[发明专利]一种新型超宽带功率合成电路阻抗匹配电路及方法

说明书

本发明公开了一种新型超宽带功率合成电路阻抗匹配电路及方法，属于大功率测量领域。本发明中的匹配电路可满足现代通信系统超宽带、大功率与小型化的需求；本发明提出的新型阻抗匹配的方法主要是由高次三角函数和Klopfenstein函数相结合，形成的一种双渐变的阻抗变换网络；利用该方法提高了功率的合成效率，实现了超宽带工作频率的覆盖，减小了功率合成的电路的尺寸、提高了空间利用率，该方法对高效率的功率分配/合成技术提供了一种新的匹配方式，进一步提高了阻抗匹配的效率，为实现功率合成电路的超宽带、小型化提供了一种全新的方案。

技术领域

本发明属于大功率测量领域，具体涉及一种新型超宽带功率合成电路阻抗匹配电路及方法。

背景技术

微波毫米波功率放大器是通信系统中不可或缺的重要组成部分，随着现代通信技术的快速发展，对功率放大器的工作带宽、输出功率、工作效率以及结构的小型化、工作的稳定性都提出了更高的要求。基于功放芯片的自身半导体物理特性的影响，以及现当代加工工艺、匹配方式、基板材料等多方面的影响，单片的功放芯片其输出功率远远达不到工程应用的需求。为满足大功率测试系统、微波毫米波通信系统以及电磁兼容测试系统等大功率的输出要求，目前普遍采用功率合成技术。信号由功率分配器等幅同相的分配给多个支路，各支路分别进行放大后再由功率合成器进行功率的合成，以达到大功率输出的目的。

传统的功率分配/合成技术主要分为两大类：平面功率分配/合成技术和空间功率分配/合成技术。前者主要是利用微带传输技术进行不同阻抗之间的匹配，后者是利用波导传输或者同轴传输线进行阻抗变换，进而完成匹配工作。

在功率的分配/合成中阻抗匹配的效率对其影响较大，良好的阻抗匹配能够实现超宽带的工作频段，较低反射功率以及较高的输出功率等。传统的匹配方法有LC匹配网络、短截线匹配、λ/4变换器、多节匹配变换器以及渐变传输线等方法。为实现功率合成电路的宽频带覆盖，阻抗匹配方法的方法从λ/4变换器演变到多节匹配变换器，继续增加匹配节数演化到渐变传输线的匹配方法。这些方法在增加工作频宽的同时也带来了器件的物理尺寸不断变大，对功率放大器甚至对整个测试系统的小型化起到了阻碍的作用。但是较短的匹配节又会影响频带宽度。因此在小型化与超宽带之间就存在一个相互矛盾的问题。

如图1所示，一种利用双节匹配变换器设计的平面微带Wilkinson功率分配/合成器示意图，该合成器为一个两路等幅同相的Wilkinson功率合成器。该结构为平面三端口网络，为实现宽带的功率合成，利用了两节变换器相连的阻抗匹配方法。该合成器主要由以下几部分组成：两个标准50Ω输入端口1-1和1-2；阻抗匹配网络1-3；标准50Ω输出端口1-6。其中1-3是由第一匹配节1-4和第二匹配节1-5，两个匹配节组成。该匹配方式相比于λ/4匹配变换器提高了工作带宽，如图2所示。但是该方法设计的合成电路延长了匹配长度，使得整个电路加长。同时多个匹配节之间利用台阶式连接，信号在该处传播时会造成一定的传输不连续性，从而增大了端口驻波比。

功率分配/合成器阻抗匹配的方式主要是利用λ/4变换器、多节匹配变换器以及渐变传输线等方法进行输入输出端口的阻抗匹配，为了增加频带宽度，采用增加功分支路匹配节数的方法，利用该方法设计的合成电路随着匹配节数的增多，工作频段也就得到一定的拓宽。但是功分支路节数的增加就会造成射频通路的加长，从而带来较大的插入损耗，较高的插入损耗将直接导致功率合成效率降低。同时多个匹配节之间利用台阶式连接，信号在该处传播时会造成一定的传输不连续性，从而降低了匹配效率。功分支路节数的增多还会造成功率分配/合成器的物理尺寸变大，在空间限制的情况下，无法进行多支节的匹配就很难获得较好的匹配网络，进而导致反射功率的增加。较大的反射功率还会引起电路的热损耗增加，降低了功率合成电路的功率容量。因此，以传统的匹配方法形成的功率合成电路时，存有频带窄、热损耗高、功率容量小、空间利用率低以及端口驻波不好等问题，不能满足系统大功率、高效率、小型化的要求。

发明内容