CN109494439A - 中间引出式可扩展的功率合成方法及*** - Google Patents

Abstract

本公开公开了一种中间引出式可扩展的功率合成方法及***，包括若干功率放大模块、E面T型波导功率合成器、90度弯波导及双定向耦合器，其中：所述功率放大模块对称式分布于双定向耦合器的两侧，双定向耦合器通过一E面T型波导功率合成器向两侧扩展，每侧通过90度弯波导向指定侧弯转，并通过一E面T型波导功率合成器的每个输入端口连接功率放大模块，形成可扩展的空间对称结构，使得所有功率放大模块产生的功率合成信号由中间位置引出。

Description

中间引出式可扩展的功率合成方法及***

技术领域

本公开涉及一种中间引出式可扩展的功率合成方法及***。

背景技术

功率分配/合成器通常采用单路功率放大与多路功率分配/合成技术相结合的设计方法，来获得大功率的输出信号。与本发明相近的功率分配/合成技术主要包括平面电路功率分配/合成技术和基于波导的空间功率分配/合成技术。平面电路功率分配/合成技术多采用多级威尔金森功分器级联的结构形式，随着功率分配/合成路数的增多，功分器的级数随之增加，微带电路损耗也随之增大，从而造成了合成效率的下降。且此种方案的功率容量有限、散热效率低，在微波毫米波频段己不再适用。

基于T型波导的空间功率合成技术，如图1所示，该技术具有功率容量大、传输损耗小、散热性能好、合成效率高等优点，被广泛应用于微波毫米波领域。在该技术中，电磁波首先由图中位于上侧的输入端口进入E面T型波导功率分配结构，采用二进制的方式完成功率分配，进入每一路分支波导的信号通过波导-微带探针转换结构进入微带平面电路，在平面电路上完成功率放大后的信号，再通过相同的E面T型波导功率合成结构，从位于图中下方的输出端口输出。该技术充分利用了波导结构功率容量大、传输损耗小的优点，当合成路数较少时，其合成路径较短，因此具有较高的合成效率，但随着合成路数的增多，其合成路径也会以二进制的方式增加，从而导致合成效率大大降低，无法满足微波毫米波频段大功率合成技术的要求。

传统的基于T型波导的空间功率合成技术是一种平面二进制的功率合成网络，该技术的缺点主要包括如下几个方面：

该技术采用的是一种基于E面T型波导功分结构的二进制功率分配/合成技术，随着功率分配/合成路数的增加，其合成级数及合成路径也会相应增加，从而使得功率分配/合成器的传输损耗增大，合成效率降低，因此，在微波毫米波频段，该技术通常应用于8路以内信号的功率合成，当合成路数多于8路时，通常不采用该技术。

该技术采用的是一种平面扩展的功率分配/合成技术，无法充分利用空间体积，而且其合成路数越多，空间利用率越低，从而不利于整个功率分配/合成器的小型化和集成化。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种中间引出式可扩展的功率合成方法及***，本公开能够实现大于8路的多路功率信号的空间功率合成，并具有宽频带、空间体积小等优点。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一种中间引出式可扩展的功率合成***，包括若干功率放大模块、E面T型波导功率合成器、90度弯波导及双定向耦合器，其中：

所述功率放大模块对称式分布于双定向耦合器的两侧，双定向耦合器通过一E面T型波导功率合成器向两侧扩展，每侧通过90度弯波导向指定侧弯转，并通过一E面T型波导功率合成器的每个输入端口连接功率放大模块，形成可扩展的空间对称结构，使得所有功率放大模块产生的功率合成信号由中间位置引出。

作为进一步的限定，所述功率放大模块包括若干功率放大单元，沿一对称轴均匀分布，在对称轴上同轴设置的输入端口和波导输出端口，各功率放大单元下端设置有呈阵列分布的散热翅片。

作为进一步的限定，所述散热翅片的分布方向与对称轴的延伸方向一致。

作为进一步的限定，所述散热翅片之间均匀分布，间距相同。

作为进一步的限定，所述每个功率放大模块的输入端采用与输出通路相同结构，且空间对称。

作为进一步的限定，所述E面T型波导功率合成器设置于两个功率放大模块之间，将两个功率放大模块产生的等幅反相信号合成为一路信号输出，并保证较高的合成效率。

作为进一步的限定，所述E面T型波导功率合成器，包括对称分布于两端的两个输入端口，以及与各个输入端口均垂直分布的输出端口。

作为进一步的限定，所述90度弯波导，包括朝向垂直的输入端口和输出端口，对完成E面T型波导功率合成器输出信号的90度空间翻转。

作为进一步的限定，所述双定向耦合器，包括同轴设置的输入端口和输出端口，且输入端口和输出端口的朝向相反，所述输入端口和输出端口之间设置有正向耦合输出端口和反向耦合输出端口，且两个耦合输出端口朝向相反。

作为进一步的限定，所述双定向耦合器设置于整个功率合成***的中心位置。

一种中间引出式可扩展的功率合成方法，利用在中心位置分布的双定向耦合器通过一E面T型波导功率合成器向两侧扩展，每侧通过90度弯波导向指定侧弯转，并通过E面T型波导功率合成器连接两个功率放大模块，通过增加90度弯波导向和E面T型波导功率合成器的个数，形成不断向外扩展的空间对称结构，使得所有功率放大模块产生的功率合成信号由中间位置引出。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开设计的整体结构主要由功率放大模块、E面T型波导功率合成器、90度弯波导及双定向耦合器四种关键部件组成，且具有空间对称性，从而有效避免了幅相不一致所带来的能量损耗。同时该结构可根据不同的工作频率和工作带宽适当更改各结构的尺寸，从而覆盖微波毫米波的多个频段，但是整体结构原理不变。

本公开最大限度地实现了功率放大单元的空间均匀分布，并充分利用放大器模块之间的空间体积，使得散热器的散热面积最大化，采用紫铜、铟箔、热管等高效导热材料加工功率放大器腔体及散热器，以及通过软件仿真优化了散热风道设计，从而获得最佳的散热效果；

本公开所提出的功率合成方法，具有高度的空间对称性，可以灵活的实现多功率放大单元的空间功率合成(单个功率放大模块包含8个功率放大单元)，并且功率放大器模块数量的增减不会对整个功率放大器的幅相一致性、传输损耗及散热效率等指标产生明显的影响，有利于实现功率放大器的输出功率系列化。

本公开采用标准矩形波导口作为输出接口，且输出接口由整体的对称中心引出，功率的分配、放大和合成均集成于一体，整体结构紧凑具有很强的工程实用性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是现有技术的***结构图；

图2是本实施例的***结构图；

图3(a)是本实施例的功率放大模块结构图；

图3(b)是本实施例的E面T型波导功率合成器结构图；

图3(c)是本实施例的90度弯波导结构图；

图3(d)是本实施例的90度弯波导结构图。

其中，1、同轴输入端口，2、标准矩形波导输出端口，3、高效散热翅片，4、输入端口，5、输入端口，6、输出端口，7、输入端口，8、输出端口，9、输入端口，10、输出端口，11、正向耦合输出端口，12、反向耦合输出端口。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

正如背景技术中所述，随着微波毫米波大功率测试技术的发展，单个固态功率放大芯片的输出功率已不能满足测试***对输出功率的要求，因此，必须采用单路功率放大与多路功率分配/合成技术相结合的方法来提高***的输出功率。而目前国内外在微波毫米波功率分配/合成技术的研究中所遇到的问题主要分为两个方面，一方面是如何进一步有效地提高功率合成效率、降低损耗、增大工作带宽及提高功率容量；另一方面则是如何解决功率容量不断提高后带来的散热问题及放大器工作的稳定性问题等。

一种中间引出式可扩展的高效功率合成***，其工作原理如图2所示，整体结构主要包括4个主要部件，即功率放大模块、E面T型波导功率合成器、90度弯波导及双定向耦合器，分别如图3(a)-3(d)所示，整体结构如图2所示。

具体的，图3(a)为功率放大模块，其中结构1为同轴输入端口，结构2为标准矩形波导输出端口，结构3为高效散热翅片，该功率放大模块内部包含8个功率放大单元，可以实现8路信号的功率合成。高效散热翅片3形成对功率放大模块的全覆盖，且散热翅片的分布方向与输入端口1和标准矩形波导输出端口2的连接线方向一致，能够更好的进行散热。

图3(b)为E面T型波导功率合成器，其中结构4和结构5为输入端口，结构6为输出端口，且输入端口4和输入端口5同轴布设，但朝向相反，在输入端口4和输入端口5之间设置有输出端口6，且输出端口6与输入端口4和输入端口5均垂直。该结构可以将两个功率放大模块产生的等幅反相信号合成为一路信号输出，并保证较高的合成效率。

图3(c)为90度弯波导，结构7为输入端口，结构8为输出端口，结构7和结构8之间垂直连接，该结构可以完成E面T型波导功率合成器输出信号的90度空间翻转。

图3(d)为双定向耦合器，其中结构9为输入端口，结构10为输出端口，结构11为正向耦合输出端口，结构12为反向耦合输出端口，正向耦合输出端口11和反向耦合输出端口12朝向相反，且正向耦合输出端口11与输入端口9和输出端口10均垂直，且反向耦合输出端口12与输入端口9和输出端口10均垂直，该结构一方面可以将4个功率放大模块产生的功率合成信号由中间位置引出，另一方面也可以对输出信号及反射信号进行耦合检波输出，从而方便的获取输出信号及反射信号的功率值。

当然，本实施例以四个功率放大模块为例进行叙述，但在其他实施例中可以增加或减少功率放大模块的数量，只要形成两侧拓展，由中间引出的对称分布结构即可。

图2为本发明的整体结构示意图，4路电磁波信号分别由4个功率放大模块的结构1(同轴输入端口)输入，经过内部的放大单元对信号进行功率放大与合成后，由结构2(标准矩形波导输出端口)输出，然后再通过2个E面T型波导功率合成器，将4路信号进行两两合成，合成输出的2路信号再经由两个90度弯波导，完成2路信号的90度空间翻转，翻转后的2路信号，再通过1个E面T型波导功率合成器合成为1路信号，该信号最终通过双定向耦合器由整体结构的中心位置引出到外部输出。

本实施例可以形成高幅相一致性和低传输损耗相结合的多路波导功率分配/合成，由于E面T型波导可以将两个功率放大模块产生的等幅反相信号合成为一路信号输出，因此可以在每个功率放大模块的输入端采用与输出通路相同结构的方案，将输入信号分成四路，其中两路信号的相位角(θ)与另外两路信号相位角(θ+π)相反，再利用本发明给出的合成方案整体结构，即可实现等幅反相的功率合成。此外，由于各功率放大模块具有相同的结构，且空间对称，同时，金属波导结构本身具有较低的传输损耗，因此，保证了各路信号的幅相一致性和低损耗传输。由于整个功率传输通路均在金属波导中实现，因此，传输损耗非常低，功率合成效率高。

为了解决有限空间内热源分布相对密集带来的散热问题，本实施例最大限度地实现了功率放大单元的空间均匀分布，并通过采用紫铜、铟箔、热管等高效导热材料、散热器散热面积最大化及散热风道特殊设计等方式，获得最佳的散热效果。

设计的单个功率放大器模块可实现8个功率放大单元的功率合成，再利用T型波导功分结构及90°弯波导结构，便可灵活实现2^(N+3)(N≥1)个功率放大单元的功率合成，具有极高的可扩展性和空间利用率，扩展后的整体结构依然具有高度的空间对称性，从而可以有效保证整体的微波性能及散热效率。

综上，本实施例具有高幅相一致性和低传输损耗的高效功率合成方法的整体结构形式和实现方式。整体结构主要由功率放大模块、E面T型波导功率合成器、90度弯波导及双定向耦合器四种关键部件组成，且具有空间对称性，从而有效避免了幅相不一致所带来的能量损耗。同时该结构可根据不同的工作频率和工作带宽适当更改各结构的尺寸，从而覆盖微波毫米波的多个频段，但是整体结构原理不变。

本实施例最大限度地实现了功率放大单元的空间均匀分布，并充分利用放大器模块之间的空间体积，使得散热器的散热面积最大化，采用紫铜、铟箔、热管等高效导热材料加工功率放大器腔体及散热器，从而获得最佳的散热效果。

本实施例合成路数及输出功率的可扩展性设计。所提出的功率合成方法，具有高度的空间对称性，可以灵活的实现2^(N+3)(N≥1)个功率放大单元的空间功率合成(单个功率放大模块包含8个功率放大单元)，并且功率放大器模块数量的增减不会对整个功率放大器的幅相一致性、传输损耗及散热效率等指标产生明显的影响。所提出的功率合成方法有利于实现功率放大器的输出功率系列化。

因此，本实施例的提出，具有以下优点；

一是具有高度的幅相一致性和极低的传输损耗。由于该结构的各功率放大模块具有相同的结构，且空间对称，从而有效避免了幅相不一致所带来的能量损耗。此外，该结构功率合成段体积小、传输路径短，而且金属波导结构本身具有非常小的传输损耗，因此大大提高了功率合成效率。

二是具有高效的散热效率。一方面，该结构最大限度地实现了功率放大单元的空间均匀分布，另一方面，分利用放大器模块之间的空间体积，使得散热器的散热面积最大化，从而保证了整体机构散热效果的最优化。

三是合成路数及输出功率灵活可调。所提出的功率合成方法，具有高度的空间对称性，可以灵活的实现2^(N+3)(N≥1)个功率放大单元的空间功率合成，因此可以通过增减放大器模块数量的方式，获得不同的输出功率，该优点对于放大器产品的系列化是大有益处的。

四是工作频带宽，可覆盖微波、毫米波多个频段。本实施例采用了具有宽频带特性的E面T型波导功分结构，可以在整体方案不变的情况下，改变标准矩形波导的尺寸，来实现微波毫米波多个频段的功率合成。

五是结构紧凑，所提出的功率合成方法，采用标准矩形波导口作为输出接口，且输出接口由整体的对称中心引出，功率的分配、放大和合成均集成于一体，整体结构紧凑具有很强的工程实用性。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种中间引出式可扩展的功率合成***，其特征是：包括若干功率放大模块、E面T型波导功率合成器、90度弯波导及双定向耦合器，其中：

所述功率放大模块对称式分布于双定向耦合器的两侧，双定向耦合器通过一E面T型波导功率合成器向两侧扩展，每侧通过90度弯波导向指定侧弯转，并通过一E面T型波导功率合成器的每个输入端口连接功率放大模块，形成可扩展的空间对称结构，使得所有功率放大模块产生的功率合成信号由中间位置引出。

2.如权利要求1所述的一种中间引出式可扩展的功率合成***，其特征是：所述功率放大模块包括若干功率放大单元，沿一对称轴均匀分布，在对称轴上同轴设置的输入端口和波导输出端口，各功率放大单元下端设置有呈阵列分布的散热翅片。

3.如权利要求1所述的一种中间引出式可扩展的功率合成***，其特征是：所述散热翅片的分布方向与对称轴的延伸方向一致。

4.如权利要求1所述的一种中间引出式可扩展的功率合成***，其特征是：所述散热翅片之间均匀分布，间距相同。

5.如权利要求1所述的一种中间引出式可扩展的功率合成***，其特征是：所述每个功率放大模块的输入端采用与输出通路相同结构，且空间对称。

6.如权利要求1所述的一种中间引出式可扩展的功率合成***，其特征是：所述E面T型波导功率合成器设置于两个功率放大模块之间，将两个功率放大模块产生的等幅反相信号合成为一路信号输出，并保证较高的合成效率。

7.如权利要求1所述的一种中间引出式可扩展的功率合成***，其特征是：所述E面T型波导功率合成器，包括对称分布于两端的两个输入端口，以及与各个输入端口均垂直分布的输出端口。

8.如权利要求1所述的一种中间引出式可扩展的功率合成***，其特征是：所述90度弯波导，包括朝向垂直的输入端口和输出端口，对完成E面T型波导功率合成器输出信号的90度空间翻转。

9.如权利要求1所述的一种中间引出式可扩展的功率合成***，其特征是：所述双定向耦合器，包括同轴设置的输入端口和输出端口，且输入端口和输出端口的朝向相反，所述输入端口和输出端口之间设置有正向耦合输出端口和反向耦合输出端口，且两个耦合输出端口朝向相反。

10.一种中间引出式可扩展的功率合成方法，其特征是：利用在中心位置分布的双定向耦合器通过一E面T型波导功率合成器向两侧扩展，每侧通过90度弯波导向指定侧弯转，并通过E面T型波导功率合成器连接两个功率放大模块，通过增加90度弯波导向和E面T型波导功率合成器的个数，形成不断向外扩展的空间对称结构，使得所有功率放大模块产生的功率合成信号由中间位置引出。