宽带射频合成式功率放大器制造技术

本实用新型专利技术涉及宽带射频合成式功率放大器，属于射频电路技术领域，包括Ｎ个放大器单元构成的放大器，其特征在于，还包括由Ｋ个四分之一波长的３ｄＢ正交电桥及Ｋ个负载通过Ｍ级级联而成的功率合成器；Ｋ个威尔金森同相宽带二分配器和Ｋ个９０°移相器通过Ｍ级级联构成的功率分配器；Ｍ为正整数，Ｎ＝２Ｍ，Ｋ＝２Ｍ－１；本实用新型专利技术使整个放大器工作带宽宽，并具有体积小，效率高，且容易实现，复制性好的特点。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于射频电路
，特别涉及对分配合成技术的改进。
技术介绍
在通信、广播、雷达、工业加工、医疗仪器和科学研究领域通常需要用到高功率的 射频功率放大器。由于其功率等级高，单只功率放大器件难以满足输出能力的要求，一般采 用合成式功率放大器(以下简称合成式功放)；合成式功放包括三个部分功率分配器，放 大器，功率合成器，如图1所示；其中功率分配器将输入的射频功率分配到N个支路上；分 配器每个支路的输出与一个放大器单元的输入连接，N个放大器单元的输出均与功率合成 器的输入连接，每个放大器单元的输出功率等级相对不高，设为P，合成器最终将N路放大 后的功率相加，得到N*P的总功率输出功率，N为正整数。随着应用频率范围的扩宽和新业务的增长(如数字电视，3G移动通信)，对功放的 带宽需求越来越高。合成式功放最终的带宽取决于上述三个部件的带宽。目前，对于功率等级相对不高的放大器单元(如单管放大器)，通过负载牵引 (Load Pull)技术和网络综合、计算机仿真优化手段，可以获得一个到几个倍频程的可用带 宽。因此在合成式功率放大器中，分配器与合成器的宽带化设计成为关键。常规设计中，分 配器与合成器为相同器件，结构完全对称，即分配器作为输出的端口，合成器作为输入的端 口，反之亦然。常用的分配合成方案一般有两种第一种为正交方案，如图2所示，其中，图2(a) 是两路正交合成式功率放大器的结构，其分配器与合成器都是采用四分之一波长的3dB正 交电桥，射频功率由分配器的输入端21输入，经正交电桥分割为功率相等的两路，分别送 至分配器的输出端口 22和23。其中端口 22的输出信号与输入信号相位相等，称为同相输 出；端口 23的输出信号比端口 21落后90度，称为正交输出。分配器的两路输出信号经过 两个相同的放大器单元放大后，输入到合成器的输入口 25和26，最终在合成器的输出口 27 实现两路功率之和。端口 27比25相位落后90度，与26同相。分配器与合成器各有一个 吸收负载24和28。图2 (b)是基于两路合成放大器实现的N (N = 2m)路合成放大器结构。分配器(合 成器)由M级共2m-1个3dB正交电桥构成，最终形成N个支路，M为正整数。第二种为同相方案，采用WiIkinson型两路分配器与合成器，如图3所示，图中，分 配器包括两段70. 7欧姆的四分之一波长传输线，它们一端汇接于输入口 31，另一端321和 331分别作为分配器的输出端。100欧姆平衡电阻34跨接于两个输出端口之间。输入功率 进入分配器端口 31，被分配到端口 321和331，两个端口的输出功率相等，相位相同。分配 器的输出功率经过两路相同的放大器单元放大后，再由合成器将两路功率相加后由端口 35 输出。合成器原理与分配器相同。同样，通过M级级联，可将2路合成式功放扩展为N(N = 2M)路。上述正交方案和同相方案均不能满足宽带功放的要求，主要表现在正交分配合成器各个支路的幅度平衡度随频带和级联级数M的增加迅速恶化，导 致放大器单元的功率负荷有较大差别，降低放大器单元的利用效率，并增加功率合成过程 的损耗。例如，四分之一波长3dB正交电桥的功率分配特性如图4，图中，曲线41为0度输 出信号，曲线42为90度输出信号；在一个倍频程内，两路输出信号幅度相差0. 6dB。如果 两级电桥级联为四路分配器(即M = 2)，则四路分配输出之间的功率差最大为1. 2dB ；当M =3时，这种不平衡可达1.8dB。正交合成器有同样的问题。所以，幅度平衡度是限制正交 型合成式放大器带宽的主要问题。上述同相分配器和合成器结构由于完全对称，理想情况在很宽的带宽内(至少一 个倍频程)各支路端口之间的幅度完全一致，幅度平衡度不存在带宽限制。但各端口反射 损耗以及两个支路端口之间的隔离度带宽很窄，一般地，四分之一波长Wilkinson型网络， 其端口反射损耗小于_20dB的相对带宽不大于37%，隔离度大于20dB的相对带宽不大于 37%，如图5所示，其中，(a)为端口反射损耗曲线，(b)为隔离度曲线。可见反射损耗与隔 离度的窄带特性限制了同相合成式功放的带宽。现有扩展带宽的方案是合成器与分配器均采用相同的多节四分之一波长的结构， 如图6所示；其中图6(a)是三段四分之一波长耦合线组成的宽带3dB正交电桥结构，它包 括一段强耦合线61和分别与61相连的两段弱耦合线62和63。在一个倍频程内幅度平衡 度小于0. ldB。该模型中的弱耦合传输线的特性对结构参数(如传输线宽度和传输线间的 间距)非常敏感，进而影响整个电桥的最终特性，因此在实际应用中此方案的可实现性和 成品率均不理想。图6(b)为两节四分之一波长的威尔金森(Wilkinson)器件作为二分配器和二合 成结构，它包括两对四分之一波长的阻抗变化线64和65，它们级联在一起。每一对阻抗 变换线跨接一个平衡电阻66和67。其-20dB反射损耗带宽达94%，该带宽内隔离度大于 20dB。如需要更宽的带宽，可以增加四分之一波长线的节数至3，4，5等等。上述宽带化措施虽然解决了幅度平衡度、反射损耗和隔离度的带宽问题，但由于 采用多节四分之一波长结构，导致其损耗增大，用作功率合成器时会降低功放的总体效率。 另外，合成器的功率负荷较大，高损耗会导致发热，增加热设计的难度。大功率合成器所选 用的传输线体积一般较大，多节结构会进一步加大其空间占用，实现难度更大。所以该宽带 化方案不适合用于大功率宽带合成器。
技术实现思路
本技术的目的是为克服现有合成式功率放大器中分配器与合成器的不足，提 出一种宽带射频合成式功率放大器，通过建立幅度平衡度与最终合成损耗的理论模型，找 到一种优化的分配合成方案，即分配器与合成器采用不同的结构，使整个放大器工作带宽 宽，并具有体积小，效率高，且容易实现，复制性好的特点。本技术提出的宽带射频合成式功率放大器，包括N个放大器单元构成的放大 器，其特征在于，还包括由K个四分之一波长的3dB正交电桥及K个负载通过M级级联而成 的功率合成器和K个威尔金森同相宽带二分配器和K个90°移相器通过M级级联构成的功 率分配器；M为正整数，N = 2M, K = 2m-1 ；其连接关系为第一级二分配器的两个等幅等相 输出端口中的一个直接与第二级的一个二分配器的输入端相连，另一个输出端口通过90°移相器与第二级的另一个二分配器的输入端相连，依次类推；第M级的二分配器的两个等 幅等相输出端口中的一个直接与放大器单元的输入端相连，另一个输出端口通过90°移相 器与放大器单元的输入端相连，N个放大器单元的输出端分别与N/2个第M级的四分之一 波长3dB电桥的两个输入端相连，第M级的每个四分之一波长3dB电桥的一个输出端与负 载相连，相邻的两个四分之一波长3dB电桥的另一个输出端同时与第M-I级的一个四分之 一波长3dB电桥的两个输入端相连，依此类推；第一级二分配器的输入端口为功率分配器 总的输入端，第一级正交电桥的一个输出口为合成式功放的最终射频输出，另一个输出口 与负载相连。本技术的有益效果本技术提出了宽带合成式功率放大器合成损耗与分配、合成网络平衡度的关 系，根据这一理论指导，进而提出了一种合成分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种宽带射频合成式功率放大器，包括Ｎ个放大器单元构成的放大器，其特征在于，还包括由Ｋ个四分之一波长的３ｄＢ正交电桥及Ｋ个负载通过Ｍ级级联而成的功率合成器和Ｋ个威尔金森同相宽带二分配器和Ｋ个９０°移相器通过Ｍ级级联构成的功率分配器；Ｍ为正整数，Ｎ＝２↑［Ｍ］，Ｋ＝２↑［Ｍ］－１；其连接关系为：第一级二分配器的两个等幅等相输出端口中的一个直接与第二级的一个二分配器的输入端相连，另一个输出端口通过９０°移相器与第二级的另一个二分配器的输入端相连，依次类推；第Ｍ级的二分配器的两个等幅等相输出端口中的一个直接与放大器单元的输入端相连，另一个输出端口通过９０°移相器与放大器单元的输入端相连，Ｎ个放大器单元的输出端分别与Ｎ／２个第Ｍ级的四分之一波长３ｄＢ电桥的两个输入端相连，第Ｍ级的每个四分之一波长３ｄＢ电桥的一个输出端与负载相连，相邻的两个四分之一波长３ｄＢ电桥的另一个输出端同时与第Ｍ－１级的一个四分之一波长３ｄＢ电桥的两个输入端相连，依此类推；第一级二分配器的输入端口为功率分配器总的输入端，第一级正交电桥的一个输出口为合成式功放的最终射频输出，另一个输出口与负载相连。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宁，黄传斌，徐汉桥，曹桂盛，蔡晓亚，蔡长发，
申请(专利权)人：北京瑞夫艾电子有限公司，
类型：实用新型
国别省市：11[中国|北京]