[实用新型]一种覆盖9kHz~100MHz的大功率合成器

说明书

本实用新型公开了一种覆盖9kHz～100MHz的大功率合成器，主要解决现有功率合成器低频与高频不能兼容的问题。本合成器由6个传输线变压器构成，合成端的四个变压器与射频功率放大器连接，将4路功率合成，端口间具有隔离电阻，避免放大器互相影响。输出端的两个变压器将合成之后的阻抗变换为射频系统的特征阻抗。通过上述设计，本实用新型采用适当的变压器拓扑设计，减少线间耦合电容，增加相同线长下的等效电感量，使得合成电路能同时工作在9kHz～100MHz频段。解决了现有大功率合成器低频和高频不能兼容的问题，避免了由于阻抗失配导致合成效率下降，引起被合成的功率放大器不稳定的问题。因此，适宜推广应用。

技术领域

本实用新型涉及通信技术领域，具体地说，是涉及一种覆盖9kHz～100MHz 的大功率合成器。

背景技术

射频功率放大器是通信、测试系统的重要组成部分。不同系统对工作带宽、输出功率大小有对应的要求。常见的无线通信涉及到1MHz～6GHz频带范围，平均功率在几十瓦量级；对于远程预警、射频测试等应用场景，覆盖的频率从几kHz开始，对应的功率从几百瓦到几十千瓦不等。获得大功率输出的一种方法是功率合成器，当频率覆盖需要跨越9kHz到100MHz时，需要考虑基于变压器的合成技术。

基于变压器的合成技术基本原理是通过将多路待合成的端口电流相加，实现功率的合成，然后再通过单级或者多级的阻抗变换电路把端口阻抗变换到50 Ω，实现与系统电路的阻抗匹配，防止出现因失配而导致的功率反射。

由于变压器是利用主副级线圈的匝数比来进行阻抗变换，其阻抗变换关系如下：

其中R_L、R′_L分别是变换前、后的阻抗。n是初级线圈和次级线圈之比，如下式所示：

其中N_S是次级线圈的匝数，N_P为初级线圈的匝数。

因此，由需要变换的阻抗比例，可以计算出需要的匝数：

在理想的情况下，根据合成路数计算所得的匝数是可以精确控制的，从而保证阻抗的匹配和最大功率传输。但在实际线圈的绕制中，匝与匝之间会形成容性耦合，其线间耦合电容值如下式所示：

式中l为线长，d为线间距，a为线径。因此，当线长越长、线径越粗、绕制越密，线间电容越大。

工作频率较低时，线间电容影响不大，但当频率超过10MHz时，此现象会成为主导因素，导致端口阻抗降低，或者与线圈本身的电感形成谐振电路，使得一些频点的插损快速恶化。这种现象在合成功率增加时更加明显，功率达到 kW量级时，大功率导致了更粗的线缆和磁芯，增加了整个电路的尺寸，在较高频率看来，巨大的尺寸会引入不期望的分布参数，如更大的线间耦合电容、对地电容等。另外，端口的阻抗失配会导致被合成的射频功率放大器失配，影响其正常的工作状态，导致工作点变化，输出功率减小，或者自激而损坏。

现有技术的解决方案有两种，但都涉及到将工作频段分为两段。

一种是通过两种不同的电路形式来分别实现。在9kHz～10MHz以下，可以采用传统的变压器方式进行绕制；而在10MHz以上，可以考虑采用其他的方式，如微带线、带状线、谐振腔等阻抗变换，这些阻抗变换方式的电路尺寸和波长紧密相关，因体积问题而无法有效应用在kHz的低频中。

另一种是采用传输线变压器原理，但两个频段采用不同的电路参数。在 9kHz～10MHz以下，重点考虑低频所需要等效电感量，这需要增加传输线的长度和磁芯的磁导率，射频的损耗相对较小；而在10MHz以上，传输线长、磁芯的损耗都对合成器的性能有较大的影响，所以需要缩短传输线的长度，降低磁芯的磁导率和射频损耗。因此，也需要采用分开的两种电路。