一种大功率合成器、合成方法及设计方法

技术领域

本发明涉及一种大功率合成器、合成方法及设计方法。

背景技术

在进行电磁兼容项目的测试时，为使设备产生更强的辐射信号，需要对设备中的功率放大器进行改造以增大其输出功率。然而，现有功率放大器存在输出功率不足的问题，无法满足电磁兼容测试的功率要求。这会直接导致测试设备无法产生足够强度的辐射信号，从而无法有效进行电磁兼容性测试。为解决功率放大器输出功率不足的问题，需要开发大功率合成器，通过合成功率放大器的输出，获得更大的功率。在此背景下，大功率合成器的研发就变得尤为关键和迫切。

发明内容

本发明的主要目的是为了提供一种大功率合成器、合成方法及设计方法，以解决以上技术问题。

本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：

一种大功率合成器，包括传输线变压器T1、传输线变压器T2、传输线变压器T3和传输线变压器T4，所述传输线变压器T1的第1端口接入输入端口P1，所述传输线变压器T2的第1端口接入输入端口P2，所述输入端口P1、输入端口P2用于与射频功率放大器相连，以使得射频功率放大器的射频信号能够通过输入端口P1、输入端口P2经过相应的传输线变压器；

所述输入端口P1、传输线变压器T1的第1端口、传输线变压器T1的第2端口构成一射频信号的路径；

所述输入端口P2、传输线变压器T2的第1端口、传输线变压器T2的第2端口构成另一射频信号的路径；

所述传输线变压器T1的第3端口与传输线变压器T2的第3端口之间设置有隔离电阻R1，所述传输线变压器T1的第4端口与传输线变压器T2的第4端口之间设置有隔离电阻R2；

所述传输线变压器T1的第2端口和传输线变压器T2的第2端口之间具有一用于合成分别经过上述两路径的射频信号的交汇处；

所述传输线变压器T3、传输线变压器T4连接于上述交汇处，用于对合成后的射频信号进行阻抗匹配；

所述传输线变压器T4的第2端口接入用于连接后级系统的输出端口P3，使得经阻抗匹配的射频信号向后级系统输出。

优选的，所述传输线变压器T1的第1端口、第2端口位于一侧，所述传输线变压器T1的第3端口、第4端口位于另一侧。

优选的，所述传输线变压器T1的第3端口、第4端口与所述传输线变压器T2的第3端口、第4端口相邻分布。

优选的，所述传输线变压器T3的端口分布位置与传输线变压器T1的端口分布位置相同，所述传输线变压器T4的端口分布位置与传输线变压器T2的端口分布位置相同。

优选的，所述输入端口P1、输入端口P2之间连接有平衡线。

一种大功率合成器的合成方法，包括以下步骤：

步骤a）信号输入与隔离

通过输入端口P1、输入端口P2分别向相应的传输线变压器T1、传输线变压器T2输入射频信号，得到进入传输线变压器T1的第一路射频信号、进入传输线变压器T2的第二路射频信号；

通过位于传输线变压器T1、传输线变压器T2之间的隔离电阻R1、隔离电阻R2，实现第一路射频信合和第二路射频信号之间的隔离；

步骤b）信号流向与合成

第一路射频信号依次经过传输线变压器T1的第1端口和第2端口；

第二路射频信号依次经过传输线变压器T2的第1端口和第2端口；

第一路射频信号、第二路射频信号进入相应的传输线变压器时，相应的传输线变压器的第3端口、第4端口产生反向电流；

两路射频信号在分别经过相应的传输线变压器的第2端口后，在传输线变压器T1、传输线变压器T2交汇处进行合成，得到合成后的大功率信号；

步骤c）阻抗匹配与信号输出

合成后的大功率信号经传输线变压器T3、传输线变压器T4，完成阻抗匹配，使得其阻抗符合后级系统要求的阻抗；

合成后且符合阻抗的大功率信号从输出端口P3向后级系统输出。

优选的，步骤a）中，连接在输入端口P1和输入端口P2之间的平衡线对进入传输线变压器T1和传输线变压器T2的第一路射频信号、第二路射频信号进行幅度和相位响应的调整。

一种大功率合成器的平衡线设计方法，包括以下步骤：

步骤1：设定合成器的频率范围，分析输入端口P1、输入端口P2的频率响应，根据分析结果确定输入端口P1或输入端口P2的平衡线长度

所述步骤1具体包括：

步骤1.1：在设定的合成器的频率范围内，获取输入端口P1和输入端口P2在不同频率下的幅度响应和相位响应；

步骤1.2：根据幅度响应和相位响应的差异，计算需要引入的电长度差值；

步骤1.3：将电长度差值转换为平衡线的物理长度；

步骤1.4：仿真优化和实际测试调式，确定最终平衡线的长度；

步骤2：利用该平衡线对输入端口P1或输入端口P2的幅度和相位进行补偿调节，实现输入端口P1、输入端口P2在全频带内幅相响应的平衡。

优选的，所述平衡线的物理长度=(电长度差值/360)*光速）*速率因子/频率。

本发明的有益技术效果：

本发明提供的大功率合成器及合成方法在对两路射频信号进行合成时能够确保这两路信号在合成前不会相互干扰，从而最大限度地保留两路信号的完整能量；同时在射频信号经过传输线变压器时，能够确保它们在磁芯中产生的磁通得到了平衡，避免了磁芯进入饱和状态而导致的不良影响，因此通过本发明的大功率合成器及合成方法能够解决功率放大器输出功率不足的问题。

本发明中通过根据电长度差值来计算物理长度的方法，可以根据输入端口P1和输入端口P2的频率响应差异来设计出一个合适的平衡线，使得两个端口的频率响应在全频带内保持平衡，这对于提高功率合成器的性能至关重要，实际上，这种方法可以使得功率合成器在更宽的频率范围内工作，同时保持较高的输出功率和效率，另外根据分析结果确定输入端口P1或输入端口P2的平衡线长度的步骤是一个理论计算和仿真验证相结合的过程，它可以减少不必要的硬件修改，降低设计难度，提高设计效率。

附图说明

图1为按照本发明的实施例设计出的10kHz-150MHz二路大功率合成器原理示意图；

图2为按照本发明的实施例设计出的10kHz-150MHz二路大功率合成器拓扑结构示意图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1-图2所示，本实施例提供的大功率合成器，包括传输线变压器T1、传输线变压器T2、传输线变压器T3和传输线变压器T4（它们依次连接，如图1所示），上述传输线变压器均具有第1端口、第2端口、第3端口和第4端口；

传输线变压器T1的第1端口接入输入端口P1，传输线变压器T2的第1端口接入输入端口P2，输入端口P1、输入端口P2用于与射频功率放大器相连，以使得射频功率放大器的射频信号能够通过输入端口P1、输入端口P2经过相应的传输线变压器，传输线变压器T4的第2端口接入用于连接后级系统的输出端口P3；

输入端口P1、传输线变压器T1的第1端口、传输线变压器T1的第2端口构成一射频信号的路径；

输入端口P2、传输线变压器T2的第1端口、传输线变压器T2的第2端口构成另一射频信号的路径；

传输线变压器T1的第2端口和传输线变压器T2的第2端口之间具有一交汇处，分别经过上述路径的两射频信号在交汇处（A点）合成；

传输线变压器T1的第3端口与传输线变压器T2的第3端口通过隔离电阻R1连接，传输线变压器T1的第4端口与传输线变压器T2的第4端口通过隔离电阻R2连接，这样，在从输入端口P1输入的信号流过传输线变压器T1时，通过隔离电阻R1、隔离电阻R2能够与传输线变压器T2的输入端口P2的信号进行隔离，从输入端口P2输入的信号同理。

在本实施例中，传输线变压器T1的第1端口、第2端口位于一侧，所述传输线变压器T1的第3端口、第4端口位于第1端口、第2端口的对侧；

传输线变压器T1的第3端口、第4端口与所述传输线变压器T2的第3端口、第4端口相邻分布；

传输线变压器T1的第2端口和传输线变压器T2的第2端口之间的交汇处分别与传输线变压器T3、传输线变压器T4连接，以确保合成后的信号能够通过T3、传输线变压器T4进行阻抗匹配，两个射频信号在A点合成时，它们的总阻抗可能与后级系统的阻抗不匹配，这种不匹配可能导致功率损失和信号反射，从而降低系统效率，为了解决这个问题，合成后的信号被送入传输线变压器T3和传输线变压器T4，传输线变压器T3和传输线变压器T4的功能是将不平衡信号转换为平衡信号，或者反之，这种转换可以改变信号的阻抗，在这个过程中，传输线变压器T3和传输线变压器T4的端口配置与传输线变压器T1和传输线变压器T2相同，这确保了整个系统的稳定性和效率，通过这种方式，传输线变压器T3和传输线变压器T4确保了合成后的信号的阻抗与后级系统的阻抗匹配，从而最大化了功率传输并减少了信号反射。

在本实施例中，传输线变压器T3的端口分布位置与传输线变压器T1的端口分布位置相同，所述传输线变压器T4的端口分布位置与传输线变压器T2的端口分布位置相同，一致的端口分布确保了电磁场在各个变压器中的分布和传播特性保持一致，从而避免了可能的信号反射和干扰，确保了合成器的稳定性，另外这样可以确保两个信号路径的电器特性相似，保证了端口间的幅度和相位的一致性，减少了不必要的信号损失和反射，最大程度的提高了合成的效率。

在本实施例中，输入端口P1、输入端口P2之间连接有平衡线，用于对进入传输线变压器传输线变压器T1和传输线变压器T2的第一路和第二路射频信号进行幅度和相位响应的调整。

一种大功率合成器的合成方法，包括以下步骤：

步骤a）信号输入与隔离

通过输入端口P1、输入端口P2分别向相应的传输线变压器T1、传输线变压器T2输入射频信号，得到进入传输线变压器T1的第一路射频信号、进入传输线变压器T2的第二路射频信号；

将输入端口P1、输入端口P2分别与射频功率放大器相连，使射频功率放大器生成的射频信号能够依次经过相应的传输线变压器的第1端口、第2端口，从而得到第一路射频信号和第二路射频信号；

通过位于传输线变压器T1、传输线变压器T2之间的隔离电阻R1、隔离电阻R2，实现第一路射频信合和第二路射频信号之间的隔离；

确保第一路射频信号在经过传输线变压器T1时与传输线变压器T2的第二路射频信号进行隔离，第二路射频信号同理，使得两路信号在合成之前互不干扰，可以最大限度地保留两路信号完整的能量,降低功率损耗，有利于后续的信号合成,输出信号质量更高，具体是将传输线变压器T1的第3端口与传输线变压器T2的第3端口通过隔离电阻R1连接，以及传输线变压器T1的第4端口与传输线变压器T2的第4端口通过隔离电阻R2连接，这样实现了合成器在使用时，信号只流经各自传输线，达到隔离效果，防止从输入端口P1和输入端口P2输入的信号在进入功率叠加过程之前产生相互干扰；

在这里，隔离电阻R1、隔离电阻R2的主要作用是在保证信号传输的同时，提供一定的电阻，使得通过它的信号电流在流向其它路线时，能够被部分阻挡，从而实现信号隔离；

步骤b）信号流向与合成

第一路射频信号依次经过传输线变压器T1的第1端口和第2端口；

第二路射频信号依次经过传输线变压器T2的第1端口和第2端口；

第一路射频信号、第二路射频信号进入各自的传输线变压器时，它们在各自的传输线变压器的磁芯中产生相应方向的磁通，为了平衡这个磁通，相应的传输线变压器的第3端口、第4端口会因电磁感应而自动产生反向电流：

当射频信号通过传输线变压器的第1端口和第2端口时，它会在磁芯中产生磁通，这是因为电流产生磁场，而磁芯会集中这个磁场；

这个磁通会穿过与第1端口和第2端口相对的第3端口和第4端口，由于这是一个变化的磁场（因为射频信号是交变的），它会在第3端口和第4端口产生电动势；

当第3端口和第4端口形成一个闭合回路（例如，它们被连接到地或其他参考点），电动势会导致电流流动，这个电流的方向是这样的，它会产生一个磁场，这个磁场与原始磁场相反，从而抵消或平衡它；

这种自动产生的电流被称为“反向电流”，因为它是由原始电流产生的变化磁场激励起来的，并且它的方向是为了抵消原始磁场；

抵消原始磁场是为了通过确保磁通被抵消或平衡，避免磁芯进入饱和状态，从而避免可能导致的信号失真或效率降低，另外当磁通被平衡时，传输线变压器的两侧（第1端口、第2端口与第3端口、第4端口）之间的隔离通常会增加，这意味着两路信号之间的互相干扰会减少；

两路射频信号在分别经过相应的传输线变压器的第2端口后，在传输线变压器T1、传输线变压器T2交汇处进行合成，得到合成后的大功率信号；

步骤c）阻抗匹配与信号输出

合成后的大功率信号经传输线变压器T3、传输线变压器T4，完成阻抗匹配，使得其阻抗符合后级系统要求的阻抗，该合成器具有两个输入端口（输入端口P1和输入端口P2）和一个输出端口（输入端口P3），当两个50Ω的输入信号在输入端口P1和输入端口P2合成，它们的输出阻抗在交汇处变为25Ω，这是因为两个50Ω的阻抗并联时，其等效阻抗为25Ω，为了与后续的50Ω系统匹配，使用传输线变压器T3和传输线变压器T4将25Ω的输出转换为50Ω，从而确保最大的功率传输并减少信号损失；

合成后且符合阻抗的大功率信号从输出端口P3向后级系统输出。

在本实施例中，步骤a）中，进入传输线变压器T1的第一路射频信号或进入传输线变压器T2的第二路射频信号会经过平衡线进行幅相响应的调整。

一种大功率合成器的平衡线设计方法，包括以下步骤：

步骤1：设定合成器的频率范围，分析输入端口P1、输入端口P2的频率响应，根据分析结果确定输入端口P1或输入端口P2的平衡线长度

步骤1具体包括：

步骤1.1：在设定的合成器的频率范围内，获取输入端口P1和输入端口P2在不同频率下的幅度响应和相位响应

设定合成器的输入端口P1和输入端口P2的频率范围为10kHz-150MHz，采用50Ω同轴电缆作为平衡线；

通过仿真来获取输入端口P1和输入端口P2在不同频率下的幅度响应和相位响应；

步骤1.2：根据幅度响应和相位响应的差异，计算需要引入的电长度差值

这里可以在所有关心的频率点上进行，以便找出在哪些频率点上输入端口P1和输入端口P2的响应之间有最大的差异；

计算出在100kHz点，输入端口P1相对输入端口P2存在5度的相位误差，将这个相位误差转换为需要补偿的电长度，即λ/720（λ为波长），在60MHz点，存在10度的相位误差，也将这个相位误差转换为需要补偿的电长度，即λ/36；

步骤1.3：将电长度差值转换为平衡线物理长度

通过理论计算得出平衡线的理想长度，而无需实际改动现有的硬件；

对于100kHz点，物理长度=(5/360)*光速*速率因子/100kHz，对于60MHz点，物理长度=(10/360)光速*速率因子/60MHz，考虑到信号在50Ω同轴电缆中的传播速度小于光速，需要引入适当的速率因子，综合100kHz点和60MHz点的物理长度差值，设计出一条平衡线；

步骤1.4：仿真优化和实际测试调式，确定最终平衡线的长度

利用电路仿真软件，根据电长度差值和频率响应差异对平衡线进行仿真优化，得到最优的平衡线长度，然后，在实际硬件上进行测试，根据测试结果对平衡线长度可能再进行微调，以最终确定平衡线的长度；

步骤2：利用该平衡线对输入端口P1或输入端口P2的幅度和相位进行补偿调节，实现输入端口P1、输入端口P2在全频带内（全频率范围）幅相响应（幅相响应包括幅度响应和相位响应两个部分）的平衡；

平衡输入端口P1、输入端口P2的幅相响应就是让输入端口P1、输入端口P2两个端口在设定的频率范围内，无论频率如何变化，其增益或衰减以及相位延迟都保持一致，这样的话，从输入端口P1和输入端口P2出来的信号在整个频率范围内都是相互协调的，便于后续的功率合成。

在本实施例中，“将电长度差值转换为物理长度，即为平衡线需要的长度”这一过程，是通过理解电波在传输线中传播的速度来完成的，实际上，电波在真空中的传播速度是光速，但在实际的平衡线（如同轴电缆）中，由于介电常数的影响，电波的传播速度会变慢，因此，电长度（以度或弧度表示）和物理长度之间的关系可以通过下面的公式来描述：

物理长度（m）=(电长度差值（度）/360)*波长（m），在这个公式中，波长是信号的物理特性，它可以通过信号的频率来计算：

波长（m）=光速（m/s）/频率（Hz）

但是，在实际的传输线中，由于介电常数的影响，电波的传播速度会变慢，这个速度被定义为光速与介电常数平方根的商，通常表示为光速的一个百分比，这个比例称为速率因子（VF）；

因此，实际的波长需要考虑速率因子：

实际波长（m）=波长（m）*速率因子；

所以最后，物理长度的计算公式为：

物理长度（m）=(电长度差值（度）/360)*光速（m/s）*速率因子/频率（Hz），速率因子为平衡线的速率因子，该过程根据电长度差值计算出所需的物理长度，并根据这个长度设计平衡线，是确保功率合成器性能的关键步骤，在频率响应分析中，如果发现两个端口的幅度或相位响应存在差异，可以通过调整平衡线的长度来减小这种差异，从而提高功率合成器的性能。

在本实施例中，综合100kHz点和60MHz点的物理长度差值，设计出一条平衡线，该过程可以：综合各频点的相位误差情况,采用优化算法计算出能够满足整个频带的平衡线物理长度；

其中，综合各频点的相位误差来设计平衡线，具体为：

测量和收集平衡前在各频点输入端口P1、输入端口P2之间的相位误差数据；

设置全频带的相位误差容限；

将各频点的相位误差规划到同一坐标系下,得到相位误差随频率变化的曲线；

以相位误差容限为目标,采用优化算法(如遗传算法)寻找一个平衡线物理长度值,使得该长度可以将各频点的相位误差曲线尽可能压缩进容限范围内；

该算法以最小化频点相位误差与容限的差值平方和为优化目标,迭代寻找最优平衡线长度；

得到满足相位容限要求的平衡线理论最优长度值；

以上综合各频点的相位误差来设计平衡线的过程通过建立坐标系,采用优化算法得到满足相位容限要求的平衡线理论最优长度,再结合后续步骤的仿真和测试进行微调,可以有效设计出全带宽范围内的平衡线。

综上所述，在本实施例中，本实施例提供的根据电长度差值计算所需物理长度的过程基于理论计算，不受测量误差和环境干扰的影响，因此可以提供更准确的结果，其次，通过该过程得到的长度可以用于设计平衡线，无需对现有硬件进行复杂的修改。

以上所述，仅为本发明进一步的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。