低点位于第二表面130朝向第一表面120的一侧，且最低点不在第二表面130内。

本申请通过在印制电路板10上设置贯穿第一表面120和第二表面130的变压器安装窗口110，并对应变压器安装窗口110设置传输线变压器20，传输线变压器20通过变压器安装窗口110暴露，从而可增大传输线变压器20的散热面积，增强功率放大器的散热性能，进而使得功率合成器可承受KW级别以上的工作功率。

上述功率合成器中，功率合成器包括印制电路板10和传输线变压器20，印制电路板10具有第一表面120、第二表面130和贯穿第一表面120、第二表面130的变压器安装窗口110，传输线变压器20对应变压器安装窗口110设置，并通过变压器安装窗口110暴露，从而可采用1级合成的方式实现功率合成，并增大传输线变压器20的散热面积，增强功率放大器的散热性能，进而可减小功率合成器的体积，并使得功率合成器可承受KW级别以上的工作功率，在进行大功率合成的同时，完成功率合成器的小型化设计。

在一个实施例中，传输线变压器20从第一表面120突出，且传输线变压器20的至少一部分穿过变压器安装窗口110、从第二表面130突出。

具体地，请参阅图3，传输线变压器20可从第一表面120突出，即传输线变压器20的至少一部分位于第一表面120远离第二表面130的一侧。传输线变压器20的至少一部分穿过变压器安装窗口110，从第二表面130突出，即传输线变压器20的至少一部分位于第二表面130远离第一表面120的一侧。

需要说明的是，本申请中“第一表面120”和“第二表面130”是用于表示印制电路板10中相对的任意两个面，并非指代印制电路板10中的特定表面，第一表面120和第二表面130所表示的表面可进行更换。例如第一表面120可以为表面1，第二表面130可以为表面2；或者第一表面120可以为表面2，第二表面130可以为表面1。

上述功率合成器中，传输线变压器20从第一表面120突出，且传输线变压器20的至少一部分穿过变压器安装窗口110、从第二表面130突出，从而可增大传输线变压器20的散热面积，增强功率放大器的散热性能。

在一个实施例中，传输线变压器20的数量为至少两个；各传输线变压器20紧密排布。

具体地，传输线变压器20的数量可以为至少两个，从而可接收多路输入信号。各传输线变压器20紧密平铺，且各传输线变压器20均对应变压器安装窗口110设置，并从变压器安装窗口110暴露。在一个示例中，传输线变压器20的数量为8个。

进一步地，变压器安装窗口110的数量可以为一个或者多个，当两个或两个以上的传输线变压器20通过一个变压器安装窗口110进行暴露时，每个传输线变压器20在投影方向上的投影均覆盖部分变压器安装窗口110，且各个传输线变压器20的投影互不重合。

当变压器安装窗口110的数量为1个时，各传输线变压器20通过同一变压器安装窗口110进行暴露；当变压器安装窗口110的数量大于1个时，可将任意数量的传输线变压器20对应一个变压器安装窗口110设置，变压器安装窗口110的数量可以与传输线变压器20的数量相等或不等。

例如传输线变压器20的数量为3个时，可将第一传输线变压器、第二传输线变压器和第三传输线变压器对应第一变压器安装窗口设置；或者可将第一传输线变压器对应第一变压器安装窗口设置，将第二传输线变压器和第三传输线变压器对应第二变压器安装窗口设置；或者将第一传输线变压器对应第一变压器安装窗口设置，将第二传输线变压器对应第二变压器安装窗口设置，将第三传输线变压器对应第三变压器安装窗口设置。

上述功率合成器中，传输线变压器20的数量为至少两个，各传输线变压器20紧密排布，从而可减小功率合成器的体积。

在一个实施例中，传输线变压器20还包括磁芯和传输线；

传输线缠绕在磁芯上；传输线的第一端用于连接信号输入端，第二端用于连接信号输出端。

具体地，传输线变压器20包括磁芯和传输线，传输线缠绕在磁芯上，从而可得到传输线变压器20。传输线的第一端用于连接信号输入端，传输线的第二端用于连接信号输出端。

进一步地，传输线包括芯线和外导体，芯线和外导体组合形成传输线，传输线缠绕在磁芯上。2路功率合成器的电路可以如图6所示，传输线TL1芯线的一端连接信号输入端1，传输线TL1外导体的一端连接信号输出端，传输线TL1外导体的一端与传输线TL1芯线的一端均位于传输线TL1的同一端。传输线TL1芯线的另一端连接传输线TL2外导体的另一端，传输线TL1外导体的另一端连接传输线TL2芯线的另一端。

传输线TL2芯线的一端连接信号输入端2，传输线TL2外导体的一端连接信号输出端。

在一个实施例中，传输线为射频线缆。

具体地，传输线可以采用射频线缆，通过将射频线缆缠绕在磁芯上来实现传输线变压器20，从而可展宽功率合成器的工作频率。本申请可基于Wilkinson功率合成器，通过采用射频线缆绕制的方式来实现大功率低损耗的功率合成器，在一个实施例中，功率合成器还包括支撑结构；支撑结构固定安装于印制电路板10上；

当支撑结构设于支撑平面上时，传输线变压器20和支撑平面形成有架空区域。

具体地，功率合成器还包括支撑结构，支撑结构固定于印制电路板10上，以对印制电路板10进行支撑。需要说明的是，支撑结构可以固定于印制电路板10上的任意位置，支撑结构的安装位置并不受限于传输线变压器20的设置方式，即传输线变压器20的设置方式并不必然对支撑结构的安装位置做出限定。例如，支撑结构可以固定安装在第一表面120上的任意位置或者第二表面130上的任意位置，以使功率合成器可以固定在支撑平面上。

当印制电路板10通过支撑结构固定在支撑平面上时，传输线变压器20和支撑平面形成有架空区域，即支撑结构可架空传输线变压器20，使得传输线变压器20的散热面积增大，提高功率放大器的散热性能。进一步地，当功率合成器固定在支撑平面上时，传输线变压器20中的磁芯可架空，从而可增大磁芯空间散热处。

上述功率合成器中，通过将支撑结构固定安装于印制电路板10上，使得传输线变压器20和支撑平面形成有架空区域，从而可增大磁芯空间散热处，提高功率合成器的散热性能。

在一个实施例中，传输线变压器20为变压比9:1的传输线变压器。

具体地，传输线变压器20可以为变压比为9:1的传输线变压器，从而可在功率合成后进行阻抗变换设计，实现信号的低损耗传输。

为便于理解本申请的方案，下面通过一个具体的示例进行说明。如图7所示，示出了8路功率合成器的设计框图。

具体地，8路功率合成器包括8个9:1传输线变压器20，信号输入端1、信号输入端2、信号输入端3、信号输入端4、信号输入端5、信号输入端6、信号输入端7、信号输入端8和信号输出端。

8路功率合成器的电路图可如图8所示，包括传输线TL1至传输线TL8(共8路)，其中，负载Term1至负载Term9为虚拟负载。8路功率合成器的PCB(Printed Circuit Board，印制电路板)设计图可如图9所示。

通过如图9的PCB设计方式，可将2KW级别的8路功率合成压缩在一块250mm(毫米)*165mm的PCB上实现，功率合成器的实际空间占用小于250mm*165mm*80mm，大大减小了大功率8路功率合成器的体积。同时出于散热考虑，采用双面安装各传输线变压器20磁芯的方式，对磁芯使用架空，增大磁芯空间散热空间。其中，如图9所示，信号输入端由上至下分别为信号输入端1至信号输入端8。

进一步地，图7到图9示出的8路功率合成器中，各信号输入端和信号输出端的测试结果可如表1所示，8路功率合成器的性能参数可如表2所示。

表1各端口的测试结果表

表2 8路功率合成器的性能参数表

	2～30MHz最大驻波比
		损耗(dB)	＜0.33
隔离度(dB)	＞25
		相位差(℃)	＜±1

本申请通过对Wilkinson技术进行了拓展，从而可在2MHz到30MHz的短波频段内实现2KW级别的8路大功率合成，CW(Continuous Wave，连续功率)长发，且8路功率合成器的体积可以保持在250mm*165mm*80mm的尺寸范围内，进而可以较小的体积来实现大功率的功率合成器。

在一个实施例中，提供了一种发射机，包括上述任一实施例中的功率合成器。

具体地，发射机可以包括上述任一实施例中的功率合成器，可以为电台发射机。进一步地，功率合成器还可包括发射天线，发射天线连接功率合成器。发射机通过采用同相合成技术，将多路发射功率合成更大的功率进行输出，以达到发射天线所要求的功率输出，从而可通过发射天线对发射信号进行发射。

在一个具体的示例中，功率合成器可以设置在发射机的机柜风道中，从而可在机柜所规定的小尺寸范围中，充分利用机柜风道，进而可将功率合成器中相关热点的每个面都充分暴露于空气当中，加强功率合成器的散热效果。

在一个实施例中，发射机还包括信号输入端和信号输出端；传输线变压器20分别连接信号输入端和信号输出端。

具体地，信号输入端的数量可以根据传输线变压器20的数量进行确定。

在一个实施例中，发射机还包括功率放大电路；功率放大电路连接信号输入端。

具体地，功率放大电路的数量可以根据传输线变压器20的数量进行确定。

在一个实施例中，提供了一种通信系统，包括如上述任一实施例中的发射机。

具体地，通信系统可以应用在车辆通信中，即可以为车载通信系统。通信系统可以包括上述任一实施例中的发射机，进一步地，通信系统还可以包括接收机，以接收信号进行通信。

以上所述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。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种功率合成器，其特征在于，包括：

印制电路板，所述印制电路板具有变压器安装窗口、第一表面和相对于所述第一表面的第二表面；所述变压器安装窗口贯穿所述第一表面和所述第二表面；

用于分别连接信号输入端和信号输出端的传输线变压器，所述传输线变压器对应所述变压器安装窗口设置，并通过所述变压器安装窗口暴露。

2.根据权利要求1所述的功率合成器，其特征在于，

所述传输线变压器从所述第一表面突出，且所述传输线变压器的至少一部分穿过所述变压器安装窗口、从所述第二表面突出。

3.根据权利要求1所述的功率合成器，其特征在于，所述传输线变压器的数量为至少两个；各所述传输线变压器紧密排布。

4.根据权利要求3所述的功率合成器，其特征在于，所述传输线变压器还包括磁芯和传输线；

所述传输线缠绕在所述磁芯上；所述传输线的第一端用于连接所述信号输入端，第二端用于连接所述信号输出端。

5.根据权利要求4所述的功率合成器，其特征在于，所述传输线为射频线缆。

6.根据权利要求3至5任一项所述的功率合成器，其特征在于，所述传输线变压器的数量为8个。

7.根据权利要求1至5任一项所述的功率合成器，其特征在于，所述功率合成器还包括支撑结构；所述支撑结构固定安装于所述印制电路板上；

当所述支撑结构设于支撑平面上时，所述传输线变压器和所述支撑平面形成有架空区域。

8.根据权利要求1至5任一项所述的功率合成器，其特征在于，所述传输线变压器为变压比9:1的传输线变压器。

9.一种发射机，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的功率合成器。

10.一种通信系统，其特征在于，包括如权利要求9所述的发射机。

Images