[发明专利]数字极化功率合成方法

说明书

技术领域

本发明涉及微波、毫米波功率合成领域，具体涉及一种工作在微波、毫米波多路径向功率合成中的、涉及幅度和相位的数字化矢量控制和校准方法。

背景技术

毫米波具有宽频带、高精度、高分辨率和大信息容量等优点，在军事雷达系统、射电天文学和太空以及短距离无线高速传输等领域有着巨大的应用价值和市场前景。毫米波功率放大器是毫米波系统的核心部件，是毫米波领域的研究热点。随着三五族半导体技术的成熟，单个固态功率放大器MMIC的输出能力不断提升，采用组合多个相干放大器的功率合成技术可以将放大器的功率输出能力成倍提升，从而达到取代中小型行波管的目的。

对于多功率合成技术而言，最为重要的是实现多路、宽带、低损耗的功率分配器，将一路信号分为若干路分别放大后，再将功率分配器用作功率合成器完成多路信号的合成，最终系统的输出功率等于每个固态器件输出功率之和，从而实现输出功率的倍增。

2008年，NASA的JPL实验室联合加州理工大学的学者发布了关于31-36GHz基于圆波导的24路径向功率合成技术的系列研究成果，以探索在卫星通信领域使用固态合成功放取代行波管的可能性，随后又在2010年发表了基于同轴线TEM模的W波段12路径向合成功放，合成效率高达90％。随着研究的趋热和深入，径向功率合成技术的优势越来越明显，尤其是新型的功分/合成网络不断被报道。因此，开展径向功率合成技术研究对提高我国在毫米波领域的国际竞争力有着重要意义。

虽然目前国内外毫米波径向功率合成技术已经取得了较大进展，但是这种传统的功率合成方法也存在着一个重要问题。这种电路的合成方案为分配-放大-合成的构架，分配/合成网络在电气特性上必须保证幅度和相位对应关系，在不考虑传输线损耗的情况下，各支路的幅度相位一致性决定最终的合成效率，硬件一旦完成就不能进一步优化。不仅如此，对于圆极化模功分/合成器，各路相差依次滞后或超前2π/N，扩频将造成相位差倍增，分配-放大-合成的构架对有扩频的放大器合成时会有所限制。无耗径向网络为非全匹配网络，一个支路的损毁会破坏激励平衡，造成其余支路驻波恶化，强烈的负载牵引效应可能造成所有支路的损毁，需进一步研究和解决在非平衡激励条件下的支路稳定性。

为解决上述问题，本发明在上述径向功率合成技术上，提出了数字极化功率合成技术。新方案与传统合成方法有本质区别，功率合成方案采用分配-矢量控制-扩频/放大-反馈-合成的构架，分配与合成网络的路数和幅度相位均不需要满足任何对应关系。支路信号的相对幅度和相位关系受控于深幅全相矢量控制单元。这样的发明设计可解决径向功率合成技术现阶段面临的上述问题。对微波毫米波功率合成技术的发展和微波毫米波频段的系统开发有着重要作用和意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：在多路径向功率合成过程中，各个支路间、主路与支路间幅值和相位匹配以及合成模式和极化方向的问题，包括合成效率恶化、极化方向偏离、带宽窄、支路间相互影响、硬件功能单一等问题。该发明突破数字极化激励与校准、时间对称模径向合成、空间对称模径向合成、平衡式模式变换等关键问题，开发出开发具有频带宽、路数多、合成效率高、极化方向可操控、合成模式可操控、模式隔离度高、功率容量高、结构可实现性强等特点的新型功率合成技术。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：数字化矢量控制单元，包含可调放大器、可调衰减器和可调移相器。监测反馈单元，包含信号幅值和相位的检测。数字电路控制单元，包含MCU，FPGA数字芯片；MCU负责通信、与FPGA协调控制；FPGA负责数字化矢量控制单元控制与监测反馈单元通信。

进一步的是，所述的可调放大器、可调衰减器和可调移相器都是工作在微波毫米波频段的宽带器件，都是电压控制器件，且步进可调。

进一步的是，所述的监测反馈单元包含耦合器、鉴幅器、鉴相器。负责各支路终端微波毫米波信号幅值和相位的检测。

进一步的是，所述的数字电路控制单元FPGA主要完成两方面的工作：一是合成端的FPGA负责各个支路终端微波毫米波信号幅值和相位的检测，然后将检测数据传输给MCU；二是控制端的FPGA负责各个支路起始端微波毫米波信号幅值和相位的控制，并保持与MCU的通信，控制幅度由MCU决定。

进一步的是，所述的数字电路控制单元MCU主要负责三方面的工作：一是与合成端