[发明专利]微波毫米波积木式功率分配合成器

说明书

技术领域

本发明涉及一种微波毫米波空间功率分配合成网络技术，用于把一路输入信号分配到多路通道中，激励多个固态功率放大器，并将功率放大器输出的信号同相合成，从而获得高功率输出。

背景技术

在微波毫米波系统中，发射机是其中最为关键的部件之一，它的输出功率直接决定了系统的作用半径，抗干扰能力以及系统的通信质量与性能。固态发射机具有电源简单、尺寸小、重量轻、寿命长、占空比大等优点，但单个固态器件产生的功率小是其固有的不足。随着频率升高，器件尺寸减小，单个固态器件的输出功率也随之减小，频率越高，输出功率就越小。电真空器件虽然可以产生比固态器件高的功率，但要求有很高电压的电源，且体积庞大，在很多环境如航天航空飞行器中不好应用。固态器件受自身半导体物理特性的影响以及加工工艺等诸方面的限制，单个固态器件要获得较大的输出功率还难以实现。为了提高固态发射机的功率，一条众所周知的技术途径就是采用功率合成技术。固态功率合成技术研究已有几十年的历史，在微波频段已经获得大量实际应用。

功率合成有两种类型，一种是振荡器式功率合成，即采用多个固态振荡管制作振荡器，其输出功率比单管振荡器的输出功率大。这个方案因为不易实现高质量如低相位噪声的信号和雷达所需的多种波形信号，现在已经较少采用。现在采用的是多个固态功率放大合成的方案，即用微波频率源产生高质量的能实现雷达所需波形的低功率信号，馈入若干个固态功率放大器，再将这些功率放大器输出的功率合成，得到高功率输出。这个方案既能实现高功率输出，又能实现输出信号的高质量，成为固态功率合成的主流。本发明涉及的就是这种功率合成技术。

目前，功率合成技术有不同的实现途径和称呼，如芯片级合成、电路合成、空间合成和准光合成等。这些称呼是从功率合成的技术途径来命名的。为了更清晰地说明功率合成的技术特征，我们从功率合成的网络拓扑来分类，至于实现特定网络的物理结构可以是芯片级合成、电路级合成、空间合成或准光合成。我们把功率合成的网络拓扑分为2-1型和N-1型，定义如下：

2-1型：这种网络拓扑的特征是：输入信号1分为2，2分为4，4分为8，8分为16，16分为32，类推，即下一级通道数是上一级的通道数乘以2；输出信号则反过来，32合为16，16合为8，8合为4，4合为2，2合为1；示意如图1。

芯片级合成与电路合成采用这种网络拓扑。这种网络拓扑的优点是物理结构简单，有现成的平面功率分配合成结构可用，且已发展得相当成熟。其缺点是合成路数多了以后网络损耗增加很大，例如合成32路网络有5级，输入输出加在一起就是10级，这10级网络要损耗很多功率，当合成路数增加到一定数目后，再增加路数也不会增大输出功率。在合成路数少于32路时，多级网络的损耗也会降低合成效率。

这个网络拓扑的另一缺点是它合成的路数须是2的整数倍，对于调控输出功率的大小不方便，增加1级输出功率过大，不增加又不够。

N-1型：这种网络拓扑的特征是：输入信号第1级1分为K，第2级每路1分为M，K路分为K×M路，第3级每路1分为N，K×M路分为K×M×N路，类推，即下一级通道数是上一级的通道数乘以每路的功分数K（或M或N）；输出信号则反过来，K×M×N合为K×M，K×M合为K，K合为1。K（M或N）大于2。显然，对于合成同样的路数，这个网络拓扑需要的合成级数比2-1型少得多。例如，输入时1分为4，4分为16，16分为64；合成时64合为16，16合为4，4合为1；共6级就可合成64路，而2-1型要10级才能合成32路。增大N还可减少合成的级数。合成网络的级数减少就可减小网络的损耗。另外，N可以调整，即在不同的级可以取不同的N，从而合成的路数与2-1型相比灵活可变。例如，可以1分为4，4分为20（即第2级是每路1分为5，4路分为20路）；或者1分为5，5分为30（即第2级是每路1分为6，5路分为30路）；

实现这种功率分配合成网络无疑将是功率合成技术的一大突破。