[实用新型]宽带射频合成式功率放大器

说明书

技术领域

本实用新型属于射频电路技术领域，特别涉及对分配合成技术的改进。

背景技术

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＝2^M)路合成放大器结构。分配器(合成器)由M级共2^M-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Wilkinson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＝2^M)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。