CN110739922A - 一种超宽带固态功放合成电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超宽带固态功放合成电路。该电路包括镜像设置的两个四端口电桥网络，其中第一四端口电桥网络的输入端口B接入一个匹配单元，输入端口A接收输入微波信号，经过第一四端口电桥网络分别将信号分为从端口C和端口D输出，将两个输出信号分别经过功率合成单元进一步放大，将放大后的微波信号输入至第二四端口电桥网络的输入端口C’和输入端口D’，利用镜像可逆耦合电桥电路，将输出信号经第二四端口电桥网络耦合输出，第二四端口电桥网络的端口B’输出射频信号输出至匹配单元，端口A’直接输出微波射频信号。本发明具有电路简单、制造工艺简便、工作频率带宽宽、谐波抑制能力强的优点。
Description
技术领域
本发明属于雷达/电子对抗***的功率发射技术，特别是一种超宽带固态功放合成电路。
背景技术
近年来，随着电子对抗、相控阵雷达、电磁兼容(EMI)测试等领域的飞速发展，高性能、大功率干扰发射***的需求越来越高。作为发射***的关键部件，功率放大器的输出功率大小直接决定了发射机的作用距离、抗干扰能力等性能。随着GaAs、GaN等第三代半导体材料器件的日益成熟，半导体制作工艺技术的不断提高。目前，基于大禁带宽度、高饱和电子偏移速度和高击穿电场强度等显著优点的固态功率放大器已经逐步应用到发射***中。为了实现超宽带、高发射功率，除了使用功率较高的GaN芯片单元以外，还要考虑多路合成，而目前市场上基于GaN材料的6～18GHz功放芯片最大功率约10W，附加效率约20％，即便接近90％的多路合成效率，也会致使功率放大器功耗较大。此外，大功率器件输出信号的反射功率也会导致末级GaN芯片的热沉积(结温过高)，这都将会降低放大器的可靠性能甚至损坏组件。因此，高功耗固态功率放大器的散热及可靠性指标性能，一直是较为关注的问题。如何提高功率放大器的可靠性性能尤为关键。
目前，针对高功率放大器的合成问题的方法有：(1)利用扇形网络实现1分N的和N合1的多路合成，如图1所示，N路合成网络采用威尔金森或其他电路形式实现功率合成；(2)采用威尔金森或其他电路的两两合成方式，如图2所示，两路合成网络组合成多路实现1分N的和N合1的多路合成。这两种方法最大的问题是：针对第一种扇形合成网络，一旦其中一路的功率放大器损坏，则会导致其他支路的失配，引起级联功率放大器失效，此方式不适用于高功率放大器合成；对于第二种采用两两合成的威尔金森电路，针对超宽带信号，电路本身的***损耗及信号平坦度较差，这直接影响固态功率放大器的合成效率。上述方法(1)仅适用于小功率信号或线性信号合成；方法(2)仅适用于带宽较窄，且输出功率要求较低的功率放大器合成。
发明内容
本发明目的在于提供一种电路拓扑结构简单、工艺实现难度低、工作频率带宽宽、谐波抑制能力强的大功率宽带功率放大器合成电路。
实现本发明目的的技术解决方案是：一种超宽带固态功放合成电路，包括镜像设置的两个四端口电桥网络，其中第一四端口电桥网络的输入端口B接入一个匹配单元，输入端口A接收输入微波信号，经过第一四端口电桥网络分别将信号分为从端口C和端口D输出，将两个输出信号分别经过功率合成单元进一步放大，将放大后的微波信号输入至第二四端口电桥网络的输入端口C’和输入端口D’，利用镜像可逆耦合电桥电路，将输出信号经第二四端口电桥网络耦合输出，第二四端口电桥网络的端口B’输出射频信号输出至匹配单元，端口A’直接输出微波射频信号。
进一步地，所述第一四端口电桥网络，实现两输出信号相差90或180°耦合输出，若采用90°耦合电桥网络，抑制3dB的二次谐波信号；若采用180°耦合电桥网络，完全抑制二次谐波信号。
进一步地，所述的超宽带固态功放合成电路，包括第一匹配单元、第一四端口电桥网络、第一功率合成单元、第二功率合成单元、第二四端口电桥网络和第二匹配单元。
进一步地，所述第一匹配单元，通过隔离端口B接收输入信号经过第一四端口电桥网络耦合的微波射频信号，同时，接收端口C和端口D的反射信号，并进行50Ω匹配。
进一步地，，所述第一四端口电桥网络，通过端口A接收输入的微波射频信号，经过90或者180°电桥网络将输入微波射频信号通过端口C、端口D分别输出至第一功率合成单元、第二功率合成单元，并将输入端口A的隔离/耦合信号经过端口B输出至第一匹配单元；其中端口C和端口D输出的信号相位差90或180°。
进一步地，所述第一功率合成单元，采用一路放大器或多路放大合成网络，信号增益值根据功率所需进行设定；第一功率合成单元接收第一四端口电桥网络端口C输出的微波射频信号，并进行线性或饱和放大，输出至第二四端口电桥网络；
所述第二功率合成单元，采用一路放大器或多路放大合成网络，其信号增益值根据功率所需进行设定；第二功率合成单元接收第一四端口电桥网络端口D输出的微波射频信号，并将其进行线性或饱和放大输出至第二四端口电桥网络。
进一步地，所述第二四端口电桥网络，通过端口D’、端口C’分别接收第一功率合成单元、第二功率合成单元的输出信号，其中从第一四端口电桥网络端口C的输出信号输入至第二四端口电桥网络端口D’，第一四端口电桥网络端口D的输出信号输入至第二四端口电桥网络端口C’，利用镜像可逆耦合电桥电路，将输出信号经过90或180°电桥网络耦合输出，通过端口B’将微波射频信号输出至第二匹配单元，通过端口A直接输出微波射频信号。
进一步地，所述第二匹配单元，接收第二四端口电桥网络端口B’进入的微波射频信号，根据功能需求，将第二四端口电桥网络端口A’反射的微波射频信号的隔离/耦合信号，与端口C’、D’的入射信号进行50Ω匹配，保证第二四端口电桥网络端口A’的正常输出。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)超宽带高杂波抑制合成电路：采用镜像耦合电桥替代威尔金森电路，采用陶瓷介质芯片或空气悬置形式实现90或180°耦合，在***损耗相当或更优的前提下，可以抑制带内杂波信号，特别是带内谐波信号2.5dB以上，从而进一步提高整个功率放大器带内功率合成效率；(2)超宽带功率分配/合成设计：电桥耦合电路基于平面设计，可以满足6～18GHz或更宽带宽的耦合合成需求，且耦合电桥采用平面设计，体积小、加工轻便；(3)低成本设计：采用的耦合电桥合成方式的可实现性强、电路简单、批量生产制造成本较低；(4)可扩展功能：利用镜像耦合实现两路合成，并可以利用此双路电路和其他合成电路混合，进一步扩展功率电路，实现2N路的多路合成，此外，利用耐受大功率匹配单元满足更大饱和功率输出设计需求。
附图说明
图1是扇形多路合成电路的原理示意图。
图2是基于威尔金森电路的两路功率合成的原理示意图。
图3是本发明超宽带固态功放合成电路的结构示意图。
图4是本发明实施例中基于90或180°耦合电桥的两路功率合成的原理示意图。
图5是本发明实施例中90°Lange耦合电桥实现的原理示意图。
具体实施方式
本发明提供一种高超宽带固态功放合成效率的电路，包括成对式镜像耦合电桥、大功率匹配负载，多路功率放大器管芯。该方法采用90°或180°耦合电桥，通过四端口电桥网络两两组合，巧妙运用耦合电桥镜像合成，并利用匹配单元实现端口驻波匹配，完成抑制超宽带功率合成中的微波谐波信号的同时，实现微波信号的高效合成。
整个功率合成过程分为以下几个步骤：第一步是基于四端口电桥网络，将输入信号分为两路输出，根据电桥网络的耦合度差异，可实现两输出信号相差90或180°耦合输出，输出信号经过两个功率合成单元进一步放大，并产生多次谐波信号；第二步是将放大后的射频信号经过镜像四端口电桥网络，实现功率合成，其中若采用90°耦合电桥网络，可以理论上抑制3dB的二次谐波信号；若采用180°耦合电桥网络，可以理论上完全抑制二次谐波信号。详述如下，所述的四端口电桥网络的输入端口A接收输入微波信号，经过四端口电桥网络分别将信号分为从端口C和端口D输出，将两个端口信号分别经过功率合成单元进一步放大，将放大后的微波信号输入至镜像四端口电桥网络的输入端口C’和输入端口D’，经过两次电桥互耦效应，并对四端口的另外一个输出端口接入匹配单元，实现功率合成单元信号中的二次及以上谐波信号进行抑制，已达到提高主信号的功率的目的，从而提高了功率合成效率。
结合图3，本发明超宽带固态功放合成电路，包括镜像设置的两个四端口电桥网络，其中第一四端口电桥网络的输入端口B接入一个匹配单元，输入端口A接收输入微波信号，经过第一四端口电桥网络分别将信号分为从端口C和端口D输出，将两个输出信号分别经过功率合成单元进一步放大，将放大后的微波信号输入至第二四端口电桥网络的输入端口C’和输入端口D’，利用镜像可逆耦合电桥电路，将输出信号经第二四端口电桥网络耦合输出，第二四端口电桥网络的端口B’输出射频信号输出至匹配单元，端口A’直接输出微波射频信号。
所述第一四端口电桥网络，实现两输出信号相差90或180°耦合输出，若采用90°耦合电桥网络，抑制3dB的二次谐波信号；若采用180°耦合电桥网络，完全抑制二次谐波信号。
具体地，所述超宽带固态功放合成电路，包括第一匹配单元1、第一四端口电桥网络2、第一功率合成单元3、第二功率合成单元4、第二四端口电桥网络5和第二匹配单元6。所述第一匹配单元1，通过隔离端口B接收输入信号经过第一四端口电桥网络2耦合的微波射频信号，同时，接收端口C和端口D的反射信号，并进行50Ω匹配。所述第一四端口电桥网络2，通过端口A接收输入的微波射频信号，经过90或者180°电桥网络将输入微波射频信号通过端口C、端口D分别输出至第一功率合成单元3、第二功率合成单元4，并将输入端口A的隔离/耦合信号经过端口B输出至第一匹配单元1；其中端口C和端口D输出的信号相位差90或180°。所述第一功率合成单元3，采用一路放大器或多路放大合成网络，信号增益值根据功率所需进行设定；第一功率合成单元3接收第一四端口电桥网络3端口C输出的微波射频信号，并进行线性或饱和放大，输出至第二四端口电桥网络5；所述第二功率合成单元4，采用一路放大器或多路放大合成网络，其信号增益值根据功率所需进行设定；第二功率合成单元4接收第一四端口电桥网络3端口D输出的微波射频信号，并将其进行线性或饱和放大输出至第二四端口电桥网络5。所述第二四端口电桥网络5，通过端口D’、端口C’分别接收第一功率合成单元3、第二功率合成单元4的输出信号，其中从第一四端口电桥网络2端口C的输出信号输入至第二四端口电桥网络5端口D’，第一四端口电桥网络2端口D的输出信号输入至第二四端口电桥网络5端口C’，利用镜像可逆耦合电桥电路，将输出信号经过90或180°电桥网络耦合输出，通过端口B’将微波射频信号输出至第二匹配单元6，通过端口A直接输出微波射频信号。所述第二匹配单元6，接收第二四端口电桥网络5端口B’进入的微波射频信号，根据功能需求，将第二四端口电桥网络5端口A’反射的微波射频信号的隔离/耦合信号，与端口C’、D’的入射信号进行50Ω匹配，保证第二四端口电桥网络5端口A’的正常输出。
此外，采用不同基板材质或结构实现方式，可以进一步较小四端口电桥网络的传输损耗，综合谐波抑制和网络本身的低损耗设计，可以有效提高两路功率的合成效率。
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例
本发明超宽带固态功放合成电路，其覆盖频率为6～18GHz或更宽带宽，通过镜像电桥实现二次谐波调谐，实现功放合成功率的高效输出，其基于四端口网络的传输矩阵理论设计，判定依据详细说明如下：
耦合电桥和放大器都可以等效成四端口网络，其传输矩阵分别为：
90°耦合电桥矩阵为：
利用各传输单元的传输矩阵相乘可以得到合成电路的等效总矩阵。
设定射频信号为：
其中
对应基波功率，
对应二次谐波信号；ω对应频率周期，
和
分别为基波信号和二次谐波信号的初始相位。
如图4所示，利用负载匹配耦合四端口网络的某一输入端口，射频信号经过另一输出端口进入90°电桥后，直通端输出的射频和二次谐波信号没有变化，可用式(1)表示；耦合端输出射频和二次谐波信号则变为公式(3)：
直通端和耦合端输出信号经过放大电路传输至镜像耦合四端口90°电桥，可以得出电桥输出端口1的射频和二次谐波信号变为公式(4)：
输出端口2的射频和二次谐波信号变为公式(5)：
从公式(1)～(5)可以看出，与传统功分合成电路比较，利用90°镜像耦合电桥，可以理论上实现3dB的谐波抑制，同理，利用180°镜像耦合电桥，可以理论上实现无穷大的谐波抑制。
结合图3，本发明超宽带固态功放合成电路，包括第一匹配单元1、第一四端口电桥网络2、第一功率合成单元3、第二功率合成单元4、第二四端口电桥网络5和第二匹配单元6；
所述第一匹配单元1，通过第一四端口电桥网络2端口B接收反射微波射频信号，根据功能需求，将第一四端口电桥网络2端口A接收的微波射频信号的隔离/耦合信号和端口C和D的反射信号进行50Ω匹配；
所述第一四端口电桥网络2，通过端口A接收输入的微波射频信号，经过90或者180°电桥网络将输入微波射频信号通过端口C和端口D分别输出至第一功率合成单元3和第二功率合成单元4，并将输入端口A的隔离/耦合信号输出至第一匹配单元1；其中端口C和端口D输出的信号相位差90或180°；
所述第一功率合成单元3，采用一路放大器或多路放大合成网络，其信号增益值根据功率所需进行设定；第一功率合成单元3接收第一四端口电桥网络端3口C输出的微波射频信号，并将其进行线性或饱和放大，输出至第二四端口电桥网络5；
所述第二功率合成单元4，采用一路放大器或多路放大合成网络，其信号增益值根据功率所需进行设定；第二功率合成单元4接收第一四端口电桥网络3端口D输出的微波射频信号，并将其进行线性或饱和放大输出，输出至第二四端口电桥网络5；
所述第二四端口电桥网络5，通过端口D’和端口C’分别接收第一功率合成单元3和第二功率合成单元4的输出信号，其中从第一四端口电桥网络2端口C的输出信号输入至第二四端口电桥网络5端口D’，第一四端口电桥网络2端口D的输出信号输入至第二四端口电桥网络5端口C’，利用镜像可逆耦合电桥电路，将输出信号经过90或180°电桥网络耦合输出，通过端口B将微波射频信号输出至第二匹配单元6，通过端口A直接输出微波射频信号；
所述第二匹配单元6，接收第二四端口电桥网络5端口B’进入的微波射频信号，根据功能需求，将第二四端口电桥网络5端口A’反射的微波射频信号的隔离/耦合信号和端口C’和D’的入射信号进行50Ω匹配，保证第二四端口电桥网络5端口A’的正常输出。
进一步地，所述的超宽带固态功放合成电路，具备覆盖6～18GHz或者更宽带宽的频率范围，利用90°电桥网络组合可以实现理论3dB的二次谐波抑制；利用90°电桥网络组合可以实现理论无穷大的二次谐波抑制，通过对二次及多次谐波抑制水平可实现较高的合成效率。
进一步地，所述的第一四端口电桥网络2和第二四端口电桥网络5，用于组成低噪声放大器、限幅放大器、功率放大器的放大合成网络，实现对应的谐波抑制能力，其对应的第一匹配单元1和第二匹配单元6用于根据实际功率大小择时匹配，增强功能选择性。
进一步地，所述的超宽带固态功放合成电路，具备可重构性，即经过镜像耦合电桥网络合成后的射频信号可以在此合成网络基础上继续两两合成，实现更大更高效的功率合成。
如图5所示，为90°耦合电桥的原理示意图，四端口耦合电桥通过输入端口1接收到微波信号，经过耦合电路，将射频信号分别传输至输出端口1和输出端口2，与放大器放大后的另外一耦合电桥实现信号的高效合成。耦合电桥可以采用正反电路耦合，也可采用空气介质Lange电桥等多种方式实现。
本发明提高超宽带固态功放合成效率的电路设计方法，采用抑制功率放大器的谐波信号，以达到提高主要微波信号输出功率的目的。本发明将镜像耦合电桥电路应用在超宽带(典型频率6～18GHz)功率放大器合成领域，具有电路拓扑及设计简单，制造工艺简便，工作频率带宽宽、谐波抑制能力强等特点。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种超宽带固态功放合成电路，其特征在于，包括镜像设置的两个四端口电桥网络，其中第一四端口电桥网络的输入端口B接入一个匹配单元，输入端口A接收输入微波信号，经过第一四端口电桥网络分别将信号分为从端口C和端口D输出，将两个输出信号分别经过功率合成单元进一步放大，将放大后的微波信号输入至第二四端口电桥网络的输入端口C’和输入端口D’，利用镜像可逆耦合电桥电路，将输出信号经第二四端口电桥网络耦合输出，第二四端口电桥网络的端口B’输出射频信号输出至匹配单元，端口A’直接输出微波射频信号。
2.根据权利要求1所述的超宽带固态功放合成电路，其特征在于，所述第一四端口电桥网络，实现两输出信号相差90或180°耦合输出，若采用90°耦合电桥网络，抑制3dB的二次谐波信号；若采用180°耦合电桥网络，完全抑制二次谐波信号。
3.根据权利要求1或2所述的超宽带固态功放合成电路，其特征在于，包括第一匹配单元(1)、第一四端口电桥网络(2)、第一功率合成单元(3)、第二功率合成单元(4)、第二四端口电桥网络(5)和第二匹配单元(6)。
4.根据权利要求3所述的超宽带固态功放合成电路，其特征在于，所述第一匹配单元(1)，通过隔离端口B接收输入信号经过第一四端口电桥网络(2)耦合的微波射频信号，同时，接收端口C和端口D的反射信号，并进行50Ω匹配。
5.根据权利要求3所述的超宽带固态功放合成电路，其特征在于，所述第一四端口电桥网络(2)，通过端口A接收输入的微波射频信号，经过90或者180°电桥网络将输入微波射频信号通过端口C、端口D分别输出至第一功率合成单元(3)、第二功率合成单元(4)，并将输入端口A的隔离/耦合信号经过端口B输出至第一匹配单元(1)；其中端口C和端口D输出的信号相位差90或180°。
6.根据权利要求3所述的超宽带固态功放合成电路，其特征在于，所述第一功率合成单元(3)，采用一路放大器或多路放大合成网络，信号增益值根据功率所需进行设定；第一功率合成单元(3)接收第一四端口电桥网络(3)端口C输出的微波射频信号，并进行线性或饱和放大，输出至第二四端口电桥网络(5)；
所述第二功率合成单元(4)，采用一路放大器或多路放大合成网络，其信号增益值根据功率所需进行设定；第二功率合成单元(4)接收第一四端口电桥网络(3)端口D输出的微波射频信号，并将其进行线性或饱和放大输出至第二四端口电桥网络(5)。
7.根据权利要求3所述的超宽带固态功放合成电路，其特征在于，所述第二四端口电桥网络(5)，通过端口D’、端口C’分别接收第一功率合成单元(3)、第二功率合成单元(4)的输出信号，其中从第一四端口电桥网络(2)端口C的输出信号输入至第二四端口电桥网络(5)端口D’，第一四端口电桥网络(2)端口D的输出信号输入至第二四端口电桥网络(5)端口C’，利用镜像可逆耦合电桥电路，将输出信号经过90或180°电桥网络耦合输出，通过端口B’将微波射频信号输出至第二匹配单元(6)，通过端口A直接输出微波射频信号。
8.根据权利要求3所述的超宽带固态功放合成电路，其特征在于，所述第二匹配单元(6)，接收第二四端口电桥网络(5)端口B’进入的微波射频信号，根据功能需求，将第二四端口电桥网络(5)端口A’反射的微波射频信号的隔离/耦合信号，与端口C’、D’的入射信号进行50Ω匹配，保证第二四端口电桥网络(5)端口A’的正常输出。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 225001 No. 26, South River, Jiangsu, Yangzhou Applicant after: Yangzhou Institute of marine electronic instruments (no.723 Institute of China Shipbuilding Industry Corp.) Address before: 225001 No. 186 East Wuzhou Road, Yangzhou City, Jiangsu Province Applicant before: Yangzhou Institute of marine electronic instruments (no.723 Institute of China Shipbuilding Industry Corp.) |
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| CB02 | Change of applicant information |