CN114039184A - 一种多路径向功率合成放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多路径向功率合成放大器，包括功率分配单元、多路功率放大器单元、多路信号隔离单元和功率合成单元，功率分配单元呈对称结构，包括矩形波导端口、分支结构、圆柱形波导和多个径向矩形波导端口，功率分配单元通过各个径向矩形波导端口分别与功率放大器单元的每一路的一端连接，功率放大器单元的每一路的另一端分别通过一路信号隔离单元连接到信号合成单元。本发明通过功率分配单元将输入的信号分为多路幅度和相位一致的信号；通过圆波导实现了高效率、低损耗以及高功率容量的功率分配，并有效抑制了高次模；通过设置信号隔离单元实现了良好的端口匹配，抑制了回波损耗和信号串扰，使得多路高效率功率合成更加稳定可靠。
Description
技术领域
本发明涉及电子技术领域，特别是涉及一种多路径向功率合成放大器。
背景技术
传统高功率卫星通信功率放大器采用空间行波管功率放大器(Traveling-wavetube Amplifier，TWTA)，但行波管功率放大器的非线性特性会使多载波信号产生交调成份，导致 交调失真和邻道干扰，影响通信***的性能；同时，行波管功率放大器存在平均无故障时间 短(约3万小时)、工作可靠性和稳定性差等缺点。随着微波半导体晶体管技术的发展，固态 功率放大器(Solid State Power Amplifier，SSPA)以其性能稳定可靠、维护便利以及能耗低等优 点，在卫星通信领域得到了广泛应用，当前功率放大器固态化已是大势所趋。
由于卫星轨道和频谱资源的紧张以及人们日益增长的高通量需求，卫星通信朝着高频段、 大带宽、高容量化发展。目前我国已加快Ka频段高通量卫星的发射及部署，同时在地轨卫 星组网的部署中，地球站采用更高频段的Q/V频段，这对卫星通信***的功率放大器的频率 及功率提出更高的要求。受限于单芯片功率容量和散热的限制，目前国内Ka频段固态器件 饱和功率输出约10W，远不能满足卫星通信***中地球站的功率需求(100W～1000W)。因此 需要通过将多个固态器件的功率进行合成的方式来实现大功率固态功率放大器。其中，研究 功率分配与合成技术的核心是采用何种网络拓扑结构来实现更高的功率输出和更高的合成效 率。
功率分配/合成器起源于上世纪六十年代威尔金森提出的经典威尔金森功分器。威尔金森 功分器因具有优越的性能而被广泛使用并延伸出很多不同形式，但只适用于小信号的功率合 成。魔T结构的功率分配/合成器虽然适用于微波毫米波频段，但此结构均采用二叉树式功率 分配/合成，在多路功率合成时的损耗存在多级叠加，导致合成效率急剧下降；此外，多路功 率合成时存在过多的热量耗散也导致魔T结构产品的可靠性下降。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种多路径向功率合成放大器，能够实 现高效率、低损耗以及高功率容量的功率合成放大器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种多路径向功率合成放大器，包括功率分配单元、多路功率放大器单元、多路信号隔 离单元和功率合成单元，所述功率分配单元呈对称结构，所述功率分配单元包括矩形波导端 口、分支结构、圆柱形波导和多个径向矩形波导端口，所述圆柱形波导一端的底面为第一圆 波导，由所述矩形波导端口向内延伸的矩形波导通过所述分支结构形成第一径向矩形波导， 所述第一径向矩形波导中的每一路矩形波导均匀排列在所述第一圆波导四周，所述圆柱形波 导的另一个底面为第二圆波导，所述第二圆波导的四周均匀排列有第二径向矩形波导，所述 第二径向矩形波导中的每一路矩形波导远离所述第二圆波导的一端为所述径向矩形波导端口， 所述径向矩形波导端口的个数与所述功率放大器单元的路数相等，所述功率放大器单元的路 数与所述信号隔离单元的路数相等，所述功率分配单元通过各个所述径向矩形波导端口分别 与所述功率放大器单元的每一路的一端连接，所述功率放大器单元的每一路的另一端分别通 过一路所述信号隔离单元连接到所述信号合成单元。
进一步，所述第一径向矩形波导中的每一路矩形波导以所述圆柱形波导的轴为轴而径向 对称排列，所述第二径向矩形波导中的每一路矩形波导以所述圆柱形波导的轴为轴而径向对 称排列。
进一步，所述分支结构设置于所述功率分配单元的波导E面。
进一步，所述分支结构包括Y型分支，所述分支结构包括第一Y型分支、第二Y型分支、第三Y型分支、第四Y型分支、第五Y型分支、第六Y型分支和第七Y型分支。
进一步，所述功率分配单元还包括阻抗变换结构，所述阻抗变换结构包括第一波导弯头、 第二波导弯头、第三波导弯头第四波导弯头、第五波导弯头和第六波导弯头。
进一步，由所述矩形波导端口向内延伸的矩形波导通过所述第一Y型分支分为第一矩形 波导和第二矩形波导，所述第一矩形波导依次通过所述第一波导弯头和所述第二Y型分支分 为第三矩形波导和第四矩形波导，所述第二矩形波导依次通过所述第二波导弯头和所述第三 Y型分支分为第五矩形波导和第六矩形波导，所述第三矩形波导依次通过所述第三波导弯头 和第四Y型分支分为第七矩形波导和第八矩形波导，所述第四矩形波导依次通过所述第四波 导弯头和第五Y型分支分为第九矩形波导和第十矩形波导，所述第五矩形波导依次通过所述 第五波导弯头和第六Y型分支分为第十一矩形波导和第十二矩形波导，所述第六矩形波导依 次通过所述第六波导弯头和第七Y型分支分为第十三矩形波导和第十四矩形波导，所述第七 矩形波导、所述第八矩形波导、所述第九矩形波导、所述第十矩形波导、所述第十一矩形波 导、所述第十二矩形波导、所述第十三矩形波导和所述第十四矩形波导组成所述第一径向矩 形波导。
进一步，所述所述圆波导的传输模式为TE01模，所述第二径向矩形波导的传输模式为 TE10模。
进一步，所述信号隔离单元采用矩形波导B型法兰盘。
进一步，所述功率分配单元和所述功率合成单元的结构相同。
进一步，所述功率合成单元的径向矩形波导端口为信号的输入端，所述功率合成单元的 矩形波导端口为信号的输出端。
本发明的有益效果是：
本发明的一种多路径向功率合成放大器，通过对称结构的功率分配单元将输入的信号分 为多路幅度和相位一致的信号，并且通过圆波导实现了高效率、低损耗以及高功率容量的功 率分配，同时有效抑制了高次模；通过在每一路功率放大器单元的输出端设置信号隔离单元， 有效抑制了功率合成单元的径向矩形波导端口的信号反射，解决了径向矩形波导端口的回波 损耗和径向矩形波导端口之间的信号串扰；信号隔离单元使得各路功率放大单元相互独立， 当某个功率放大器单元损毁时，其余功率放大器单元仍可以正常工作，功率合成放大器的输 出功率只按一定比例下降，提高了本发明多路径向功率合成放大器的稳定性和可靠性；同时， 信号隔离单元还实现了良好的端口匹配，使得多路高效率功率合成更加稳定可靠。
附图说明
图1是本发明一种多路径向功率合成放大器的功率分配单元的结构示意图；
图2是本发明一种多路径向功率合成放大器的连接关系图；
图3是本发明一种多路径向功率合成放大器的信号隔离单元的结构示意图；
图4是本发明一种多路径向功率合成放大器应用于Ka频段的回波损耗仿真示意图；
图5是本发明一种多路径向功率合成放大器应用于Ka频段的径向矩形波导端口幅度平 衡性仿真示意图；
图6是本发明一种多路径向功率合成放大器应用于Ka频段的径向矩形波导端口相位误 差仿真示意图。
其中，101、矩形波导端口；102、圆柱形波导；103、径向矩形波导端口；104、第一Y型分支；105、第二Y型分支；106、第三Y型分支；107、第四Y型分支；108、第五Y型 分支；109、第六Y型分支；110、第七Y型分支；111、第一波导弯头；112、第二波导弯头；113、第三波导弯头；114、第四波导弯头了；115、第五波导弯头；116、第六波导弯头。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
参照图1和图2，本发明提供了一种多路径向功率合成放大器，包括功率分配单元、多 路功率放大器单元、多路信号隔离单元和功率合成单元，所述功率分配单元包括矩形波导端 口101、分支结构、圆柱形波导102和多个径向矩形波导端口103，所述圆柱形波导102一端 的底面为第一圆波导，由所述矩形波导端口向内延伸的矩形波导通过所述分支结构形成第一 径向矩形波导，所述第一径向矩形波导中的每一路矩形波导均匀排列在所述第一圆波导四周， 所述圆柱形波导的另一个底面为第二圆波导，所述第二圆波导的四周均匀排列有第二径向矩 形波导，所述第二径向矩形波导中的每一路矩形波导远离所述第二圆波导的一端为所述径向 矩形波导端口103，所述径向矩形波导端口103的个数与所述功率放大器单元的路数相等， 所述功率放大器单元的路数与所述信号隔离单元的路数相等，所述功率分配单元通过各个所 述径向矩形波导端口103分别与所述功率放大器单元的每一路的一端连接，所述功率放大器 单元的每一路的另一端分别通过一路所述信号隔离单元连接到所述信号合成单元。
其中，所述功率分配单元和所述功率合成单元的结构相同，所述功率分配单元呈对称结 构，用于将输入的信号分为多路幅度相等且相位相同的信号。在毫米波频段，所述功率分配 单元的***损耗很小，并且能抑制高次模。
具体地，功率分配单元的输入端为矩形波导端口101和向内延申的标准矩形波导，功率 分配单元中矩形波导的传输模式为TE10模。
分支结构设置于所述功率分配单元的波导E面，用于将波导分为两路。在本发明的实施 例中，所述分支结构为Y型分支，所述分支结构包括第一Y型分支104、第二Y型分支105、 第三Y型分支106、第四Y型分支107、第五Y型分支108、第六Y型分支109和第七Y型 分支110。
圆柱形波导102的两个底面分别为第一圆波导和第二圆波导，第一圆波导和第二圆波导 中的传输模式为TE01模。第一圆波导中设置有一段短路的圆波导，为圆波导阶梯短路面。圆 波导TE01模具有低损耗的传输特性，使得信号在功率分配单元和功率合成单元中的传输损耗 低，从而提高了功率合成效率，同时还能有效抑制高次模。在本发明的实施例中，采用所述 功率分配单元和所述功率合成单元的多路径向功率合成放大器的功率合成效率在80％以上。 可以理解的是，波导的功率容量高于传统的集成传输线，并且圆波导TE01模具有极高的功率 容量，使得在本发明的实施例的多路径向功率合成放大器的功率容量进一步增大。
在本发明的实施例中，所述第一径向矩形波导中的每一路矩形波导以所述圆柱形波导102 的轴为轴而径向对称排列，所述第二径向矩形波导中的每一路矩形波导以所述圆柱形波导102 的轴为轴而径向对称排列。第一径向矩形波导和第二径向矩形波导的传输模式为TE10模。
作为一种可选的实施方式，所述功率分配单元还包括阻抗变换结构，所述阻抗变换结构 包括第一波导弯头111、第二波导弯头112、第三波导弯头113、第四波导弯头114、第五波 导弯头115和第六波导弯头116。
其中，阻抗变换结构用于将标准的矩形波导弯曲并在弯曲处之后继续保持标准的矩形波 导，阻抗变换结构采用阶梯阻抗转换的方式进行阻抗转换。
作为一种可选的实施方式，由所述矩形波导端口101向内延伸的矩形波导通过所述第一 Y型分支104分为第一矩形波导和第二矩形波导，所述第一矩形波导依次通过所述第一波导 弯头111和所述第二Y型分支105分为第三矩形波导和第四矩形波导，所述第二矩形波导依 次通过所述第二波导弯头112和所述第三Y型分支106分为第五矩形波导和第六矩形波导， 所述第三矩形波导依次通过所述第三波导弯头113和第四Y型107分支分为第七矩形波导和 第八矩形波导，所述第四矩形波导依次通过所述第四波导弯头114和第五Y型分支108分为 第九矩形波导和第十矩形波导，所述第五矩形波导115依次通过所述第五波导弯头109和第 六Y型分支110分为第十一矩形波导和第十二矩形波导，所述第六矩形波导依次通过所述第 六波导弯头116和第七Y型分支110分为第十三矩形波导和第十四矩形波导，所述第七矩形 波导、所述第八矩形波导、所述第九矩形波导、所述第十矩形波导、所述第十一矩形波导、 所述第十二矩形波导、所述第十三矩形波导和所述第十四矩形波导组成所述第一径向矩形波 导
在本发明的一个实施例中，矩形波导经过三轮分支分为以圆柱形波导102的轴为轴而径 向对称的八路矩形波导(第一径向矩形波导)，第二径向矩形波导和第一径向矩形波导的一端 向圆柱形波导102的轴延申，并在圆柱形波导102的波导壁处分别与第二圆波导和第一圆波 导连接，在连接处相邻的矩形波导宽边公用波导壁，另一端向四周径向对称延申，形成多路 径向的矩形波导支路，各路径向的矩形波导尺寸相同且均匀径向分布，使得输入的信号被等 分为朵路幅度相等、相位相同的信号，输入到功率放大器单元。
在本发明的一个实施例中，若第二径向矩形波导的矩形波导路数为N，各路矩形波导的 宽度为b，第二圆波导的半径为r，则N×b≈2πr。
参照图2，各个径向矩形波导端口103与功率放大器单元连接，功率放大器单元用于将 被功率分配单元分配后的各路信号进行放大。功率放大器单元的输出端与信号隔离单元的一 端连接，信号隔离单元的另一端与功率合成单元的径向矩形波导端口连接。
参照图3，作为一种可选的实施方式，所述信号隔离单元采用矩形波导B型法兰盘，例 如BJ320。
其中，信号隔离单元允许信号正向通过，并阻隔反向信号。正向通过信号隔离单元的信 号的***损耗小于0.2dB，而反向阻隔度大于20dB，有效抑制了功率合成单元的径向矩形波 导端口的信号反射。
由于圆波导的多路径向分配和合成的缺点是径向矩形波导端口回波损耗(≥-6dB)以及 径向矩形波导端口之间互相隔离(≥-8dB)较差，信号隔离单元用于解决径向矩形波导端口 的回波损耗和径向矩形波导端口之间的信号串扰，避免产生自激。同时，通过连接信号隔离 单元，使得各路功率放大单元相互独立，当某个功率放大器单元损毁时，其余功率放大器单 元仍可以正常工作，功率合成放大器的输出功率只按一定比例下降，提高了本发明多路径向 功率合成放大器的稳定性和可靠性。
在本发明的一个实施例中，将另一个功率分配单元倒置连接到信号隔离单元的输出端形 成功率合成单元，即所述功率合成单元的径向矩形波导端口为信号的输入端，所述功率合成 单元的矩形波导端口为信号的输出端。
在本发明的一个实施例中，应用于Ka频段的基于18路径向功率合成放大器，输入波导 为标准BJ320波导，其尺寸为A＝3.556mm，B＝7.112mm，18路渐变的第二径向矩形波导宽边 尺寸b固定为7.112mm，窄边尺寸a从2.3mm渐变到3.556mm。第二圆波导的半径r＝7.4mm， 圆波导阶梯短路面h＝2.8mm。
该径向功率合成放大器的仿真结果如图4、图5和图6所示，在26.5GHz-32.5GHz频率 范围内，总端口的回波损耗低于-18.5dB，18路分支幅度不平衡性小于0.4dB，***损耗小于0.25dB，各矩形波导支路端口到径向矩形波导端口几乎具有相同的相位关系，相位误差小于 1度。
功率合成单元的总输入功率Pin为各路功率放大器单元的输出功率之和，总输入功率Pin为 
输出功率为合成后的总输出功率Pout，合成效率为：
其中，当总输出功率为250W时，各路功率放大器单元的输出功率(功率合成单元的总 输入功率Pin)如下表所示：
因此，合成效率
在本发明的实施例中，通过增加第二圆波导的半径r以及减小第二径向矩形波导的各路 矩形波导的宽度b，可以实现更多支路数的第二径向矩形波导，从而实现更多支路数的径向 功率合成放大器。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于实施例，熟悉本领 域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变 型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种多路径向功率合成放大器，其特征在于，包括功率分配单元、多路功率放大器单元、多路信号隔离单元和功率合成单元，所述功率分配单元呈对称结构，所述功率分配单元包括矩形波导端口、分支结构、圆柱形波导和多个径向矩形波导端口，所述圆柱形波导一端的底面为第一圆波导，由所述矩形波导端口向内延伸的矩形波导通过所述分支结构形成第一径向矩形波导，所述第一径向矩形波导中的每一路矩形波导均匀排列在所述第一圆波导四周，所述圆柱形波导的另一个底面为第二圆波导，所述第二圆波导的四周均匀排列有第二径向矩形波导，所述第二径向矩形波导中的每一路矩形波导远离所述第二圆波导的一端为所述径向矩形波导端口，所述径向矩形波导端口的个数与所述功率放大器单元的路数相等，所述功率放大器单元的路数与所述信号隔离单元的路数相等，所述功率分配单元通过各个所述径向矩形波导端口分别与所述功率放大器单元的每一路的一端连接，所述功率放大器单元的每一路的另一端分别通过一路所述信号隔离单元连接到所述信号合成单元。
2.根据权利要求1所述的一种多路径向功率合成放大器，其特征在于，所述第一径向矩形波导中的每一路矩形波导以所述圆柱形波导的轴为轴而径向对称排列，所述第二径向矩形波导中的每一路矩形波导以所述圆柱形波导的轴为轴而径向对称排列。
3.根据权利要求1所述的一种多路径向功率合成放大器，其特征在于，所述分支结构设置于所述功率分配单元的波导E面。
4.根据权利要求3所述的一种多路径向功率合成放大器，其特征在于，所述分支结构为Y型分支，所述分支结构包括第一Y型分支、第二Y型分支、第三Y型分支、第四Y型分支、第五Y型分支、第六Y型分支和第七Y型分支。
5.根据权利要求4所述的一种多路径向功率合成放大器，其特征在于，所述功率分配单元还包括阻抗变换结构，所述阻抗变换结构包括第一波导弯头、第二波导弯头、第三波导弯头、第四波导弯头、第五波导弯头和第六波导弯头。
6.根据权利要求5所述的一种多路径向功率合成放大器，其特征在于，由所述矩形波导端口向内延伸的矩形波导通过所述第一Y型分支分为第一矩形波导和第二矩形波导，所述第一矩形波导依次通过所述第一波导弯头和所述第二Y型分支分为第三矩形波导和第四矩形波导，所述第二矩形波导依次通过所述第二波导弯头和所述第三Y型分支分为第五矩形波导和第六矩形波导，所述第三矩形波导依次通过所述第三波导弯头和第四Y型分支分为第七矩形波导和第八矩形波导，所述第四矩形波导依次通过所述第四波导弯头和第五Y型分支分为第九矩形波导和第十矩形波导，所述第五矩形波导依次通过所述第五波导弯头和第六Y型分支分为第十一矩形波导和第十二矩形波导，所述第六矩形波导依次通过所述第六波导弯头和第七Y型分支分为第十三矩形波导和第十四矩形波导，所述第七矩形波导、所述第八矩形波导、所述第九矩形波导、所述第十矩形波导、所述第十一矩形波导、所述第十二矩形波导、所述第十三矩形波导和所述第十四矩形波导组成所述第一径向矩形波导。
7.根据权利要求1所述的一种多路径向功率合成放大器，其特征在于，所述第一圆波导和所述第二圆波导的传输模式为TE01模，所述第二径向矩形波导的传输模式为TE10模。
8.根据权利要求1所述的一种多路径向功率合成放大器，其特征在于，所述信号隔离单元采用矩形波导B型法兰盘。
9.根据权利要求1-6任一项所述的一种多路径向功率合成放大器，其特征在于，所述功率分配单元和所述功率合成单元的结构相同。
10.根据权利要求9所述的一种多路径向功率合成放大器，其特征在于，所述功率合成单元的径向矩形波导端口为信号的输入端，所述功率合成单元的矩形波导端口为信号的输出端。
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2021
- 2021-10-26 CN CN202111246461.3A patent/CN114039184A/zh active Pending
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