专利名称：一种毫米波段信号功率放大与合成方法
技术领域：
本发明属于微波技术领域，涉及微波信号功率放大与合成，具体是一种基于毫米 波段3dB波导裂缝电桥实现毫米波段信号功率放大与合成方法。是一种能有效减小放大器 与功率合成系统的体积、重量、设备量，降低功率合成系统的调试难度与成本，改善毫米波 段注锁放大器功率合成系统性能的实用方法。
背景技术：
毫米波技术广泛应用于导弹精确制导、雷达及保密通信等领域。功率放大器是毫 米波系统的关键部件，其输出功率的大小直接决定了系统的威力、抗干扰能力及通信质量 等指标。毫米波段特别是在W波段及以上频段，由于半导体材料的特性导致单个器件固态 毫米波源的输出功率比较小，单管振荡器常常难以满足大功率固态毫米波系统对发射功率 的要求，解决毫米波频段输出功率不足的最有效方法就是功率合成技术，同时要保证系统 的相参性。传统的注入锁定放大方法是W波段以上毫米波段实现信号功率放大的主要方法， 由一只三端口环行器和一只毫米波振荡源组成，工作时将毫米波小功率信号通过环行器注 入具有较大输出功率的毫米波振荡源，对其较大功率输出信号进行锁定后经过环行器输 出。其具体实现方法如图1(a)所示，小功率信号如图1(b)所示，从环行器1的端口 I输入， 经过环行器1后由端口 II注入毫米波振荡器2。该振荡器可以产生较大功率毫米波自由振 荡频率信号如图I(C)所示。通过设计和调节使毫米波振荡器2的自由振荡频率与注入小 功率信号的绝对频率偏差小于毫米波振荡器的注锁带宽，以满足振荡器的注入锁定频率要 求。调节注入小功率信号的功率来满足振荡器注入锁定的功率要求。当频率偏差和注入功 率同时满足要求时，毫米波振荡器2的自由振荡频率会被环行器1的端口 I注入的小功率 信号所同步，这种现象称为注入锁定，而被锁定的大功率信号如图1(d)则从环行器1的端 口 III输出，频率与注入小功率信号相同，从而实现对注入小信号的放大。传统毫米波功分器多采用波导E-T分支或H-T分支形成如图2(a)所示，当图2(b) 所示电压幅度为1的毫米波信号由功率分配器3的端口 I输入时，端口 II和端口 III均有 电压幅度为1/力的同频、图2(c)和图2(d)所示同相位信号输出。用于功率合成过程与功 率分配相反。传统的毫米波段注入锁定功率放大器功率合成方法是将上述二者结合，在输出端 加上合成网络如图3(a)所示，它是将图3(b)所示幅度为1的毫米波小功率信号经过功率 分配网络4实现功率分配，功分以后的两路毫米波小功率信号如图3(c)、图3(d)所示分别 通过环行器5和6注入输出功率的较大毫米波振荡源7和8对其进行锁定。锁定以后的较 大功率毫米波信号如图3 (e)、图3 (f)所示分别经各自的环行器5和6输出，然后再由毫米 波功率合成网络9进行功率合成，从而得到所需要的合成功率信号如图3(g)所示。传统的 毫米波段功率合成方法成功应用于毫米波段注入锁定功率放大器的功率合成，但缺点明显 如设备复杂、体积、重量大、成本高、系统调试难度大，不利于系统小型化和低成本等。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对传统的毫米波段注入锁定功率放大与合成方 法在系统体积、重量、成本与调试难度等方面存在的不足之处，提出一种利用毫米波3dB波 导裂缝电桥实现功率分配和合成的新型毫米波段注入锁定功率放大与合成方法，用毫米波 3dB波导裂缝电桥毫米波段小功率信号输入功率分配网络与大功率输出信号功率合成网络 复用，省去了传统毫米波段注入锁定功率放大与合成方法中的功分网络、两个环行器和合 成网络。从而实现减小毫米波段注入锁定功率放大器功率合成系统体积、重量与设备量，提 高放大带宽，改善合成功率输出平坦度的目的，降低了实现成本与电路调试难度。本发明采用的解决问题的技术方案是利用毫米波3dB波导裂缝电桥耦合端口比 直通端口落后90°的特殊相位关系，形成的功率分配同时也是功率合成的复用网络，利用 两个毫米波振荡器构成两个注入锁定功率放大器电路；将一路毫米波段小功率信号直接注 入毫米波段3dB波导裂缝电桥，经过功率分配以后形成两路幅度相等，相位相差90°的毫 米波段小功率信号输出，由两个注入锁定功率放大器电路分别对两路毫米波段小功率信号 进行锁定放大，经过注入锁定放大的功率信号再经过毫米波3dB波导裂缝电桥进行功率合 成，形成一路与注入锁定放大的功率信号同相的毫米波大功率信号，从而同时实现对注入 电桥的毫米波小信号的功率放大和功率合成。传统的毫米波段注入锁定功率放大器中环行器6的作用是保证毫米波信号的单 向传输，同时为输出信号提供一个通道。如图4所示的，3dB波导裂缝电桥功率分配网络由 两个尺寸相同、具有公共窄壁的矩形波导构成，其耦合机构是公共壁上的连续耦合缝。由于 耦合缝的作用形成了耦合端口比直通端口的落后90°的相位关系和等分输出的幅度关系。 由此决定了它可以用于实现环行器的信号单向传输功能，也保证了合成后输出信号通道的 唯一性。本发明与现有技术相比较所具有的有益效果是(1)本发明所提出的毫米波段注入锁定功率放大器功率合成方法利用一只毫米波 波导裂缝电桥以复用方式实现放大前小信号功率分配和放大后大信号的功率合成，从而实 现了两路毫米波段注入锁定功率放大器的高效率功率合成，提高了输出功率。(2)本发明所提出的毫米波段注入锁定功率放大器功率合成方法利用毫米波波导 裂缝电桥各端口间的隔离特性保证了功率合成时两输入、两输出以及输入和输出通道间具 有一定的隔离作用，从而替代了传统毫米波段注入锁定功率放大器中环行器的作用。相对 于传统的两路毫米波段注入锁定功率放大器功率合成方案减少了两个环行器和一个毫米 波功率分配/功率合成网络，从而大大地减小了毫米波段注入锁定功率放大器功率合成系 统的设备量、体积和重量。(3)利用本发明通过对将两路毫米波段注入锁定功率放大器自由振荡频率点进行 参差设计，并对注入锁定频带宽度进行精确设计可以在更宽的频带内提高毫米波段注入锁 定功率放大器合成功率输出幅度的平坦度。本发明符合毫米波段功率放大与合成技术的发展要求，适用于相参毫米波发射系 统实现2路或2n路注入锁定功率放大器功率合成。也可以应用于亚毫米波或其它频段注 入锁定放大器的功率合成系统中。实现大功率、高效率、宽频带、低成本、小体积重量的功率合成。
图1 (a)为传统毫米波段注入锁定功率放大器示意图，图1 (b)为小功率注入信号， 图I(C)振荡器自由振荡频率信号，图1(d)为大功率输出信号图2(a)为传统毫米波波导功率分配网络的功能示意图，图2(b)为输入大功率信 号，图2(c)和图2(d)所示输出同相位小功率信号图3(a)传统毫米波段注入锁定功率放大器功率合成方法示意图，图3(b)所示为 注入小功率信号，图3(c)和图3(d)为功分后的小功率信号，图3(e)和图3(f)所示为锁定 后的较大功率毫米波信号，图3(g)为输出的大成功率信号图4为3dB波导裂缝电桥结构示意5(a)本发明的毫米波段信号功率放大和合成方法示意图，图5(b)所示毫米波 段小功率信号，图5(c)和图5(d)所示为功分后的小功率信号，图5(e)和图5(f)所示为锁 定后的大功率信号，图5(g)所示合成后的大功率信号
具体实施例方式具体实施方法如图5(a)所示，实施本发明的硬件构成包括一只3dB波导裂缝电桥 10和两只毫米波振荡器11和12。利用3dB波导裂缝电桥耦合端口比直通端口落后90°的 特殊相位关系实现了信号的单向传输，省去了传统的毫米波段注入锁定功率放大器功率合 成方法中的波导环行器和一只功分网络。本发明的方法是将图5(b)所示毫米波段小功率 信号直接注入毫米波段3dB波导裂缝电桥10的端口 I，此时3dB波导裂缝电桥等效为一只 传统的功率分配网络。根据3dB波导裂缝电桥10两输出信号端口 II和III等分功率、相 位差90°的特性，当图5(b)所示小功率信号经过功率分配以后在输出端口 II和端口 III 形成如图5(c)和图5(d)所示的幅度相等、相位相差90°的毫米波段小功率信号输出。在 输出端口 II和端口 III分别连接两个的毫米波段振荡源11和12，构成两个注入锁定功率 放大器电路并分别由小功率信号对其进行锁定。本发明通过对两路毫米波段注入锁定功率 放大器自由振荡频率点进行参差设计，使两个毫米波段振荡源自由振荡频率相近，且保持 一定的频率偏差(即3%。<频率偏差< 5%。较好)。并对两路毫米波段注入锁定功率放大 器的注入锁定频带宽度进行交错设计，使两个毫米波段振荡源注入锁定带宽交错开来，只 保持部分注入锁定带宽重叠。两个毫米波段振荡源注锁输出功率较为接近(功率不平衡度 小于5% )。通过以上设计就能够扩展注入锁定频带宽度，并在整个注入锁定频带内提高毫 米波段注入锁定功率放大器合成功率输出幅度的平坦度。3dB波导裂缝电桥端口 II和端 口 III之间良好的隔离特性保证了两个振荡源工作的独立性，由此利用裂缝电桥自身的结 构特点起到了环行器的信号单向传输功能，从而在电路中省去了两只环形器。根据3dB波 导裂缝电桥的特性，经过注入锁定放大以后的毫米波段较大功率信号如图5(e)、图5(f)所 示，图5 (e)、图5 (f)所的锁定放大功率信号再经过同一只毫米波3dB波导裂缝电桥进行功 率合成，在端口 IV输出与锁定放大功率信号同相的毫米波大功率信号如图5(g)所示。此 时电桥等效为一只传统的功率合成网络，实现了功率分配与网络功率合成网络的复用。由 于在端口 I由于相位相反没有信号输出，保证了功率合成信号的单向传输。合成后输出功率比单只毫米波段振荡源输出功率提高了 3dB，有效实现了对注入小功率信号的功率放大。
本实施例的上述描述和附图代表了本发明的优选方案，本领域技术人员可以根据 不同的设计要求和设计参数在不偏离本发明权利要求所界定的范围内进行各种增补、改进 和更换，因此，本发明是广泛的。
权利要求
一种毫米波段信号功率放大与合成方法，其特征在于利用毫米波3dB波导裂缝电桥耦合端口比直通端口落后90°的特殊相位关系，形成的功率分配与功率合成的复用网络，利用两个毫米波振荡器构成两个注入锁定功率放大器电路；将一路毫米波段小功率信号直接注入毫米波段3dB波导裂缝电桥，经过功率分配以后形成两路幅度相等，相位相差90°的毫米波段小功率信号输出，由两个注入锁定功率放大器电路分别对两路毫米波段小功率信号进行锁定放大，经过注入锁定放大的功率信号再经过毫米波3dB波导裂缝电桥进行功率合成，形成一路与注入锁定放大的功率信号同相的毫米波大功率信号，从而同时实现对注入电桥的毫米波小信号的功率放大和功率合成。
2.根据权利要求1所述的毫米波段信号功率放大与合成方法，其特征在于利用毫米 波3dB波导裂缝电桥耦合端口比直通端口落后90°的相位关系所构成的各端口间的隔离 特性，将功率合成的两输入和两输出通道隔离，实现对信号单向传输功能。
3.根据权利要求1所述的毫米波段信号功率放大与合成方法，其特征在于通过对两 路毫米波振荡器的自由振荡频率点进行参差设计和注入锁定频带宽度进行交错设计，使两 个毫米波振荡器的振荡频率相近且保持偏差；使两个毫米波振荡器的注入锁定带宽错开并 保持部分重叠；从而扩展毫米波段注入锁定功率放大合成系统的注入锁定频带宽度，当两 路毫米波振荡器的输出功率大小接近时；能够提高注入锁定带宽内合成功率输出幅度的平 坦度。
全文摘要
本发明涉及一种毫米波段信号功率放大与合成方法，利用毫米波3dB波导裂缝电桥耦合端口比直通端口落后90°的特殊相位关系，形成的功率分配和功率合成的复用网络，利用两个毫米波振荡器构成两个注入锁定功率放大电路；将一路毫米波段小功率信号注入波导裂缝电桥，经功率分配形成两路幅度相等，相位相差90°的毫米波段小功率信号输出，由两个注入锁定功率放大电路分别对两路毫米波段小功率信号锁定放大，经锁定放大的功率信号再经过波导裂缝电桥进行功率合成，形成与注入锁定放大的功率信号同相的毫米波大功率信号。本发明减少了两个环行器和一个毫米波功率分配/功率合成网络，大大减小毫米波段注入锁定功率放大器功率合成系统的设备量、体积和重量。
文档编号H03F3/20GK101895262SQ20101023065
公开日2010年11月24日 申请日期2010年7月16日 优先权日2010年7月16日
发明者习远望, 刘辉, 刘逸平, 张江华, 杨军, 杨石玲, 邱林茂 申请人:中国兵器工业第二○六研究所