[發(fā)明專利]一種覆蓋9kHz~100MHz的大功率合成器及合成方法

在審

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• 申請日: 2020-06-30
• 公開（公告）號: CN111817672A
• 公開（公告）日: 2020-10-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 侯鈞;劉洋;黃亮;徐金強(qiáng);楊陽
• 申請（專利權(quán)）人: 成都四威功率電子科技有限公司
• 主分類號: H03F3/24
• 分類號: H03F3/24;H03F1/02
• 代理公司: 成都眾恒智合專利代理事務(wù)所(普通合伙) 51239
• 代理人: 王育信

本發(fā)明公開了一種覆蓋9kHz～100MHz的大功率合成器，主要解決現(xiàn)有功率合成器低頻與高頻不能兼容的問題。本合成器由6個(gè)傳輸線變壓器構(gòu)成，合成端的四個(gè)變壓器與射頻功率放大器連接，將4路功率合成，端口間具有隔離電阻，避免放大器互相影響。輸出端的兩個(gè)變壓器將合成之后的阻抗變換為射頻系統(tǒng)的特征阻抗。通過上述設(shè)計(jì)，本發(fā)明采用適當(dāng)?shù)淖儔浩魍負(fù)湓O(shè)計(jì)，減少線間耦合電容，增加相同線長下的等效電感量，使得合成電路能同時(shí)工作在9kHz～100MHz頻段。解決了現(xiàn)有大功率合成器低頻和高頻不能兼容的問題，避免了由于阻抗失配導(dǎo)致合成效率下降，引起被合成的功率放大器不穩(wěn)定的問題。因此，適宜推廣應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，是涉及一種覆蓋9kHz～100MHz的大功率合成器及合成方法。

背景技術(shù)

射頻功率放大器是通信、測試系統(tǒng)的重要組成部分。不同系統(tǒng)對工作帶寬、輸出功率大小有對應(yīng)的要求。常見的無線通信涉及到1MHz～6GHz頻帶范圍，平均功率在幾十瓦量級；對于遠(yuǎn)程預(yù)警、射頻測試等應(yīng)用場景，覆蓋的頻率從幾kHz開始，對應(yīng)的功率從幾百瓦到幾十千瓦不等。獲得大功率輸出的一種方法是功率合成器，當(dāng)頻率覆蓋需要跨越9kHz到100MHz時(shí)，需要考慮基于變壓器的合成技術(shù)。

基于變壓器的合成技術(shù)基本原理是通過將多路待合成的端口電流相加，實(shí)現(xiàn)功率的合成，然后再通過單級或者多級的阻抗變換電路把端口阻抗變換到50 Ω，實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)電路的阻抗匹配，防止出現(xiàn)因失配而導(dǎo)致的功率反射。

由于變壓器是利用主副級線圈的匝數(shù)比來進(jìn)行阻抗變換，其阻抗變換關(guān)系如下：

其中R_L、R′_L分別是變換前、后的阻抗。n是初級線圈和次級線圈之比，如下式所示：

其中N_S是次級線圈的匝數(shù)，N_P為初級線圈的匝數(shù)。

因此，由需要變換的阻抗比例，可以計(jì)算出需要的匝數(shù)：

在理想的情況下，根據(jù)合成路數(shù)計(jì)算所得的匝數(shù)是可以精確控制的，從而保證阻抗的匹配和最大功率傳輸。但在實(shí)際線圈的繞制中，匝與匝之間會(huì)形成容性耦合，其線間耦合電容值如下式所示：

式中l(wèi)為線長，d為線間距，a為線徑。因此，當(dāng)線長越長、線徑越粗、繞制越密，線間電容越大。

工作頻率較低時(shí)，線間電容影響不大，但當(dāng)頻率超過10MHz時(shí)，此現(xiàn)象會(huì)成為主導(dǎo)因素，導(dǎo)致端口阻抗降低，或者與線圈本身的電感形成諧振電路，使得一些頻點(diǎn)的插損快速惡化。這種現(xiàn)象在合成功率增加時(shí)更加明顯，功率達(dá)到 kW量級時(shí)，大功率導(dǎo)致了更粗的線纜和磁芯，增加了整個(gè)電路的尺寸，在較高頻率看來，巨大的尺寸會(huì)引入不期望的分布參數(shù)，如更大的線間耦合電容、對地電容等。另外，端口的阻抗失配會(huì)導(dǎo)致被合成的射頻功率放大器失配，影響其正常的工作狀態(tài)，導(dǎo)致工作點(diǎn)變化，輸出功率減小，或者自激而損壞。

現(xiàn)有技術(shù)的解決方案有兩種，但都涉及到將工作頻段分為兩段。

一種是通過兩種不同的電路形式來分別實(shí)現(xiàn)。在9kHz～10MHz以下，可以采用傳統(tǒng)的變壓器方式進(jìn)行繞制；而在10MHz以上，可以考慮采用其他的方式，如微帶線、帶狀線、諧振腔等阻抗變換，這些阻抗變換方式的電路尺寸和波長緊密相關(guān)，因體積問題而無法有效應(yīng)用在kHz的低頻中。

另一種是采用傳輸線變壓器原理，但兩個(gè)頻段采用不同的電路參數(shù)。在 9kHz～10MHz以下，重點(diǎn)考慮低頻所需要等效電感量，這需要增加傳輸線的長度和磁芯的磁導(dǎo)率，射頻的損耗相對較小；而在10MHz以上，傳輸線長、磁芯的損耗都對合成器的性能有較大的影響，所以需要縮短傳輸線的長度，降低磁芯的磁導(dǎo)率和射頻損耗。因此，也需要采用分開的兩種電路。