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CN114841108A - 一种功放产品三维集成设计方法及功放产品 - Google Patents

一种功放产品三维集成设计方法及功放产品 Download PDF

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彭安尽
来晋明
敬小东
张人天
胡助明
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Abstract

本发明公开了一种功放产品三维集成设计方法及功放产品，属于功放产品设计领域，包括功率分配器与功放单元在三维空间信号连接，功放单元与功率合成器在三维空间信号连接。本发明合成效率高，有效提高功放工作效率，工作带宽宽，可根据系统需要灵活选择功放单元数量，降低了产品成本和功耗，输出功率高，结构紧凑且易于维修、维护。

Description

一种功放产品三维集成设计方法及功放产品
技术领域
本发明涉及功放产品设计领域，更为具体的，涉及一种功放产品三维集成设计方法及功放产品。
背景技术
在微波系统中，经过调制后的微波小信号需要通过功率放大器进行幅度放大后，经发射天线辐射到自由空间中，达到微波信号远距离无线传播的目的。微波信号经过放大后的功率越大，抗干扰能力越强，传输距离越远。因此业界通过各种手段，提升功率放大器的输出功率。主要有两种途径：一是提升单个固态功放芯片的功率输出能力，二是用功率合成器对多个功率放大器芯片的输出功率进行功率合成，获得更大功率。
针对用功率合成电路设计功率放大器的情况，现有设计方法为采用二进制拓扑结构的合成电路。该方法合成的功放单元数量必须为2n个，其中n为二进制合成电路级数，功放电路原理如图1所示。合成器和功分器电路可以用波导、微带线、带状线等来制作，整个电路处于一个平面上。由于合成器是一个平面电路，且各功率输入端口位置在一条直线上，所以功放阵列也必须呈一字排列，为一维线阵。
采用上述设计方法设计功放产品有诸多缺点：一是合成电路损耗会随着级数增加呈指数增加。假定单级合成电路损耗为0.6dB，8路功率合成器需要3级合成电路级联，电路损耗达1.8db，合成效率仅66％，34％的功率被消耗在合成电路上；二是功放单元数量必须是2n个，不能根据系统功率需求灵活控制功放单元数量，可能造成系统能耗增加、器件成本升高、系统功率过剩等；三是功放单元只能沿“一”字排列，在功放单元数量较多时，造成功放阵列占用较大的平面空间。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种功放产品三维集成设计方法及功放产品，解决背景中提出的问题。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
一种功放产品三维集成设计方法，包括功率分配器与功放单元在三维空间信号连接，功放单元与功率合成器在三维空间信号连接。
进一步地，包括子步骤：采用N路功率分配器，将激励信号等幅同相地分成N路，功分后的N路信号输出到各功放单元的激励端，经过功放单元放大后，输出至N路功率合成器各输入端口；N路功率合成器将各功放单元放大后输出的N路信号等副同相叠加、合成后输出；N路功率分配器功分后的N路信号在三维空间传输，N路功率合成器各输入信号从三维空间接收；N为大于等于2的整数。
进一步地，N路功率合成器采用同轴波导结构。
进一步地，所述三维空间的截面形状包括圆形、多边形。
一种功放产品，包括N路功率分配器、由N个功放单元组成的功放单元阵列、N路功率合成器，N为大于等于的整数；N路功率分配器将激励信号等幅同相地分成N路，功分后的N路信号输出到功放单元阵列的N个功放单元的激励端，经过N个功放单元放大后，输出至N路功率合成器各输入端口；N路功率合成器将功放阵列放大后输出的N路信号等副同相叠加、合成后输出；N路功率分配器功分后的N路信号输出端口为三维空间排列结构的截面形状；N路功率合成器各输入端口为三维空间排列结构的截面形状。
进一步地，所述三维空间排列结构包括规则立方体结构，且两端截面形状小于中部或与中部截面形状相同。
进一步地，包括馈电电路板，所述N路功率分配器、馈电电路板、功放单元阵列、N路功率合成器依次排列，并由多根长螺杆拉紧固定，其中N路功率分配器与功放单元阵列之间、功放单元阵列与N路功率合成器之间均设置有用于限位、支撑的凸台和凹槽。
进一步地，所述N路功率分配器各端口与功放单元阵列各功放单元激励端口之间用盲插式射频同轴连接器进行连接，所述功放单元阵列各功放单元输出端口与N路功率合成器各输入端口之间采用盲插式射频同轴连接器进行连接。
进一步地，所述功放单元阵列包括下底座和上底座；下底座和上底座的连接结构包括如下任一种：下底座和上底座通过螺钉固定，固定后上下底座形成一个内部中空，中空形状为规则的N边形；或在N为奇数时，下底座和上底座为整体一体加工成型；所述N个功放单元散热底部紧贴下底座和上底座安装，通过螺钉固定，在接触面上涂抹导热硅脂；N个功放单元安装在底座上后，呈圆环形或多边形阵列排布。
进一步地，热量从中部规则的N边形立方体结构四周导出，在产品中部四周放置散热翅片，或在产品中部四周放置带有冷却液流道的冷板进行散热。
本发明的有益效果包括：
本发明实施例设计方法合成效率高，有效提高功放工作效率，可根据系统需要灵活选择功放单元数量，以降低产品成本和功耗；输出功率高，可达千瓦量级；
用本发明实施例设计方法所设计的阵列式功放产品，具有如下优点：工作带宽宽(可达10倍频程以上)，结构紧凑且易于维修、维护等。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为采用二进制拓扑合成器的功放阵列原理图；
图2为采用波导空间功率合成器的功放阵列原理图；
图3为功放阵列产品外形示意图；
图4为功放阵列产品散热意图；
图5为功放阵列产品组成关系示意图；
图6为功放单元阵列组成示意图；
1-N路功率分配器，2-N路功率合成器，3-功放单元阵列，4-长螺杆，5-馈电电路板，6-下底座，7-上底座，8-N个功放单元。
具体实施方式
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。下面根据附图2～图6，对本发明的技术构思、解决的技术问题、工作原理、工作过程和有益效果作进一步详细、充分地说明。
本发明实施例的目的是为了解决目前采用二进制拓扑结构合成器电路设计功率放大器，存在合成效率低、功放单元数量控制不灵活、功放整机占用空间大的问题，在实际应用中提出了一种采用空间功率合成器电路的、功放单元三维集成方法。采用该方法设计的功率放大器，具备功率合成效率高、结构紧凑、功放单元数量灵活可控的特性。
在实际应用过程中，提供一种采用基于同轴波导空间功率合成器的阵列式功率放大器设计、集成方法。该方法设计的功放产品具有输出功率大、合成效率高、功率容量大、结构紧凑等特性，原理如图2所示。
该方法所涉及的功率放大器，包含一个N路功率分配器、一个由N个功放单元组成的功放阵列、一个N路功率合成器，其中的N为大于等于2的整数。
该方法涉及的功率放大器工作原理，结合图2说明：采用N路功率分配器，将激励信号等幅同相地分成N路，功分后的N路信号输出到各功放单元的激励端，经过功放单元放大后，输出至N路功率合成器各输入端口。N路功率合成器将功放阵列放大后输出的N路信号等副同相叠加、合成后输出。
该方法所用的N路功率分配器经一级功分电路，将信号分成为N路，N个输出端口呈圆形排列；所用的N路合成器经一级合成电路后，将N路信号合为一路，N个输入端口呈圆形排列。N路合成器采用同轴波导结构，以降低传输损耗、提高合成功率容量，拓展工作带宽。
该方法设计的功放产品典型外形如图3所示，产品中部呈规则立方体结构(亦可为规则多边柱形结构或圆柱形结构)，产品两端截面形状小于中部或与中部截面形状相同。
阵列式功放产品散热示意，如图4所示。工作时，热量须从产品中部立方体结构四周导出，可在产品中部四周放置散热翅片，施加一定风速进行散热；亦可在产品中部四周放置带有冷却液流道的冷板进行散热。
阵列式功放产品各部分组成及装配关系，结合图4说明：N路功率分配器1、馈电电路板5、功放单元阵列3、N路功率合成器2依次排列，最后由多根长螺杆4拉紧固定，其中N路功率分配器1与功放单元阵列3之间、功放单元阵列3与N路功率合成器2之间均设置有用于限位、支撑的凸台和凹槽形状包括但不限于圆形、方形。
N路功率分配器1各端口与功放单元阵列3各功放单元激励端口之间、功放单元阵列3各功放单元输出端口与N路功率合成器2各输入端口之间，均采用盲插式如SMP射频同轴连接器进行连接，以达到减小产品尺寸的目的。
功放单元阵列3的组成，结合图5说明：包含下底座6、上底座7、N个功放单元8，其中下底座6和上底座7通过螺钉固定，固定后上下底座形成一个内部中空，中空形状为规则的N边形。结构上，下底座6和上底座7亦可成为整体一体加工成型N为奇数适用。N个功放单元8散热底部紧贴下底座6和上底座7安装，通过螺钉固定，可在接触面上涂抹适量导热硅脂，以降低接触面热阻。N个功放单元8安装在底座上后，呈圆环形阵列排布。
为了验证本发明实施例的正确性，设计了2GHz～18GHz频段的一种14路阵列式功放产品，如图3所示。经测试，功放产品功率合成效率高于93％，整机效率与功放单元效率相当，输出功率全工作频段输出功率大于100W，产品尺寸150mm×60mm×60mm。
实施例1：一种功放产品三维集成设计方法，包括功率分配器与功放单元在三维空间信号连接，功放单元与功率合成器在三维空间信号连接。
实施例2：在实施例1的基础上，包括子步骤：
采用N路功率分配器，将激励信号等幅同相地分成N路，功分后的N路信号输出到各功放单元的激励端，经过功放单元放大后，输出至N路功率合成器各输入端口；N路功率合成器将各功放单元放大后输出的N路信号等副同相叠加、合成后输出；N路功率分配器功分后的N路信号在三维空间传输，N路功率合成器各输入信号从三维空间接收；N为大于等于2的整数。
实施例3：在实施例2的基础上，N路功率合成器采用同轴波导结构。
实施例4：在任一实施例1～实施例3的基础上，所述三维空间的截面形状包括圆形、多边形。
实施例5：一种功放产品，包括N路功率分配器1、由N个功放单元8组成的功放单元阵列3、N路功率合成器2，N为大于等于2的整数；N路功率分配器1将激励信号等幅同相地分成N路，功分后的N路信号输出到功放单元阵列3的N个功放单元的激励端，经过N个功放单元放大后，输出至N路功率合成器2各输入端口；N路功率合成器2将功放阵列放大后输出的N路信号等副同相叠加、合成后输出；N路功率分配器1功分后的N路信号输出端口为三维空间排列结构的截面形状；N路功率合成器2各输入端口为三维空间排列结构的截面形状。
实施例6：在实施例5的基础上，所述三维空间排列结构，所述三维空间排列结构包括规则立方体结构，且两端截面形状小于中部或与中部截面形状相同。
实施例7：在实施例5的基础上，包括馈电电路板5，所述N路功率分配器1、馈电电路板5、功放单元阵列3、N路功率合成器2依次排列，并由多根长螺杆4拉紧固定，其中N路功率分配器1与功放单元阵列3之间、功放单元阵列3与N路功率合成器2之间均设置有用于限位、支撑的凸台和凹槽。
实施例8：在实施例5的基础上，所述N路功率分配器1各端口与功放单元阵列3各功放单元激励端口之间用盲插式射频同轴连接器进行连接，所述功放单元阵列3各功放单元输出端口与N路功率合成器2各输入端口之间采用盲插式射频同轴连接器进行连接。
实施例9：在实施例5的基础上，所述功放单元阵列3包括下底座6和上底座7；下底座6和上底座7的连接结构包括如下任一种：下底座6和上底座7通过螺钉固定，固定后上下底座形成一个内部中空，中空形状为规则的N边形；或在N为奇数时，下底座6和上底座7为整体一体加工成型；
所述N个功放单元8散热底部紧贴下底座6和上底座7安装，通过螺钉固定，在接触面上涂抹导热硅脂；N个功放单元8安装在底座上后，呈圆环形或多边形阵列排布。
实施例10：在实施例5的基础上，热量从中部规则的N边形立方体结构四周导出，在产品中部四周放置散热翅片，或在产品中部四周放置带有冷却液流道的冷板进行散热。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。
除以上实例以外，本领域技术人员根据上述公开内容获得启示或利用相关领域的知识或技术进行改动获得其他实施例，各个实施例的特征可以互换或替换，本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种功放产品三维集成设计方法，其特征在于，包括功率分配器与功放单元在三维空间信号连接，功放单元与功率合成器在三维空间信号连接。
2.根据权利要求1所述的功放产品三维集成设计方法，其特征在于，包括子步骤：
采用N路功率分配器，将激励信号等幅同相地分成N路，功分后的N路信号输出到各功放单元的激励端，经过功放单元放大后，输出至N路功率合成器各输入端口；N路功率合成器将各功放单元放大后输出的N路信号等副同相叠加、合成后输出；N路功率分配器功分后的N路信号在三维空间传输，N路功率合成器各输入信号从三维空间接收；N为大于等于2的整数。
3.根据权利要求2所述的功放产品三维集成设计方法，其特征在于，N路功率合成器采用同轴波导结构。
4.根据权利要求1～3任一项所述的功放产品三维集成设计方法，其特征在于，所述三维空间的截面形状包括圆形、多边形。
5.一种功放产品，其特征在于，包括N路功率分配器(1)、由N个功放单元(8)组成的功放单元阵列(3)、N路功率合成器(2)，N为大于等于2的整数；N路功率分配器(1)将激励信号等幅同相地分成N路，功分后的N路信号输出到功放单元阵列(3)的N个功放单元的激励端，经过N个功放单元放大后，输出至N路功率合成器(2)各输入端口；N路功率合成器(2)将功放阵列放大后输出的N路信号等副同相叠加、合成后输出；N路功率分配器(1)功分后的N路信号输出端口为三维空间排列结构的截面形状；N路功率合成器(2)各输入端口为三维空间排列结构的截面形状。
6.根据权利要求5所述的功放产品，其特征在于，所述三维空间排列结构，所述三维空间排列结构包括规则立方体结构，且两端截面形状小于中部或与中部截面形状相同。
7.根据权利要求5所述的功放产品，其特征在于，包括馈电电路板(5)，所述N路功率分配器(1)、馈电电路板(5)、功放单元阵列(3)、N路功率合成器(2)依次排列，并由多根长螺杆(4)拉紧固定，其中N路功率分配器(1)与功放单元阵列(3)之间、功放单元阵列(3)与N路功率合成器(2)之间均设置有用于限位、支撑的凸台和凹槽。
8.根据权利要求5所述的功放产品，其特征在于，所述N路功率分配器(1)各端口与功放单元阵列(3)各功放单元激励端口之间用盲插式射频同轴连接器进行连接，所述功放单元阵列(3)各功放单元输出端口与N路功率合成器(2)各输入端口之间采用盲插式射频同轴连接器进行连接。
9.根据权利要求5所述的功放产品，其特征在于，所述功放单元阵列(3)包括下底座(6)和上底座(7)；下底座(6)和上底座(7)的连接结构包括如下任一种：下底座(6)和上底座(7)通过螺钉固定，固定后上下底座形成一个内部中空，中空形状为规则的N边形；或在N为奇数时，下底座(6)和上底座(7)为整体一体加工成型；
所述N个功放单元(8)散热底部紧贴下底座(6)和上底座(7)安装，通过螺钉固定，在接触面上涂抹导热硅脂；N个功放单元(8)安装在底座上后，呈圆环形或多边形阵列排布。
10.根据权利要求5所述的功放产品，其特征在于，热量从中部规则的N边形立方体结构四周导出，在产品中部四周放置散热翅片，或在产品中部四周放置带有冷却液流道的冷板进行散热。
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