專利名稱：對稱耦合波導行波功率合成放大器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于微波和毫米波系統(tǒng)的固態(tài)功率放大器，尤其涉及一種基于對稱耦
合結構的波導行波功率合成放大器。
背景技術：
在微波毫米波電子系統(tǒng)中，利用功率放大器實現大功率輸出有著至關重要的作 用。傳統(tǒng)的速調管和行波管功率放大器雖然可以提供較高的輸出功率，但除了工藝實現上 的難度外，應用上也存在具體問題，比如工作電壓很高(數十千伏)，可靠性低，器件尺寸、 重量很大，加個昂貴等缺陷，限制了它在微波毫米波通信系統(tǒng)的廣泛使用。微波毫米波固態(tài) 器件具有直流功耗低、可靠性高、電路結構緊湊、尺寸小和重量輕等優(yōu)點，因而倍受人們關 注，應用日益廣泛。但相對于電子器件，單個固態(tài)器件輸出功率由于受自身半導體物理特性 的影響以及加工工藝、散熱問題、阻抗匹配等問題限制而遠遠達不到功率應用的要求。目前 還難以生產出大功率、低噪聲和低價格的微波毫米波固態(tài)功率器件，因而無法滿足大功率 電子通信系統(tǒng)的要求。 為了解決這一問題，人們研究了采用多個固態(tài)器件進行功率合成的方法來獲得高 功率輸出。目前，功率放大合成技術主要有電路功率合成技術和空間功率合成技術兩類。 傳統(tǒng)的電路功率合成技術，如wilkson功分器、Lange耦合器和分支線耦合器等，結構簡單、 容易實現，但是，當合成路數很多時，分配/合成網絡會很龐大，當工作頻率高達微波高端 或毫米波波段時，損耗會很大，損耗的功率甚至可能抵消了放大的功率，因此多路電路合成 技術效率通常很低。為了克服電路功率合成的缺陷，各種新型功率合成技術不斷出現，在 過去十幾年所嘗試的各種方法中，空間功率合成技術得到了廣泛的研究和發(fā)展。空間功率 合成技術將功率分配/合成網絡用空間電磁波替換，空間電磁波可以是準光波束或波導場 模式，有源陣列接收、放大、發(fā)射電磁波，形成大功率輸出，因此空間功率合成技術具有效率 高、體積小的優(yōu)勢，成為近十年來的研究熱點，有著廣泛的應用。 但是，空間功率合成放大技術，尤其是波導空間功率合成，在毫米波波段由于空間 有限，難以放置多路放大器芯片，因此限制了更大功率的形成，同時擁擠的空間也給大功率 放大器的散熱帶來困難。近幾年，還相繼報道了一些行波型波導功率合成結構(簡單原理 圖如圖1)。這種結構沿著輸入波導的電磁場傳播方向垂直插入多路耦合結構，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。然而，已見報道的各種波導行波功率合成結構的合成路數還不夠多，相對帶寬 較窄，或工作頻段不高，尚不能實現微波高端或毫米波的大功率輸出。例如，在美國專利 US6828875B2中，就提出了一種類似的開槽波導型功率合成放大器結構；該放大器結構沿 著輸入波導傳輸方向在寬邊表面開一系列縫隙，電磁場通過縫隙耦合進入微帶，放大后再 過縫隙耦合進入輸出波導，但是該放大器不能保證工作于行波模式，信號從輸入波導輸入后，在耦合結構處將形成反射，這是一種駐波諧振腔結構，其帶寬較窄。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現有波導行波功率合成結構合成路數較少、帶寬較窄等缺 點，提供一種對稱耦合波導行波功率合成放大器，該合成放大器可提供微波高端和毫米波 波段的高功率輸出，適用于各種通信與電子系統(tǒng)的需要，解決了現有功率合成放大器在微 波高端或毫米波波段合成路數不多、帶寬較窄等問題。 本發(fā)明的目的通過下述技術方案實現對稱耦合波導行波功率合成放大器，包括 輸入波導、輸出波導，和分別與輸入波導、輸出波導連接的多級耦合結構，以及與多級耦合 結構一一對應連接的多級放大器；所述多級耦合結構垂直設置在輸入波導和輸出波導的行 波方向，每級耦合結構設有多路耦合單元；除最末一級耦合結構之外，每級耦合結構處設有 匹配元件；從輸入波導輸入的微波功率按一定比例依次饋入多級耦合結構中的各路耦合單 元。 所述多級耦合結構處于輸入波導的一側寬邊上距離該側寬邊中心線對稱的位置。
所述耦合結構共有四級，每級耦合結構均含有兩路耦合單元。 所述多級耦合結構在輸入波導的兩側寬邊上對稱設置；所述對稱耦合波導行波功
率合成放大器還包括兩個用于對功率進行一次合成的減高波導和一個用于對功率進行二
次合成的E-T分支，其中減高波導設置在輸入波導的兩側寬邊上且分別與耦合結構的輸出
端、E-T分支的輸入端連接，E-T分支的輸出端與輸出波導連接。 所述減高波導窄邊為輸入波導窄邊的一半。 所述耦合結構共有四級；每級耦合結構均含有四路耦合單元。 所述E-T分支的轉角處以及減高波導的轉角處，均設有切角。 所述耦合單元為同軸探針耦合單元；同軸探針耦合單元包括依次連接的插入波導
探針、高阻抗線和標準阻抗傳輸線，其中標準阻抗傳輸線與放大器連接；插入波導探針的一
端與輸入波導連接，另一端與減高波導或者輸出波導連接。 所述插入波導探針為空氣同軸探針，標準阻抗傳輸線為空氣同軸線。 所述匹配元件為感性匹配膜片。 本發(fā)明的原理如下本發(fā)明所提出的功率合成放大結構可以在不增大插入損耗的 情況下將合成路數提高到原來的數倍。這種結構利用波導中場分布的對稱性，在放置耦合 結構的波導截面上對稱插入M路耦合單元(M—般為偶數)，引出M路信號。電磁波從輸入 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，剩余部功率繼 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級耦合結構時，則可引出M*N路 信號。耦合單元與放大器相連接，經過放大后的功率又反過來依次饋入輸出波導，在波導輸 出端口等幅同相輸出。功率合成放大器結構中，同時利用匹配元件，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。與每一級耦合結構都只引出l路 信號的技術方案相比，本發(fā)明使合成路數提高M倍。由于同一級的M路信號通過路徑一樣， 所以就能保證不會額外增大損耗，保證合成效率不變。此外，利用結構上的對稱性，本發(fā)明 可以保證進入相同形式的M路耦合單元的功率大小相同。
與現有的技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點
1.本發(fā)明能在原來波導行波功率合成放大器的單級耦合結構位置一次性引出多路耦合單元，可以將合成路數提高到原來的數倍，但是又不會增大插入損耗，即不會降低合成效率。對稱耦合結構的引入有兩種方式可以在波導寬邊一側引入對稱耦合結構也可在波導寬邊兩側同時引入對稱耦合結構。 2.本發(fā)明通過改進波導行波功率合成放大器單節(jié)耦合結構及合理調節(jié)每級耦合結構之間的距離，有效地拓寬了功率均等分配帶寬(各級功率相差在±0. 5dB之內)，保證各單元放大器在更寬帶寬內工作于相同狀態(tài)，使整體功率合成放大器具有更寬的帶寬，獲得更高的電源利用率及線性。 3.本發(fā)明實施例中提出使用空氣同軸耦合結構，利用空氣同軸線連接放大器芯片，能有效減少傳輸線介質損耗，提高功率合成效率。 4.本發(fā)明弓|入匹配元件，信號從輸入波導輸入后，在耦合單元處不會形成反射，保證了功率合成放大器工作在行波模式。


圖1是現有波導行波功率合成放大器的簡單原理圖； 圖2是本發(fā)明對稱耦合波導行波功率合成放大器的一個實施例的透視圖； 圖3是本發(fā)明對稱耦合波導行波功率合成放大器的另一個實施例的透視圖； 圖4是圖3中頂部平面視圖； 圖5是圖4的局部放大圖； 圖6是圖3中中間層的結構圖； 圖7是圖3中頂層和底層的結構圖。
具體實施例方式
下面結合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。 實施例 本發(fā)明的對稱耦合結構可以是在輸入波導的某一側寬邊上距離該側寬邊中心對稱位置插入多路耦合單元；或者是在輸入波導的兩側寬邊上對稱插入多路耦合單元。當在輸入波導的某一側寬邊上距離寬邊中心對稱位置插入多路耦合單元時，本發(fā)明對稱耦合波導行波功率合成放大器至少包括一個輸入波導、多級放大支路以及一個輸出波導，其中每級放大支路都含有多路輸入對稱耦合單元、放大器以及多路輸出對稱耦合單元。當在輸入波導的兩側寬邊上對稱插入多路耦合單元時，由于兩側寬邊上耦合單元方向是相反的，本發(fā)明對稱耦合波導行波功率合成放大器至少包括一個輸入波導、多級放大支路、兩個減高波導、一個E-T支節(jié)以及一個輸出波導，其中每級放大支路都含有多路輸入對稱耦合單元、放大器以及多路輸出對稱耦合單元；這時候，電磁波從輸入波導輸入后，依次耦合到兩側寬邊各級耦合結構，經放大器放大后，通過耦合結構耦合進入兩個減高波導進行首次合成，再通過T形節(jié)進行再次合成，最后從輸出波導輸出。前述各種對稱耦合波導行波功率合成放大器輸入輸出都可以對調，只需要將放大器放置方向也反向即可。 實現本發(fā)明時，可采用多種耦合結構形式，只需要在 級耦合結構上一次性對稱引入多路耦合單元即可。比如可采用在波導表面開槽，利用縫隙耦合微帶結構將功率饋入微帶傳輸線；可采用平面探針型耦合結構將功率饋入微帶傳輸線或共面?zhèn)鬏斁€；也可采用同軸探針型耦合結構將功率饋入空氣同軸線等。采用空氣同軸探針，由于需要的介質較少，能有效降低傳輸線插入損耗，提高功率合成放大器的合成效率。 本發(fā)明的一個較簡單的實施例如圖2所示。該實施例通過同軸探針型耦合結構來說明本發(fā)明的基本思想。該實施例包括輸入波導21，四級同軸探針耦合結構31-34，分別設置在前三級同軸探針耦合結構31-33處的三個匹配膜片41-43，以及輸出波導24 ;其中每一級同軸探針耦合結構上均設有放大器51，每一級同軸探針耦合結構的輸入端、輸出端分別與輸入波導21、輸出波導24連接；每一級同軸探針耦合結構在輸入波導21的一側寬邊上距離該側寬邊中心對稱位置插入兩路耦合單元，因此本實施例一共有八路耦合單元。微波功率從輸入波導21中輸入，傳播時按等比例依次饋入四級同軸探針耦合結構31-34的輸入端，經放大器放大后再通過耦合結構31-34的輸出端依次饋入輸出波導24 ;這些微波功率在輸出波導24輸出口等幅同向輸出，從而實現功率合成。 下面將通過另一個較為復雜的實施例進一步說明本發(fā)明的設計思想以及實施方案。本專業(yè)技術人員將不難發(fā)現，圖2實施例的單級及整體結構的設計原則及基本形式都與下面圖3所示實施例類似，其加工方案也可按與圖3實施例類似的方案進行，可參考下文對圖3中實施例的說明來實施。 本發(fā)明的一個更復雜的實施例透視圖如圖3所示。本實施例包括輸入波導21，四級同軸探針耦合結構31-34，分別設置在前三級同軸探針耦合結構31-33處的三個匹配膜片41-43，兩個減高波導22，E-T分支23以及輸出波導24，減高波導22設置在輸入波導21的兩側寬邊上且分別與同軸探針耦合結構的輸出端、E-T分支23的輸入端連接，輸出波導24與E-T分支23的輸出端連接，其中減高波導22的窄邊為輸入波導21窄邊的一半且用于對功率進行一次合成，而E-T分支23則用于將兩個減高波導22的功率進行二次合成；每級同軸探針耦合結構上也設有放大器，只是每級同軸探針耦合結構設有四路耦合單元，分別在輸入波導21的兩側寬邊上對稱地插入兩路，因此本實施例一共有16路耦合單元。由于耦合結構的對稱性所致，每一路信號通過的路徑都是一樣的，處于并行狀態(tài)，總體損耗基本相當于一路的損耗；因此雖然圖3所示實施例的合成路數是圖2所示實施例合成路數的兩倍，但是卻不會增大整體結構的損耗，因而不會降低合成效率。 當功率從輸入波導21輸入后，1/4的功率首先饋入第一級同軸探針耦合結構31，每個探針耦合單元獲得1/16的功率，第一級同軸探針耦合結構31上設有四路固態(tài)放大器51，功率經過放大后進入四路耦合單元，這四路耦合單元再分別將信號饋入兩個減高波導22，減高波導22的窄邊為輸入波導21窄邊的一半。輸入波導21中剩余3/4的功率將繼續(xù)傳播，依次按等比例饋入剩下三級同軸探針耦合結構32、33、34，經固態(tài)放大器放大后進入各級同軸探針耦合結構的四路耦合單元，然后依次饋入兩個減高波導22，這些微波功率在位于輸入波導21兩側寬邊上的兩個減高波導22中分別進行合成。由于結構的對稱性，兩個減高波導22中合成的功率是等幅反相的，于是可通過E-T分支23進行二次合成，最后通過輸出波導24輸出。不難發(fā)現，該實施例中輸入輸出可以對調，只需要將放大器的放置方向反向即可。在前三級耦合結構處，都設有感性匹配膜片41-43，他們起到匹配作用，即在波導輸入端看去時匹配的；而在最末一級耦合結構處直接短路，調節(jié)短路面的位置即可達到匹配。匹配膜片同時對功率分配起作用。E-T分支23是一種將輸出波導24與兩個減高波
導22匹配連接的結構，這樣能保證功率均等分配，且在輸出波導24看入是匹配的。在E-T
分支23轉角處及減高波導22轉角處，設計有適當的切角以實現良好匹配。 本發(fā)明整個功率合成結構關于通過輸入輸出波導傳播方向中心線的垂直截面和
水平截面都對稱。 放大器51為固態(tài)放大電路芯片，并且置于一個封閉腔體27中，如圖2所示；所述放大器51可由一級驅動放大器和一級功率放大器構成，也可只包含一級功率放大器。放大器51的輸入端、輸出端都與同軸探針耦合結構相連。 圖4是圖3所示實施例的頂視圖。本發(fā)明整個功率合成結構關于圖4中虛線所在垂直截面對稱，該虛線所在垂直截面即為通過輸入輸出波導傳播方向中心線的垂直截面，該虛線可認為是電壁。正是由于這個電壁特性的存在，經放大器放大后的信號必須耦合饋入到減高波導中，這樣才能很好的實現對稱性。沿該虛線將整個功率合成結構分開，兩個部分又可認為都是中心對稱的。這種對稱性保證了功率分配電路和功率合成電路是一樣的，即將兩個相同的功分器背對背相接。輸入輸出結構的相同有利于簡化設計，即在設計時只需設計好功率分配電路即可。 將圖4中單節(jié)耦合單元局部放大得到圖5，圖5中顯示的是同軸探針型耦合單元。一個性能優(yōu)良的波導行波功率合成放大器的單節(jié)耦合單元的設計相當重要。通過改進單節(jié)耦合單元可拓寬整體的功率均等分配帶寬。 一個單節(jié)的同軸探針耦合單元包括耦合探針、放大器，感性匹配膜片(如匹配膜片42或匹配膜片43)設計在同軸探針耦合單元處；而耦合探針包括依次連接的插入波導探針331、高阻抗線332和同軸傳輸線333，其中同軸傳輸線333與放大器連接，插入波導探針331與減高波導連接；而在圖2所示的實施例中，插入波導探針331直接與輸出波導連接。 同軸傳輸線333的設計以便于加工和能夠傳輸所需頻率為前提，其特性阻抗設計為50 Q ，該同軸傳輸線腔體26中不填充介質，為空氣同軸線；此外，該傳輸線一端連接固態(tài)器件，可通過合適的工藝直接連接放大器芯片，如使用金線邦定連接等。
高阻抗線332為一小段阻抗較高的同軸線，通過調整其內導體外徑和外導體內徑來實現其較高阻抗值。高阻抗線的引入有利于將50Q同軸傳輸線與特性阻抗較高的波導進行匹配。調節(jié)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。通過調節(jié)該高阻抗線長度及內外導體半徑，使其引入的電導值在所需頻帶內變化較小(如出現極值點)，同時電納值也不過大，這樣將有利于實現寬帶均等功率分配和寬帶匹配。最后該高阻抗線長度在入/4左右(A為微波在該高阻抗線中的導波波長)，對于頻率很高的情況，適宜選擇A /4的奇數倍，如3 A /4。高阻抗同軸線332的腔體25內填充介質，以支撐整個探針。 插入波導探針331為空氣同軸探針，其直徑和長度都影響其引入電導值，即耦合功率大?。豢梢酝ㄟ^固定合適的探針直徑，而只改變探針長度的方法來實現不同的耦合度。為了加工方面的方便，設計中可固定空氣同軸和高阻抗同軸的尺寸，通過改變插入波導探針331的長度來獲得不同耦合強度。 匹配膜片的位置和深度很重要。匹配膜片離探針中心的距離選擇大約在入/16(Ag為中心頻率處波導波長)左右比較合適，依據具體情況可進行進一步優(yōu)化設計。通過調節(jié)探針的插入深度能很好的調節(jié)輸入匹配?？梢赃M一步使用專業(yè)電磁仿真軟件對單節(jié)探針和膜片同時進行優(yōu)化，以獲得優(yōu)良特性。每級單節(jié)耦合結構的膜片離探針中心距離最好相等，這樣有利于調節(jié)各路信號在合成點處的相位一致性。每個耦合單元設計好以后，可進行整體設計，通過優(yōu)化相鄰兩級探針中心之間的距離，使均等功率分配帶寬達到最大。為了便于加工，相鄰兩級探針中心之間的距離最好設計為相等，這樣往往也能保證合成時各路信號同相，以獲得高合成效率。 圖3所示的整體結構可分為三部分進行加工，如圖3中的中間層11、頂層和底層12。圖6顯示了中間層11的結構模型，圖7顯示了頂層和底層12的結構模型。它們都是在一整塊導體上挖出各種腔體而形成，耦合單元鑲嵌于各層之間，固態(tài)器件直接焊接于中間層11上，然后加蓋頂層和底層12即可形成完整的腔體。固態(tài)器件直接焊接到較厚的中間層11之上將有利于散熱，頂層和底層12的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。 上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明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發(fā)明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，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
對稱耦合波導行波功率合成放大器，包括輸入波導、輸出波導，和分別與輸入波導、輸出波導連接的多級耦合結構，以及與多級耦合結構一一對應連接的多個放大器，其特征在于所述多級耦合結構垂直設置在輸入波導和輸出波導的行波方向，每級耦合結構設有多路耦合單元；除最末一級耦合結構之外，每級耦合結構處設有匹配元件；從輸入波導輸入的微波功率按一定比例依次饋入多級耦合結構中的各路耦合單元。
2. 根據權利要求1所述的對稱耦合波導行波功率合成放大器，其特征在于所述多級 耦合結構處于輸入波導的一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2所述的對稱耦合波導行波功率合成放大器，其特征在于所述耦合 結構共有四級，每級耦合結構均含有兩路耦合單元。
4. 根據權利要求1所述的對稱耦合波導行波功率合成放大器，其特征在于所述多級 耦合結構在輸入波導的兩側寬邊上對稱設置；所述對稱耦合波導行波功率合成放大器還包 括兩個用于對功率進行一次合成的減高波導和一個用于對功率進行二次合成的E-T分支， 其中減高波導設置在輸入波導的兩側寬邊上且分別與耦合結構的輸出端、E-T分支的輸入 端連接，E-T分支的輸出端與輸出波導連接。
5. 根據權利要求4所述的對稱耦合波導行波功率合成放大器，其特征在于所述減高 波導窄邊為輸入波導窄邊的一半。
6. 根據權利要求4所述的對稱耦合波導行波功率合成放大器，其特征在于所述耦合 結構共有四級；每級耦合結構均含有四路耦合單元。
7. 根據權利要求4所述的對稱耦合波導行波功率合成放大器，其特征在于所述E-T 分支的轉角處以及減高波導的轉角處，均設有切角。
8. 根據權利要求2-7中任一項所述的對稱耦合波導行波功率合成放大器，其特征在 于所述耦合單元為同軸探針耦合單元；同軸探針耦合單元包括依次連接的插入波導探 針、高阻抗線和標準阻抗傳輸線，其中標準阻抗傳輸線與放大器連接；插入波導探針的一端 與輸入波導連接，另一端與減高波導或者輸出波導連接。
9. 根據權利要求8所述的對稱耦合波導行波功率合成放大器，其特征在于所述插入 波導探針為空氣同軸探針，標準阻抗傳輸線為空氣同軸線。
10. 根據權利要求2-7中任一項所述的對稱耦合波導行波功率合成放大器，其特征在 于所述匹配元件為感性匹配膜片。
全文摘要
本發(fā)明提出了對稱耦合波導行波功率合成放大器，包括輸入波導、輸出波導，和分別與輸入波導、輸出波導連接的多級耦合結構，以及與多級耦合結構一一對應連接的多級放大器；所述多級耦合結構垂直設置在輸入波導和輸出波導的行波方向，每級耦合結構設有多路耦合單元；除最末一級耦合結構之外，每級耦合結構處設有匹配元件；從輸入波導輸入的微波功率按一定比例依次饋入多級耦合結構中的各路耦合單元。該功率合成放大器可提供微波高端和毫米波波段的高功率輸出，適用于各種通信與電子系統(tǒng)的需要，解決了現有功率合成放大器在微波高端或毫米波波段合成路數不多、帶寬較窄等問題。
文檔編號H01P5/12GK101699652SQ20091019340
公開日2010年4月28日 申請日期2009年10月28日 優(yōu)先權日2009年10月28日
發(fā)明者褚慶昕, 龔志 申請人:華南理工大學