專利名稱：一種寬帶波導行波功率合成放大器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及用于微波和毫米波頻段的功率合成技術，尤其涉及一種可寬帶工作的波導行波功率合成放大器
背景技術：
在微波毫米波頻段，人們普遍采用功率合成網絡將多個固態(tài)器件的輸出功率合成，從而實現大功率固態(tài)器件。功率合成技術有振蕩型合成和放大型合成兩類，其中功率合成放大器應用非常廣泛。無論哪一類，均是通過一個功率合成網絡合成多個固態(tài)器件的輸出功率，實現大功率合成放大器。功率合成網絡的性質直接決定了合成放大器的性能，因此，功率合成技術研究的重點主要是功率合成網絡的性質，探索哪種合成網絡拓撲結構可以實現最大效率的寬帶大數目的功率合成。近幾年，相繼報道了一些波導行波功率合成放大器結構。這種結構沿著輸入波導的電磁場傳播方向垂直插入多路稱合結構，電磁波從輸入波導進入后，在傳播的過程中依次地把功率饋入多路耦合結構。同時利用匹配膜片，使得波導中電磁場傳播時在每個耦合結構處都無反射，實現行波傳輸。耦合結構與放大器電路相連接，經過放大后的功率又依次通過耦合結構饋入輸出波導，在波導輸出端口等幅同相輸出，實現功率合成。這種結構有望實現Ka波段甚至更高波段多路放大器合成，實現大功率輸出。由于是沿著行波方向放置放大器陣列，從理論上講，這種結構沒有芯片路數的限制，同時又具有波導低損耗的特性，因此，利用該結構有望在微波高端和毫米波波段獲得高效率、大功率、結構緊湊和易于散熱的合成放大器?；谖ЫY構的行波功率分配/合成器可以實現寬帶功率分配，并且輸出端口隔離。不過隨著頻率的升高，微帶線的損耗變大。隨著合成路數的增加，傳輸線的長度增加，損耗會隨著合成路數的增加而增加，這將降低合成放大器的合成效率，過大的損耗甚至會使合成放大器失去應用的意義。因此，在微波高端和毫米波波段，基于微帶結構的行波功率分配/合成放大器并不適合于多路數的功率合成。基于波導行波功率合成結構，以其低損耗，高功率容量和良好的散熱等特性而在微波毫米波波段得到廣泛的應用。對于波導行波功率合成結構，所見報道的結構均沒有解決一個問題，就是由于微波信號從輸入端口到各耦合結構輸出所傳輸的路徑長度不一致，導致功率分配器的輸出端口相位不一致。當功率分配器的輸出端口相位不一致時，連接功率分配器輸出端口的放大器單兀的輸入反射信號會進入到其余放大器單元處，從而相互影響，使得各個放大器單元的輸入信號不一致，這樣會導致放大器單元工作狀態(tài)不一致，這將嚴重影響功率合成放大器的穩(wěn)定性和線性。由此而知，以前提出的行波功率合成放大器結構一般工作在功率分配器同相(或反相)輸出的頻率點附近，只適合窄帶工作。因此非常有必要開發(fā)一款可以實現寬帶同相或反相輸出的行波功率分配/合成器結構用于實現寬帶功率合成放大器
實用新型內容
[0005]本實用新型的目的在于克服現有技術中的缺點與不足，提供一種寬帶波導行波功率合成放大器，該放大器利用寬帶同相或反相輸出波導行波功率分配/合成器，實現功率等幅同相輸出，保證合成放大器的放大器單元的輸入功率在寬頻帶內處于等幅同相狀態(tài)。該寬帶工作波導行波功率合成放大器能夠實現在微波高端和毫米波波段的多路、寬帶和高效率(低損耗)的功率合成。為了達到上述目的，本實用新型是通過下述技術方案予以實現一種寬帶波導行波功率合成放大器，其特征在于包括兩個寬帶同相或反相輸出波導行波功率分配/合成器和至少一個功率放大器模塊，其中一個寬帶同相或反相輸出波導行波功率分配/合成器作為功率分配器，另一個寬帶同相或反相輸出波導行波功率分配/合成器作為功率合成器；所述寬帶同相或反相輸出波導行波功率分配/合成器包括輸入波導、至少一級耦合結構、一個以上的輸出波導，以及連接耦合結構與輸出波導的匹配過渡結構；所述匹配過渡結構用以實現耦合結構和輸出波導間的阻抗匹配，達到最大帶寬的匹配輸出；所述每級耦合結構垂直于輸入波導的行波方向設置，除最末一級耦合結構之外，每級耦合結構處設有用于防止波導中電磁場傳播時在每級耦合結構形成反射現象的匹配膜片，所述匹配膜片是指感性膜片，所述匹配膜片位于該級耦合結構和下一個耦合結構之間；所述輸出波導垂直于輸入波導的方向設置，所述每級I禹合結構相連的輸出波導的長度各不相同，第一級I禹合結構對應的輸出波導的長度最長，依次縮短；每一級輸出波導的長度符合如下條件任意一級輸出波導的長度等于從該級開始到最末級耦合結構之間的輸入波導長度與最末一級輸出波導的長度之和，最終實現輸出端口的輸出信號幅度和相位一致，使得合成放大器中的放大器單元的輸入信號在寬頻帶內處于等幅同相狀態(tài)，從而實現寬帶的波導行波功率合成。所述功率放大模塊位于所述功率分配器和所述功率合成器之間，每個功率放大器的輸入口分別連接功率分配器的一個輸出波導，輸出口連接功率合成器的一個輸入波導；所述功率合成器與功率分配器呈旋轉對接放置形式，將所述功率分配器的第一級耦合結構對應的輸出波導對應功率合成器的最末級稱合結構對應的輸入波導。更具體地說，所述每級耦合結構設有至少一路的耦合單元，所述每級耦合結構的每路耦合單元處于輸入波導的一側或兩側寬邊上距離該側寬邊中心線對稱的位置。所述的耦合結構用于實現寬頻帶內信號等幅度輸出，耦合結構是指下列類型的其中一種微帶探針型耦合結構、共面波導探針型耦合結構、同軸探針型耦合結構和脊波導探針型耦合結構。所述的脊波導探針型耦合結構包括作為主體的脊波導和由脊波導上凸起的導體脊延長而形成的、用于插入到輸入波導的探針結構，所述的脊波導探針為全波導結構，沒有引入介質損耗，損耗低且易于加工。所述的匹配過渡結構是指下列類型中的一種單節(jié)四分之一阻抗變換器、多節(jié)四分之一阻抗變換器、切比雪夫阻抗變換器和漸變傳輸線。所述寬帶波導行波功率合成放大器關于輸入輸出波導傳播方向中心線的水平截面對稱。 本實用新型提出的寬帶工作波導行波功率合成放大器中的寬帶同相或反相功率分配/合成器原理如下當微波信號從輸入波導進入后，在傳播的過程中將一部分功率同時饋入第一級M路耦合單元，剩余功率繼續(xù)沿波導傳輸，再饋入下一級M路耦合單元。當總共存在N級耦合結構，每級M路耦合單元時，則可引出MXN路信號。進入耦合單元的微波信號通過一個寬帶匹配過渡結構傳輸到輸出波導中，最后在輸出端口輸出。由于輸出波導長度不一，微波信號在每級輸出波導中傳輸所引起的相位滯后各不一樣，越靠近輸入的耦合結構對應的輸出波導所引起的相位滯后越大，最終實現輸出端口的輸出信號相位一致，使得合成放大器中的放大器單元的輸入信號在寬頻帶內處于等幅同相狀態(tài)，從而實現寬帶的波導行波功率合成。在該結構中，同時利用匹配膜片，使得波導中電磁場傳播時在每級M路耦合單元處都無反射，從而實現行波傳輸。 本實用新型的寬帶工作波導行波功率合成放大器是利用上述寬帶同相或反相波導行波功率分配/合成器構成的寬帶功率合成放大器。這種功率合成放大器包括一個功率分配器，至少一個功率放大模塊，一個功率合成器。所述功率分配器和功率合成器的結構形式都是寬帶同相或反相輸出波導行波功率分配器，功率合成器只是將功率分配器反過來應用而已。該功率合成器與功率分配器呈現一種旋轉對接放置形式。也就是說功率分配器的第一級輸出口將對應功率合成器的最末級輸入口。功率放大模塊位于功率分配器和功率合成器之間，其輸入口連接功率分配器的輸出口，輸出口連接功率合成器的輸入口。功率放大模塊的形式并不固定，只需滿足上述端口要求。功率放大模塊為波導端口，可以結合其它高性能的功率合成結構，例如可以在功率放大模塊中結合耦合器結構或者魔T結構等。與現有的技術相比，本實用新型具有如下優(yōu)點I、本實用新型提供一種寬帶工作波導行波功率合成放大器，通過合理設計耦合結構和輸出波導的長度，可以保證功率分配/合成器輸出功率在寬頻帶內等幅同相輸出。當該功率分配/合成器應用于功率合成放大器技術中時，保證了功率合成放大器的放大器單元的輸入信號在寬頻帶內處于等幅同相狀態(tài)，從而實現寬帶的波導行波功率合成。2、本實用新型提供的寬帶工作波導行波功率合成放大器，其功率分配/合成器通過適當延長輸出波導的長度，可以保證功率分配/合成器輸出功率在寬頻帶內同相位輸出。3、本實用新型提供的寬帶工作波導行波功率合成放大器，其功率分配/合成器通過合理設計耦合結構和耦合結構間的距離，實現功率分配器在寬頻帶內的等幅度輸出。4、本實用新型提供的寬帶工作波導行波功率合成放大器，利用空間功率合成技術，在輸入波導的一側或兩側寬邊上距離該側寬邊中心線對稱的位置耦合探針，在提高合成路數的同時保證損耗基本保持不變，能夠實現高效率的功率合成。5、本實用新型提供的寬帶工作波導行波功率合成放大器，其功率分配/合成器和放大器模塊的輸入/輸出端口形式為波導端口，這種結構形式非常容易結合其他高性能功率合成結構，如耦合器結構、魔T結構等。功率放大模塊可以單獨制作，便于加工調試。6、本實用新型所提供的脊波導探針型耦合波導行波功率分配器是一種全波導結構，沒有引入任何介質，因此沒有介質損耗，只有很低的導體損耗。這種功率分配器可以實現非常高效率的功率合成。7、本實用新型所提供的脊波導探針型耦合波導行波功率分配器是一種波導結構，各個部分都是在同一塊金屬中挖出各種腔體構成，這種結構易于機械加工和安裝。
圖I是脊波導探針型耦合的寬帶工作波導行波功率分配器構成的合成放大器的透視圖；圖2是圖I中A部分局部圖；圖3是圖I中脊波導探針型耦合 的寬帶工作波導行波功率分配器11的底部；圖4是圖I中脊波導探針型耦合的寬帶工作波導行波功率分配器11的底層111的加工結構圖；圖5是圖I中脊波導探針型耦合的寬帶工作波導行波功率分配器11的中間層112的加工結構圖；圖6是圖I中功率放大器模塊12的結構圖；圖7是微帶探針型耦合的寬帶工作波導行波功率分配器結構圖；圖8是同軸探針型耦合的寬帶工作波導行波功率分配器結構圖；圖9是同軸探針型耦合同軸輸出的寬帶工作波導行波功率分配器結構圖。
具體實施方式
以下結合附圖及實施例對本實用新型作進一步詳細的描述，但本實用新型的實施方式不限于此。實施例一該實施例運用脊波導探針型耦合結構來說明本實用新型的基本思想。如圖I脊波導探針型耦合的寬帶同相或反相波導行波功率分配器構成的合成放大器的透視圖所示，整體結構由功率分配器11，放大器模塊12和功率合成器13構成。功率合成器13在結構形式上與功率分配器11是一致的，只是沿著垂直方向與功率分配器呈旋轉對接形式放置。功率分配器11包括輸入標準波導21，脊波導探針型耦合結構31-34，匹配膜片41-43，脊波導探針型耦合結構到輸出波導的匹配過渡結構231-234，以及輸出波導241-244等部分。功率從功率分配器11的輸入波導21中輸入，傳播時按等比例依次饋入各級耦合結構34-31，通過輸出波導244-241傳輸到功率放大模塊放大后，再通過功率合成器13的輸入波導271-274輸入到耦合結構101-104，依次饋入功率合成器13的輸出波導28，這些微波功率在功率合成器13的輸出口等幅同相輸出，實現功率合成。該實施例中功率分配器和功率合成器的每一級耦合結構在標準輸入波導21的一側寬邊上關于中心線對稱的插入兩路耦合單元，有四級耦合結構，一共8路波導輸出?？梢詷嬙旄嗉墧担考壐囫詈蠁卧慕Y構。整個結構關于通過輸入輸出波導傳播方向中心線的水平截面對稱。圖2是圖I中A部分局部圖，該圖具體顯示了脊波導探針型耦合結構34和脊波導探針型耦合結構到輸出波導的匹配過渡結構234。這兩個部分的性能對波導行波功率分配器的特性影響很大。圖2中顯示的是脊波導探針型耦合結構34，包括插入波導探針部分341，高阻抗段342和脊波導傳輸部分343。每一級耦合結構的插入波導探針部分長度不一，這與每級耦合結構所需要的耦合度有關，最末級31的探針部分最長。高阻抗段342為一小段阻抗較高的脊波導，通過切除其部分導體脊的方式實現，也可以考慮改變脊波導腔體尺寸實現。調節(jié)該高阻抗線的長度以及其阻抗，可以很大程度上改變探針引入的電抗。高阻抗線的引入有利于實現脊波導與輸入波導的匹配，從而在寬頻帶內實現信號等幅度輸出。[0037]圖3為脊波導探針型耦合的寬帶同相或反相波導行波功率分配器11的底部，包括底層111和中間層112的一半。功率分配器的輸出波導241-244的長度不一致，從241到244依次增長。任意級輸出波導的長度等于從該級開始到最末級耦合結構之間的輸入波導長度與最末一級輸出波導的長度之和。例如，244的的長度等于從該級耦合結構34的中心位置開始到最末級耦合結構31的中心位置之間的輸入波導長度加上最末級輸出波導241的長度。通過適當延長輸入波導的長度，可以保證輸出波導等相位輸出，使得功率合成放大器的放大器單元的輸入信號在寬頻帶內處于等幅同相狀態(tài)，從而實現寬帶的波導行波功率合成除最末級外，每一級脊波導探針的旁邊有匹配膜片41-43，它們起到匹配作用，SP在波導輸入端看去是匹配的，膜片同時對功率分配起到作用。匹配膜片41-43的位置及高度根據探針引入的電納和電導值來進行設計。一般情況下，越后級高度膜片高度越大，倒數第二級最大。最末級處不存在匹配膜片41-43，此時利用一個短路面來抵消探針引入的電納值，實現匹配。脊波導探針型耦合結構到輸出波導的匹配過渡結構存在多種形式，該實施例中的匹配過渡結構234包括兩個部分，即較高阻抗脊波導51和窄邊減小的矩形波導52。其中52的中心導體脊部分比脊波導探針部分略大，其腔體尺寸寬邊與標準波導一致，窄邊略窄一些。窄邊減小的矩形波導52是一個窄邊尺寸減小的減高波導。圖I中的功率分配器結構11可分為三部分進行加工，即底層111、中間層112以及頂層113。底層和頂層是一個鏡像關系。圖4顯示了底層111的結構模型。圖5顯示了中間層112的結構模型。它們都是在一整塊金屬上挖出各種腔體而形成。功率放大模塊12可以采取多種形式，只需要滿足所需的端口關系即可。本實施例中引入一種兩路空間功率合成結構。圖6給出了功率放大模塊12的具體結構圖。放大模塊的基本工作過程是通過一個波導51輸入信號功率，然后通過平面探針61耦合到微帶中，再連接放大器71，最后放大器輸出的功率通過微帶探針耦合到輸出波導中。放大模塊中的微帶探針61和放大器單元71均是底層和頂層同時存在的，這實際上是一種兩路空間功率合成結構。圖6中輸入波導及輸出波導有一個90度的拐彎，圖中利用了切角結構52來實現匹配。圖6中所有的放大器芯片均是焊接到底層或底層金屬腔體上，這可以實現很好的散熱。頂層和底層表面可設計為片狀散熱結構，進行發(fā)黑處理，進一步改善散熱，還可進一步使用風扇進行強制散熱。實施例二如圖7所示，該圖示意了一個微帶探針型耦合同相輸出功率分配器結構。本實施例與實施例一不同之處僅在于，該實施例運用微帶探針型耦合結構來說明本實用新型的基本思想。該結構與脊波導探針型耦合波導行波功率分配器的主要差別是耦合結構的形式換為了微帶探針，相對應的，引入了微帶到輸出波導的匹配過渡結構。該結構仍然通過延長輸出波導來調節(jié)功率分配器的輸出相位一致。微帶探針的設計原理與脊波導探針結構的設計基本一致。微帶到輸出波導的匹配過渡結構采用的是探針過渡形式，通過在波導252寬邊上插入微帶探針251，在離探針一定距離處設置短路面實現微帶到波導252的過渡，波導252通過90度拐彎形成輸出波導，拐彎處存在匹配切角253。其它結構同實施例一一致。實施例三[0045]如圖8所示，該圖示意了一個同軸探針型耦合同相輸出功率分配器結構。本實施例與實施例一不同之處僅在于，該功分器的耦合結構形式換為了同軸探針，相對應的，引入了同軸到輸出波導的匹配過渡結構。該結構仍然通過延長輸出波導來調節(jié)功率分配器的輸出相位一致。同軸探針的設計原理與脊波導探針結構的設計基本一致。同軸到輸出波導的匹配過渡結構采用的是探針過渡形式，通過在波導262寬邊上插入同軸探針261，在離探針一定距離處設置短路面實現同軸到波導262的過渡，波導262通過90度拐彎形成輸出波導，拐彎處存在匹配切角263。其它結構同實施例一一致。實施例四如圖9所示，該圖示意了一個同軸探針型耦合同軸輸出功率分配器結構。本實施例與實施例一不同之處僅在于，該功率分配器的稱合結構形式換為同軸探針，同時輸出端口也為同軸形式。該結構通過延長輸出同軸線來調節(jié)功率分配器的輸出相位一致。其它結構同實施例--致。上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護范圍之內。
權利要求1.一種寬帶波導行波功率合成放大器，其特征在于包括兩個寬帶同相或反相波導行波功率分配/合成器和至少一個功率放大器模塊，其中一個寬帶同相或反相波導行波功率分配/合成器作為功率分配器，另一個寬帶同相或反相波導行波功率分配/合成器作為功率合成器；所述寬帶同相或反相波導行波功率分配/合成器包括輸入波導、至少一級耦合結構、一個以上的輸出波導，以及連接耦合結構與輸出波導的匹配過渡結構；所述匹配過渡結構用以實現耦合結構和輸出波導間的阻抗匹配，達到最大帶寬的匹配輸出；所述每級耦合結構垂直于輸入波導的行波方向設置，除最末一級耦合結構之外，每級耦合結構處設有用于防止波導中電磁場傳播時在每級耦合結構形成反射現象的匹配膜片，所述匹配膜片是指感性膜片，所述匹配膜片位于該級耦合結構和下一個耦合結構之間；所述輸出波導垂直于輸入波導的方向設置，所述每級I禹合結構相連的輸出波導的長度各不相同，第一級I禹合結構對應的輸出波導的長度最長，依次縮短；每一級輸出波導的長度符合如下條件任意級輸出波導的長度等于從該級開始到最末級耦合結構之間的輸入波導長度與最末一級輸出波導的長度之和； 所述功率放大模塊位于所述功率分配器和所述功率合成器之間，每個功率放大器的輸入口分別連接功率分配器的一個輸出波導，輸出口連接功率合成器的一個輸入波導；所述功率合成器與功率分配器呈旋轉對接放置形式，將所述功率分配器的第一級耦合結構對應的輸出波導對應功率合成器的最末級稱合結構對應的輸入波導。
2.根據權利要求I所述的寬帶波導行波功率合成放大器，其特征在于所述每級耦合結構包括至少一路的耦合單元，所述每級耦合結構的每路耦合單元處于輸入波導的一側或兩側寬邊上距離該側寬邊中心線對稱的位置。
3.根據權利要求I或2所述的寬帶波導行波功率合成放大器，其特征在于所述的耦合結構用于實現寬頻帶內信號等幅度輸出，耦合結構是指下列類型的其中一種微帶探針型耦合結構、共面波導探針型耦合結構、同軸探針型耦合結構和脊波導探針型耦合結構。
4.根據權利要求3所述的寬帶波導行波功率合成放大器，其特征在于所述的脊波導探針型耦合結構包括作為主體的脊波導和由脊波導上凸起的導體脊延長而形成的、用于插入到輸入波導的探針結構，所述的脊波導探針為全波導結構。
5.根據權利要求I所述的寬帶波導行波功率合成放大器，其特征在于所述的匹配過渡結構是指下列類型中的一種單節(jié)四分之一阻抗變換器、多節(jié)四分之一阻抗變換器、切比雪夫阻抗變換器和漸變傳輸線。
6.根據權利要求I所述的寬帶波導行波功率合成放大器，其特征在于所述寬帶波導行波功率合成放大器關于輸入輸出波導傳播方向中心線的水平截面對稱。
專利摘要本實用新型提出一種寬帶波導行波功率合成放大器，包括兩個寬帶同相或反相波導行波功率分配/合成器和至少一個功率放大器模塊。寬帶同相或反相波導行波功率分配/合成器包括輸入波導、至少一級耦合結構、一個以上的輸出波導，以及連接耦合結構與輸出波導的匹配過渡結構；每級耦合結構垂直于輸入波導的行波方向設置，除最末一級耦合結構之外，每級耦合結構處設有用于防止波導中電磁場傳播時在每級耦合結構形成反射現象的匹配膜片；輸出波導垂直于輸入波導的方向設置，所述每級耦合結構相連的輸出波導的長度各不相同，最終實現輸出信號等幅同相。本實用新型的功率合成放大器是一種應用于微波高端和毫米波波段的多路、寬帶、高效率的合成放大器。
文檔編號H01P5/12GK202363569SQ20112044392
公開日2012年8月1日 申請日期2011年11月10日 優(yōu)先權日2011年11月10日
發(fā)明者康智勇, 王穎, 褚慶昕, 龔志 申請人:華南理工大學, 西安空間無線電技術研究所