一种基于传输线变压器的大功率分配/合成器及系统的制作方法

1.本发明涉及分配/合成器技术领域，具体而言，涉及一种基于传输线变压器的大功率分配/合成器及系统。


背景技术：

2.常见的电台、软件无线电系统工作在20mhz～1ghz频带范围，对于军用远距离的场景，如扩频保密通信，要求使用宽带的大功率通信系统。受限于晶体管放大器件的带宽-功率限制，瞬时全频段输出的功率在几十瓦量级，目前获得更大功率输出的手段通常是将工作频率分为多段，如20mhz～512mhz、512mhz～1000mhz，但会带来设备数量增加、需要开关切换、成本增加等问题。另一种方法就是使用功率分配/合成器。由传输线变压器所构成的分配/合成器特别适用于1ghz以下的应用场景。常见的传输线变压器构成形式有双绞线、同轴线、带状线等类型，各有其适用的场景。同轴线以取材方便、能适应的工作频率宽，而得到了广泛的应用。但是因其互联拓扑复杂、特征阻抗可选值较少，目前尚无灵活的解决方案。
3.由传输线变压器所构成的分配/合成器，主要受到合成路数、工作频带的限制。
4.合成路数受限较多，根本原因是受到传输线依托于1:1基础电路进行扩展、阻抗变换比为匝数比的平方倍。由于传输线变压器所构成的分配/合成器是通过多种拓扑结构，将待合成的端口电流、电压以一定比例相加减，实现功率的合成。其加减的倍数取决于拓扑结构，通过单级或者多级的阻抗变换电路把合成后的端口阻抗变换到50ω，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。常用的阻抗变换电路为4:1(22)、9:1(32)，依次往上类推。其中以4:1最为常用，能够在较宽的带宽内将12.5ω转换为50ω。因为12.5ω所对应的合成路数为4路，所以，常见的传输线变压器分配/合成器均为一分四或四合一，使得系统架构的设计灵活性受到极大限制。
5.工作频带主要受限于漏电流、寄生参数和特征阻抗之间的冲突。低频时电流会从同轴线的表皮直接漏接到地，无法形成有效的传输线耦合电流对，因此在低频时要求具有较大的电感量，以遏制表皮上的漏电流。
6.但是加大之后的电感量会和同轴线寄生电容在高频形成谐振，限制高频使用。在实际变压器的绕制中，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：
[0007][0008]
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，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。
[0009]
另外，同轴传输线的特征阻抗是离散、有限的，但其又要满足等于变换两端阻抗的
平方根关系，所以可选的变换方式是有限的，如果阻抗有一些偏差，就会影响变换的性能。
[0010]
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。
[0011]
综上，对于20mhz～1ghz频带范围的功率分配/合成，分段实现的方式涉及到额外的设备、较高的成本和复杂的控制，因此需要解决全频带不分段合成和路数灵活性的问题。


技术实现要素：

[0012]
本发明旨在提供一种基于传输线变压器的大功率分配/合成器及系统，以解决全频带不分段合成和路数灵活性的问题。
[0013]
本发明提供的一种基于传输线变压器的大功率分配/合成器，包括传输线变压器tl1、传输线变压器tl2、传输线变压器tl3、传输线变压器tl4、传输线变压器tl5、隔离电阻r12和匹配电容c1；
[0014]
端口p1连接隔离电阻r12的端口1和传输线变压器tl1的端口3；端口p2连接隔离电阻r12的端口2和传输线变压器tl2的端口3；匹配电容c1并联在隔离电阻r12的两端；传输线变压器tl1的端口4连接传输线变压器tl2的端口2，传输线变压器tl2的端口4连接传输线变压器tl1的端口2；传输线变压器tl1的端口1和传输线变压器tl2的端口1相连，记连接处为a点；
[0015]
传输线变压器tl3的端口1和传输线变压器tl5的端口1相连，记连接处为b点；a点与b点相连；传输线变压器tl3的端口2、传输线变压器tl4的端口2与传输线变压器tl5的端口4连接；传输线变压器tl3的端口3与传输线变压器tl4的端口1连接；传输线变压器tl3的端口4、传输线变压器tl4的端口3和端口4以及传输线变压器tl4的端口3均接地；传输线变压器tl5的端口2连接端口p3。
[0016]
可选地，所述传输线变压器tl1和传输线变压器tl2以及传输线变压器tl3、传输线变压器tl4和传输线变压器tl5由同轴线构成。
[0017]
可选地，所述传输线变压器tl1和传输线变压器tl2的同轴线长度为l1，所述传输线变压器tl3、传输线变压器tl4和传输线变压器tl5的同轴线长度为l2，l1≠l2；每根同轴线的芯和壳构成1:1的传输线变压器，所述同轴线的芯两端分别为传输线变压器的端口1和端口2，壳两端分别为传输线变压器的端口3和端口4。
[0018]
可选地，所述传输线变压器tl1和传输线变压器tl2绕制在不同磁芯或同一磁芯上。
[0019]
可选地，所述传输线变压器tl3、传输线变压器tl4和传输线变压器tl5均绕制在磁芯上。
[0020]
可选地，所述传输线变压器tl3和传输线变压器tl5均绕制在磁芯上，所述传输线变压器tl4不绕制在磁芯上。
[0021]
可选地，所述隔离电阻为能够工作在射频频率的大功率电阻，自带散热法兰，并安装在金属载板上。
[0022]
本发明还提供一种基于传输线变压器的大功率分配/合成系统，包括1个基于传输线变压器的大功率分配器和1个基于传输线变压器的大功率合成器；基于传输线变压器的大功率分配器的两个输出端口分别经射频功率放大器连接基于传输线变压器的大功率合
成器的输入端口；所述基于传输线变压器的大功率分配器和基于传输线变压器的大功率合成器均为如权利要求1-7任一项所述的基于传输线变压器的大功率分配/合成器。
[0023]
本发明还提供一种基于传输线变压器的大功率分配/合成系统，包括3个基于传输线变压器的大功率分配器和3个基于传输线变压器的大功率合成器；1个基于传输线变压器的大功率分配器的两个输出端口分别连接2个基于传输线变压器的大功率分配器的输入端口；2个基于传输线变压器的大功率分配器的两个输出端口分别经射频功率放大器连接2个基于传输线变压器的大功率合成器的输入端口；2个基于传输线变压器的大功率合成器的输出端口连接1个基于传输线变压器的大功率合成器的两个输入端口；所述基于传输线变压器的大功率分配器和基于传输线变压器的大功率合成器均为上述的基于传输线变压器的大功率分配/合成器。
[0024]
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
[0025]
本发明提供的是一种能够覆盖20mhz～1ghz频带的大功率分配/合成器，其分配/合成功率大于300w。采用同一个电路覆盖20mhz～1ghz频段，并且整个频段内与50ω系统匹配，处理超过300w的射频功率。通过对该分配/合成器进行拓展，还可以形成2路、4路、8路的分配/合成系统。因此，本发明的分配/合成器能够全频带不分段合成并且路数扩展灵活。
附图说明
[0026]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0027]
图1为本发明实施例中基于传输线变压器的大功率分配/合成器的原理图。
[0028]
图2为本发明实施例中采用同轴线实现的基于传输线变压器的大功率分配/合成器的电路图。
[0029]
图3为本发明实施例中隔离电阻及匹配电容的等效电路图。
[0030]
图4为本发明实施例中传输线变压器中同轴线的等效电路图。
[0031]
图5为本发明实施例中20mhz～1ghz频带中大功率分配/合成器的仿真图。
[0032]
图6为本发明实施例中2路基于传输线变压器的大功率分配/合成系统的原理图。
[0033]
图7为本发明实施例中4路基于传输线变压器的大功率分配/合成系统的原理图。
具体实施方式
[0034]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0035]
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0036]
实施例
[0037]
如图1所示，本实施例提出一种基于传输线变压器的大功率分配/合成器，包括传输线变压器tl1、传输线变压器tl2、传输线变压器tl3、传输线变压器tl4、传输线变压器tl5、隔离电阻r12和匹配电容c1；
[0038]
端口p1连接隔离电阻r12的端口1和传输线变压器tl1的端口3；端口p2连接隔离电阻r12的端口2和传输线变压器tl2的端口3；匹配电容c1并联在隔离电阻r12的两端；传输线变压器tl1的端口4连接传输线变压器tl2的端口2，传输线变压器tl2的端口4连接传输线变压器tl1的端口2；传输线变压器tl1的端口1和传输线变压器tl2的端口1相连，记连接处为a点；
[0039]
传输线变压器tl3的端口1和传输线变压器tl5的端口1相连，记连接处为b点；a点与b点相连；传输线变压器tl3的端口2、传输线变压器tl4的端口2与传输线变压器tl5的端口4连接；传输线变压器tl3的端口3与传输线变压器tl4的端口1连接；传输线变压器tl3的端口4、传输线变压器tl4的端口3和端口4以及传输线变压器tl4的端口3均接地；传输线变压器tl5的端口2连接端口p3。
[0040]
所述基于传输线变压器的大功率分配/合成器为三端口器件，当作为合成器时，端口p1和端口p2为合成器的输入端口，端口p3为合成器的输出端口；当作为分配器时，端口p1和端口p2为分配器的输出端口，端口p3为分配器器的输入端口；传输线变压器tl3、传输线变压器tl4和传输线变压器tl5构成分配/合成器的阻抗变换器；隔离电阻r12用于对端口p1和端口p2进行隔离。匹配电容c1，用于抵消隔离电阻r12的残留电抗和引线电感。整个分配/合成器将2路功率合成或将功率分成2路，端口间具有隔离电阻，避免通道间互相影响，所有的端口特征阻抗均为50，便于射频系统使用。
[0041]
传输线变压器可以有很多种形式，不同的频段可以选择不同的变压器，本实施例针对20mhz～1ghz频段范围，最适合的方式是同轴线，由此，所述传输线变压器tl1和传输线变压器tl2以及传输线变压器tl3、传输线变压器tl4和传输线变压器tl5由同轴线构成。如图2所示，所述传输线变压器tl1和传输线变压器tl2的同轴线长度为l1，所述传输线变压器tl3、传输线变压器tl4和传输线变压器tl5的同轴线长度为l2，l1≠l2；每根同轴线的芯和壳构成1:1的传输线变压器，所述同轴线的芯两端分别为传输线变压器的端口1和端口2，壳两端分别为传输线变压器的端口3和端口4。
[0042]
对于单个传输线变压器的输出功率p
out
：
[0043][0044]
其中，e为源电压，r
l
为负载内阻，即负载的特征阻抗，rg为源内阻，即源的特征阻抗，l为传输线线长，β为相位常数，z为传输线变压器的特征阻抗，功率的最大传输条件为：
[0045][0046]
因此，合成器的每一级传输线变压器根据上式，根据传输线变压器两端需变换的阻抗选择其本身的特征阻抗。
[0047]
当作为合成器时，上述基于传输线变压器的大功率分配/合成器的工作原理如下：
[0048]
输入信号在流经隔离电阻r12的端口1时，因端口p2也输入了同样的信号，在隔离电阻r12的端口2形成同样的电压，所以没有电流会流过隔离电阻r12。信号流入传输线变压器tl1的端口3，从传输线变压器tl1的端口流出4，进入传输线变压器tl2的端口2。
[0049]
输入信号在流经隔离电阻r12的端口2时，在隔离电阻r12的端口2形成与其端口1同样的电压，所以没有电流会流过隔离电阻r12。信号流入传输线变压器tl2的端口3，从传输线变压器tl2的端口流出4，进入传输线变压器tl1的端口2。
[0050]
传输线变压器tl1和传输线变压器tl2中由端口2流向端口1的电流在a点合成，电流变为2倍，对应阻抗降低为25ω。b点和端口p3之间的传输线变压器tl3、传输线变压器tl4和传输线变压器tl5组成了阻抗变换比1:2的阻抗变换器，将降低的阻抗提升至50ω再输出。
[0051]
传输线变压器tl1和传输线变压器tl2可以绕制在不同磁芯上，也可以绕在同一磁芯上。图2中为传输线变压器tl1和传输线变压器tl2绕在同一磁芯(fer1)的情况，利用磁芯中同向激励的磁通量，可增强传输线变压器主副线圈的磁感量，减少绕制的匝数，减少耦合电容量，从而扩展最高工作频率。
[0052]
传输线变压器tl3和传输线变压器tl5起到主要的阻抗变换作用，必须绕制在磁芯(fer2、fer3)上，而传输线变压器tl4的作用为相位补偿，其上没有对应的压降，在保证传输线变压器tl3、传输线变压器tl4和传输线变压器tl5等长的情况下，传输线变压器tl4可不绕制在磁芯上，以节省成本。
[0053]
当端口p1的功率与端口p2的功率一致时，端口p1和端口p2产生的电压相同，没有功率会消耗在隔离电阻r12上，此时隔离电阻r12相当于不存在，不影响电路的工作。当端口p1和端口p2的功率不一致时，相差的功率会损耗在隔离电阻r12上，避免了功率在两端口间的互相串扰影响，达到隔离的作用。由于端口p1和端口p2的输入功率每个均约200w，端口间的不平衡功率需耗散在隔离电阻上，因此隔离电阻需选择为能够工作在射频频率的大功率电阻，自带散热法兰，并安装在金属载板上。在出现极端情况时，例如一个端口无输入，只有一个端口有200w功率输入，此时将有100w以上的功率耗散在隔离电阻r12上，因此隔离电阻12的耐受功率一定要足够。
[0054]
匹配电容c1是用于补偿隔离电阻r12寄生参数的电容器。通常，在工作频率较低时，不需补偿，而但当频率上升至1ghz左右时，寄生参数带来的合成损耗增加，等效电路如图3所示。图3中，ls为隔离电阻12的引线电感，cp为对地电容，它们的值随着频率升高而增大，影响串联阻抗和对地的阻抗。增加匹配电容c1，补偿两部分的寄生参数，达到优化频率高端的目的。
[0055]
由同轴线构成的传输线变压器，在低频应用时会面临漏电流，高频会面临寄生电容、接头不连续等各种影响。当工作频率降低至同轴线等效电长度与其物理长度相比拟时，同轴线外壳电流直接被表皮分流到地；频率逐渐升高时，同轴线外壳与地之间分布电容所产生的阻抗逐渐降低，也会将外导体的信号分流到地。因此需要特别注意在高、低频两端分别验证其可用性。在实际设计中，传输线中的同轴线模型应该使用如图4所示的模型。图4中，l
p
为等效并联电感量。c
p
为等效并联电容，z
sc
为磁芯特性所产生的等效阻抗。此等效阻抗需要考虑复数磁导率，因此其值会随频率而变化，具体可由下式进行计算：
[0056]
[0057]
式中，ω为角频率，与工作频率相关，l0为同轴线自身的电感量，μ为等效复数磁导率的实部，μ
′
为等效复数磁导率的虚部。
[0058]
将此模型应用于传输线变压器的设计和仿真中时，需特别注意高、低频的性能变化趋势，通过调整同轴线的线长、磁芯的磁导率与形状来调整l
p
和z
sc
的参数，以达到需要的工作频率。图5为分配/合成器的仿真计算结果。从仿真结果可见，整个20mhz～1ghz频带的插损小于0.4db，隔离度和回波损耗均小于-20db。
[0059]
由此可见，本发明充分考虑同轴线、隔离电阻的高频寄生参数，建立可供仿真的宽带模型，由此实现的分配/合成器能同时工作在20mhz～1ghz频段。通过设计适当的变压器拓扑结构，实现了二合一的分配/合成器，每路功率大于200w，合成输出大于300w。可与四合一电路串联形成灵活的合成路数配置。各合成端口间具有隔离度，使得被合成的射频放大器能够稳定工作。利用2:1传输线变压器将合成阻抗变换为50ω，其中有一根同轴线作为相位补偿，避免相位延迟在高频段造成额外损耗，整个频段内与50ω系统良好匹配，合成输出300w以上的功率。
[0060]
利用上述的基于传输线变压器的大功率分配/合成器，可以实现2路、4路、8路、
……
、2n路的分配/合成系统：
[0061]
2路的基于传输线变压器的大功率分配/合成系统，包括1个基于传输线变压器的大功率分配器和1个基于传输线变压器的大功率合成器；基于传输线变压器的大功率分配器的两个输出端口分别经射频功率放大器连接基于传输线变压器的大功率合成器的输入端口。如图6所示，具体地：
[0062]
基于传输线变压器的大功率分配器的端口p1经射频功率放大器a1连接基于传输线变压器的大功率合成器的端口p1；基于传输线变压器的大功率分配器的端口p2经射频功率放大器a2连接基于传输线变压器的大功率合成器的端口p2；基于传输线变压器的大功率分配器的端口p3为系统的输入端口，基于传输线变压器的大功率合成器的端口p3为系统的输出端口。
[0063]
4路的基于传输线变压器的大功率分配/合成系统，包括3个基于传输线变压器的大功率分配器和3个基于传输线变压器的大功率合成器；1个基于传输线变压器的大功率分配器的两个输出端口分别连接2个基于传输线变压器的大功率分配器的输入端口；2个基于传输线变压器的大功率分配器的两个输出端口分别经射频功率放大器连接2个基于传输线变压器的大功率合成器的输入端口；2个基于传输线变压器的大功率合成器的输出端口连接1个基于传输线变压器的大功率合成器的两个输入端口。如图7所示，具体地：
[0064]
分配器divider1的端口p1连接分配器divider2的端口p3，分配器divider2的端口p1经射频功率放大器a1连接合成器combiner2的端口p1，分配器divider2的端口p2经射频功率放大器a2连接合成器combiner2的端口p2；合成器combiner2的端口p3连接合成器combiner1的端口p1；
[0065]
分配器divider1的端口p2连接分配器divider3的端口p3，分配器divider3的端口p1经射频功率放大器a3连接合成器combiner3的端口p1，分配器divider3的端口p2经射频功率放大器a4连接合成器combiner3的端口p2；合成器combiner3的端口p3连接合成器combiner1的端口p2；
[0066]
分配器divider1的端口p3为系统的输入端口，合成器combiner1的端口p3为系统
的输出端口。
[0067]
依次类推，即可实现8路、
……
、2n路的分配/合成系统。
[0068]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。