一种用于宽带微波信号混合的功放架构及其工作方法与流程

1.本发明涉及宽带微波信号混合技术领域，具体而言，涉及一种用于宽带微波信号混合的功放架构及其工作方法。


背景技术：

2.在航天应用中，空间中的射频大功率常会导致部件出现“微放电”现象，造成系统失效的严重后果。为模拟此现象进行测试，需要在一定强度的连续波信号上叠加10倍以上的脉冲信号，形成具有一定峰均比的连续波与脉冲混合信号，输出的峰值功率在千瓦量级。航天应用中涉及到的频段从c波段到ka波段均有分布，为使得测试设备的利用效率高，测试能力强，需其具有宽带大功率的特性。
3.脉冲器件的峰值功率较高，但其不能工作在连续波下，导致平均功率低；而连续波器件的峰值功率又较小，输出高峰值功率就需要高成本。由于微放电测试所需的信号样式脉冲峰值功率需要几千瓦，连续波功率需要几百瓦，高功率的脉冲器件难以兼容连续波的输出，因此目前大部分的设计方式是选用连续波的器件，按照最高功率进行设计，导致整机的成本昂贵、体积庞大。
4.还有一种方式是采用差相仪或是高速大功率开关进行切换，但这种方式的带宽较窄，功率较小，应用场景受限。一方面是由于材料特性的限制，目前差相仪带宽仅15％左右、高频段的最大功率在百瓦量级，尚不能满足测试所需的宽带全频带大功率工作的需求；另一方面差相仪开关的切换时间需要若干微秒，且不能带载切换，对时序要求严格，而微放电击穿的测试需求为纳秒量级，因此测试的准确度受限，难以满足实际应用的需求。
5.综上，对于如航天应用中的微放电测试等场景，需要一种带宽宽、功率大的混合电路架构，能够将连续波和脉冲信号分别进行放大，以降低整机成本，然后再将放大之后的连续波和脉冲信号无缝叠加合成，且要具有切换时间短，电路可靠性高的特点。


技术实现要素：

6.本发明旨在提供一种用于宽带微波信号混合的功放架构及其工作方法，以解决宽带大功率、连续波与脉冲无缝叠加、高可靠和低成本几个因素之间矛盾的问题。
7.本发明提供的一种用于宽带微波信号混合的功放架构，包括连续波微波信号源s1、同步信号源s2、脉冲信号源s3、宽带移相器或延时器d1、宽带功率放大器a1、宽带功率放大器a2、宽带功率放大器a3、电桥h1、电桥h2、隔离电阻r1、定向耦合器c1、定向耦合器c2、定向耦合器c3和定向耦合器c4；
8.连续波微波信号源s1的信号输出端口1依次经移宽带相器或延时器d1、宽带功率放大器a1、定向耦合器c1的直通端连接电桥h2的端口3；连续波微波信号源s1的同步受控端口2连接同步信号源s2的信号输出端口1；脉冲信号源s3的信号输出端口3连接分别连接宽带功率放大器a2和宽带功率放大器a3的控制端口3；脉冲信号源s3的信号输出端口1连接电桥h1的端口1；脉冲信号源s3的同步受控端口2连接同步信号源s2的信号输出端口2；电桥h1
的端口2经隔离电阻r1接地；电桥h1的端口3依次经宽带功率放大器a2和定向耦合器c2的直通端口连接电桥h2的端口1；电桥h1的端口4依次经宽带功率放大器a3和定向耦合器c3的直通端口连接电桥h2的端口2；电桥h2的端口4经定向耦合器c4的直通端连接所述功放架构的输出端口pout。
9.进一步的，所述电桥h1和电桥h2为90
°
电桥。
10.进一步的，所述宽带功率放大器a1、宽带功率放大器a2和宽带功率放大器a3的结构均包括：
11.功率管q1；
12.与功率管q1的栅极连接的输入匹配电路；
13.与功率管q1的漏极连接的输出匹配电路；
14.所述宽带功率放大器a1的功率管q1的源极接地；所述宽带功率放大器a2和宽带功率放大器a3的功率管q1的源极连接脉冲信号源s3的信号输出端口3。
15.可选的，将所述功放架构用于微放电测试时，所述宽带功率放大器a1采用固态器件。
16.可选的，将所述功放架构用于微放电测试时，所述宽带功率放大器a2、宽带功率放大器a3采用电真空放大器。
17.进一步的，所述定向耦合器c1、定向耦合器c2、定向耦合器c3和定向耦合器c4具有用于功率监测的功率监测端口。
18.进一步的，所述用于宽带微波信号混合的功放架构的工作方法，包括如下步骤：
19.s100，同步信号源s2向连续波微波信号源s1和脉冲信号源s3输出同步信号，将连续波微波信号源s1和脉冲信号源s3输出的信号在时间上进行同步控制，使连续波微波信号源s1的信号输出端口1输出连续波微波信号；脉冲信号源s3的信号输出端口1和信号输出端口3输出与连续波微波信号对应时间和相位的脉冲信号；
20.s200，连续波微波信号经宽带移相器或延时器d1进行移相或延时；
21.s300，移相或延时后的连续波微波信号进入宽带功率放大器a1，宽带功率放大器a1输出放大的连续波微波信号；
22.s400，放大的连续波微波信号经定向耦合器c1的直通端到达电桥h2的端口3；
23.s500，脉冲信号源s3的信号输出端口1输出脉冲信号进入电桥h1的端口1，分为具有90
°
相位差的两路信号，分别从端口3和端口4输出；
24.s600，电桥h1的端口3输出具有90
°
相移的脉冲信号，进入宽带功率放大器a2进行放大，放大后的脉冲信号经过定向耦合器c2的直通端进入电桥h2的端口1；电桥h1的端口4输出无相移脉冲信号，进入宽带功率放大器a3进行放大，放大后的脉冲信号经过定向耦合器c3的直通端进入电桥h2的端口2；
25.s700，电桥h2的端口1输入了宽带功率放大器a2输出的具有90
°
相移的脉冲信号，端口2输入了宽带功率放大器a3输出的无相移脉冲信号，端口3输入了宽带功率放大器a1输出的连续波微波信号，在端口4合成后经定向耦合器c4的直通端输出至所述功放架构的输出端口pout。
26.进一步的，在工作时，通过调整宽带移相器或延时器d1的移相或延时值使得电桥h2的的合成效率最高。
27.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
28.本发明实现的功放架构，用于宽带大功率微波信号的无缝混合，混合的比例、频率、信号样式不受限制，可极大地降低微放电测试系统的成本。
29.具体地：
30.1、所述功放架构内部均采用宽带的部件，可在倍频层上输出千瓦量级的功率。
31.2、所述功放架构内部放大通道采用高峰值的脉冲器件和高平均值的连续波器件共同工作，以降低成本。
32.3、所述功放架构内部电桥的隔离功能使合成的两路信号之间独立而互不干扰，使其支持不同频率的任意样式信号合成。
33.4、所述功放架构内部采用一路移相器或延时器对合成相位进行调整，可补偿电路的差异，实现最高合成效率。
附图说明
34.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。
35.图1为本发明实施例中用于宽带微波信号混合的功放架构的原理图。
36.图2为本发明实施例中宽带功率放大器的结构示意图。
37.图3为本发明实施例中电桥合成特性示意图。
38.图4为本发明实施例中信号相位叠加示意图。
具体实施方式
39.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。
40.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。
41.实施例
42.如图1所示，本实施例提出一种用于宽带微波信号混合的功放架构，包括连续波微波信号源s1、同步信号源s2、脉冲信号源s3、宽带移相器或延时器d1、宽带功率放大器a1、宽带功率放大器a2、宽带功率放大器a3、电桥h1、电桥h2、隔离电阻r1、定向耦合器c1、定向耦合器c2、定向耦合器c3和定向耦合器c4；本实施例中，所述电桥h1和电桥h2为90
°
电桥；
43.连续波微波信号源s1的信号输出端口1依次经宽带移相器或延时器d1、宽带功率放大器a1、定向耦合器c1的直通端连接电桥h2的端口3；连续波微波信号源s1的同步受控端口2连接同步信号源s2的信号输出端口1；脉冲信号源s3的信号输出端口3连接分别连接宽
带功率放大器a2和宽带功率放大器a3的控制端口3；脉冲信号源s3的信号输出端口1连接电桥h1的端口1；脉冲信号源s3的同步受控端口2连接同步信号源s2的信号输出端口2；电桥h1的端口2经隔离电阻r1接地；电桥h1的端口3依次经宽带功率放大器a2和定向耦合器c2的直通端口连接电桥h2的端口1；电桥h1的端口4依次经宽带功率放大器a3和定向耦合器c3的直通端口连接电桥h2的端口2；电桥h2的端口4经定向耦合器c4的直通端连接所述功放架构的输出端口pout。
44.所述用于宽带微波信号混合的功放架构的实现原理如下：
45.s100，同步信号源s2向连续波微波信号源s1和脉冲信号源s3输出同步信号，将连续波微波信号源s1和脉冲信号源s3输出的信号在时间上进行同步控制，使连续波微波信号源s1的信号输出端口1输出连续波微波信号；脉冲信号源s3的信号输出端口1和信号输出端口3输出与连续波微波信号对应时间和相位的脉冲信号；
46.s200，连续波微波信号经宽带移相器或延时器d1进行移相或延时；
47.宽带移相器或延时器d1用于调整连续波微波信号源s1输出的连续波微波信号的相位或者延时，可根据需要进行0
°
～360
°
的相位调整，或者进行皮秒到纳秒的延时调整，具体使用情况根据电路的目的而定。相位δφ与延时td的关系如下式所示：
[0048][0049]
由上式可知，如果合成的要求需要保持整个频段内的相位变化相同，应选择用宽带移相器，但会导致不同频率的信号传输延时不同；如果要求保持整个频段的时间变化相同，应选择宽带延时器，但会导致信号的相位变化随频率不同。如果要求相位和时间均变化不大，则需要针对每一个频点进行对应的控制和补偿，形成一个内部的固有补偿表格，在每个频点工作时做对应的调整。总的说来，相位上的合成用宽带移相器，时间上的合成用延时器，它们均可补偿通道间电路固有的差异，或补偿加工所导致的不一致，最终使得需混合的多路信号达到合成、抵消或者其他需要的状态。
[0050]
s300，移相或延时后的连续波微波信号进入宽带功率放大器a1，宽带功率放大器a1输出放大的连续波微波信号；
[0051]
如图2所示，所述宽带功率放大器a1包括：
[0052]
功率管q1；
[0053]
与功率管q1的栅极连接的输入匹配电路；
[0054]
与功率管q1的漏极连接的输出匹配电路；
[0055]
所述宽带功率放大器a1的功率管q1的源极接地。
[0056]
可以看出，宽带功率放大器a1的核心部件为功率管q1，为使其达到较高的增益和输出功率，宽带功率放大器a1的输入端包含了输入匹配电路imn，输出端包含了输出匹配电路omn。
[0057]
s400，放大的连续波微波信号经定向耦合器c1的直通端到达电桥h2的端口3；
[0058]
定向耦合器c1的直通端(端口1和端口2)，可以极小损耗通过大功率信号，端口3为正向耦合口，端口4为反相耦合口，分别耦合出正反向信号供检测、保护，平时用于功率监测，若监测到发生较大的反射，可以及时进行处理。
[0059]
s500，脉冲信号源s3的信号输出端口1输出脉冲信号进入电桥h1的端口1，分为具
有90
°
相位差的两路信号，分别从端口3和端口4输出。电桥h1的端口2为隔离端口，无信号输出，其上接隔离电阻r1，可以吸收端口3和端口4的不平衡和反射信号。
[0060]
s600，电桥h1的端口3输出具有90
°
相移的脉冲信号，进入宽带功率放大器a2进行放大，放大后的脉冲信号经过定向耦合器c2的直通端(端口1和端口2)进入电桥h2的端口1。定向耦合器c2的端口3和端口4分别用来检测宽带功率放大器a2输出通道的正向和反相功率，功能与定向耦合器c1相同。电桥h1的端口4输出无相移脉冲信号，进入宽带功率放大器a3进行放大，放大后的脉冲信号经过定向耦合器c3的直通端(端口1和端口2)进入电桥h2的端口2。定向耦合器c3的端口3和端口4分别用来检测宽带功率放大器a3输出通道的正向和反相功率，功能与定向耦合器c1相同。
[0061]
其中，宽带功率放大器a2和宽带功率放大器a3的结构与宽带功率放大器a1的结构类似，不同的是，所述宽带功率放大器a2和宽带功率放大器a3的功率管q1的源极连接脉冲信号源s3的信号输出端口3。可选地，宽带功率放大器a1与宽带功率放大器a2、宽带功率放大器a3可以是相同的，也可以是不同的，以达到不同的输出功率或信号混合的效果。
[0062]
s700，电桥h2的端口1输入了宽带功率放大器a2输出的具有90
°
相移的脉冲信号，端口2输入了宽带功率放大器a3输出的无相移脉冲信号，端口3输入了宽带功率放大器a1输出的连续波微波信号，如图3所示，在端口4合成后经定向耦合器c4的直通端输出至所述功放架构的输出端口pout。定向耦合器c4的功能与定向耦合器c1相同。
[0063]
图3展示了电桥h2工作时的详细特性，电桥h2的端口1和端口2的信号具有90
°
的相位差，根据电桥的合成特性，其信号将在端口4合成，端口3的信号与端口1和端口2的信号相对独立，可通过宽带移相器或延时器d1调整相位，假设其相位为0
°
，信号会分配到端口1和端口2，同样具有90
°
和0
°
的相位差。信号逆向输出端口1和端口2之后，将通过宽带功率放大器a2和宽带功率放大器a3的输出匹配电路反射，重新进入电桥h2的端口1和端口2，此时信号将在端口4合成，且具有和宽带功率放大器a2、宽带功率放大器a3输出信号相同的值。因此，电桥h2的端口1、端口2和端口3输入信号均在端口4合成输出，且宽带功率放大器a2和宽带功率放大器a3的输出信号直接在h2的端口4合成，不会影响到端口3的输入信号。
[0064]
宽带移相器或延时器d1调整相位叠加的作用如图4所示。当无宽带移相器或延时器d1进行调整时，电路因为自身的相位不同或者加工误差导致有一定相位差，导致合成的效果较差，极端情况甚至会因为相位相反而互相抵消。当两路信号幅度相等时，相位差导致的合成效率变化如下式所示：
[0065][0066]
当相位差δφ为0
°
时，合成效率最高；当相位相反，差180
°
时，合成效率为0。
[0067]
由上述可知，连续波微波信号源s1和脉冲信号源s3输出的连续波微波信号、脉冲信号在经过宽带功率放大器a1、宽带功率放大器a2、宽带功率放大器a3放大之后，在电桥h2的端口4叠加合成。通过调整宽带移相器或延时器d1的移相或延时值可以使得叠加合成的效率最高。
[0068]
在实际的应用中，如微放电测试中，可将宽带功率放大器a2、宽带功率放大器a3通道配置为脉冲通道，采用电真空放大器，通常单只器件即可达到上千瓦的功率输出，可以大大降低成本，宽带功率放大器a1通道为连续波功率，常为脉冲功率的十分之一，可采用固态
器件，具有更小的体积，使整个系统在性能、成本和体积上更优。
[0069]
值得注意的是，从图3可知，电桥h2的端口3与端口1和端口2的信号是互相隔离的，因此可以实现任意样式的信号叠加，如连续波、脉冲、调幅调相信号等，对于不同频率的信号叠加，主要其工作频率在电桥和放大器的工作范围之内即可。
[0070]
由上可知，本发明实现的功放架构，用于宽带大功率微波信号的无缝混合，混合的比例、频率、信号样式不受限制，可极大地降低微放电测试系统的成本。具体地：
[0071]
1、所述功放架构内部均采用宽带的部件，可在倍频层上输出千瓦量级的功率。
[0072]
2、所述功放架构内部放大通道采用高峰值的脉冲器件和高平均值的连续波器件共同工作，以降低成本。
[0073]
3、所述功放架构内部电桥的隔离功能使合成的两路信号之间独立而互不干扰，使其支持不同频率的任意样式信号合成。
[0074]
4、所述功放架构内部采用一路移相器或延时器对合成相位进行调整，可补偿电路的差异，实现最高合成效率。
[0075]
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。