[发明专利]一种基于传输线变压器的大功率分配/合成器及系统

说明书

本发明提供一种基于传输线变压器的大功率分配/合成器及系统，所述分配/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；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。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。

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

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：

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。

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。

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。

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。

发明内容