CN101515790A - 基于柔性基片集成波导技术的毫米波段功率放大器 - Google Patents

Abstract

基于柔性基片集成波导技术的毫米波段功率放大器可作为毫米波系统中发射机的末级功率放大器的技术方案。功率放大器的基本组成单元是一对含对称尖劈过渡结构的薄基片集成波导。将该单元上的对称尖劈沿波导窄壁分别插入相应的输入和输出矩形金属波导，就可在波导内实现宽带、高效率的功率分配和功率合成。同时，由于信号经FSIW被引入到波导外进行放大，方便了放大器安装、调试和散热。实现了一个Ka波段八路合成宽带功率放大器装置，在26.5GHz频率上最大输出功率约为4.2W(连续波)。在26.4GHz频率上最大合成效率约为72.5％，在25.1GHz～28.4GHz频率范围内，合成效率大于60％。

Description

基于柔性基片集成波导技术的毫米波段功率放大器

技术领域

本发明是一种应用于微波毫米波系统的功率合成放大器实现方法及实现装置，属于微波毫米波技术领域。

背景技术

在毫米波频段，由于受微波单片集成电路(MMIC)工艺水平的限制，单个MMIC功放芯片所能提供的最大输出功率往往不能满足系统设计要求。解决这个问题的有效途径就是采用功率合成技术来构建发射机的末级功率放大器。以往的研究表明，随着功率放大器中MMIC器件个数的增加，空间功率合成比平面功率合成具有更高的合成效率。然而，空间功率合成电路的设计和制作都比较复杂，生产成本也比较高。

基片集成波导(SIW)是近年来兴起的一种新型导波技术。利用这项技术，可以通过在上下面敷铜的低损耗介质基片加入两排金属化通孔阵列，来实现传统的矩形金属波导的功能。由于它的传播特性与矩形金属波导类似，所以具有高Q值、低损耗、高功率容量等优点。同时由于基片集成波导是可用普通的印制板工艺实现的平面结构，并且通过调节印制板厚度或金属化通孔阵列间距的方式就可方便的控制传输信号的相位特性，因此利用该项技术设计的无源器件就会具有设计简单、加工成本较低、易于与其它平面电路实现无缝集成、调试和测试方便、便于大批量生产等优点。

发明内容

技术问题：本发明的目的是解决目前毫米波功率合成放大器技术方案中工作带宽较窄、设计复杂、加工精度要求高、器件安装不容易、生产成本较贵、电路的调试和测试比较困难等问题。提供一种设计简单、加工成本较低、易于生产、调试和测试的基于柔性基片集成波导技术的毫米波段功率放大器，促进基片集成波导技术在微波毫米波系统及设备中更好的应用。

技术方案：本发明的基于柔性基片集成波导技术的毫米波段功率放大器的基本组成单元是SIW功分合成单元，将n个输入对称尖劈过渡结构层叠在一起，沿输入波导紧密插入到输入波导中，将n个输出对称尖劈过渡结构层叠在一起，沿输出波导紧密插入到输出波导中；SIW功分合成单元作为柔性波导来使用，MMIC功放器件及其附件分别被安装在每个SIW功分/合成单元中间部位；利用基片集成波导具有和矩形金属波导相类似的传输特性和场分布特性，通过输入波导与n个等厚度的SIW功分合成单元上的输入对称尖劈过渡结构和输入基片集成波导组成n路功分器，通过n个等厚度的SIW功分/合成单元上的输出基片集成波导和输出对称尖劈过渡结构与输出波导组成n路合成器。

SIW功分合成单元从其一端至另一端顺序设有输入对称尖劈过渡结构、输入基片集成波导、基片集成波导-微带转换结构、MMIC功放器件、微带-基片集成波导转换结构、输出基片集成波导、输出对称尖劈过渡结构。输入基片集成波导和输出基片集成波导采用不等宽方案设计，保证各SIW功分合成单元传输相位一致。

有益效果：本发明提出的基于柔性基片集成波导技术的Ka波段功率放大器设计方案具有以下优点：

(1)良好的宽带特性。由于波导的传播主模为TE₁₀模，其沿波导窄壁的电场分量为零。而且，SIW的传播主模为类TE₁₀模。

(2)高合成效率。通过调节基片集成波导的宽度，可使功分器或合成器的每路输出或输入信号具有等幅、同相的特性。

(3)随着功放中功放芯片数量的增加，功率合成效率不会受到太大的影响。这个特性是由功放中功分/合成器的结构特点所保证的，其功率分配或功率合成分别在输入波导或输出波导内完成。

(4)具有良好的性能，便于设计、制作和与其它平面电路(包括有源器件)衔接。这是由于基片集成波导本身所具有的高Q值、低损耗、易集成和便于加工等特性。

附图说明

图1是本发明所采用的SIW功分/合成单元结构示意图。

图2是本发明所采用的基于柔性基片集成波导技术的Ka波段功率放大器结构示意图(顶视图)。

图3是本发明所采用的基于柔性基片集成波导技术的Ka波段功率放大器结构示意图(侧视图)。

图4是本发明的一种具体实施方式，基于柔性基片集成波导技术的Ka波段功率放大器的测试结果。

图5是本发明的一种具体实施方式，基于柔性基片集成波导技术的Ka波段功率放大器的功率合成效率计算结果。

以上的图中有：输入对称尖劈过渡结构1、输入基片集成波导2、基片集成波导-微带转换结构3、MMIC功放器件4、微带-基片集成波导转换结构5、输出基片集成波导6、输出对称尖劈过渡结构7、金属衬底8、SIW功分合成单元9、输入波导10、输出波导11、功分器12、合成器13、底座散热器14、上盖散热器15、金属衬底16。

具体实施方式

基于柔性基片集成波导(FSIW)技术的合成型毫米波功率放大器设计方法，该方法中功率放大器的基本组成单元是一对含对称尖劈过渡结构的薄基片集成波导(简称SIW功分/合成单元)，将单元上的对称尖劈过渡结构层叠在一起，并沿波导窄壁分别紧密插入到输入和输出波导中，SIW功分/合成单元处于波导外的部分被折弯，作为柔性波导来使用，MMIC功放器件及其附件分别被安装在每个SIW功分/合成单元中间部位。由于单元长度各不相同，为保证各单元传输相位一致，采用不等宽方案设计单元上的基片集成波导。图1给出了SIW功分/合成单元结构示意图，图2给出了基于FSIW技术的合成型功率放大器结构示意图(顶视图)，图3给出了基于FSIW技术的合成型功率放大器结构示意图(侧视图)。

利用基片集成波导具有和矩形金属波导相类似的传输特性和场分布特性，通过输入波导10与n个等厚度的SIW功分/合成单元9上的输入对称尖劈过渡结构1和输入基片集成波导2可组成n路功分器12，通过n个等厚度的SIW功分/合成单元9上的输出基片集成波导6和输出对称尖劈过渡结构7与输出波导11可组成n路合成器13。

信号进入输入波导10，被分为n个等份再分别进入相应的输入基片集成波导2，经基片集成波导-微带转换结构3后进入n个MMIC功放器件4放大，n路放大后的信号经微带-基片集成波导转换结构5后进入相对应的输出基片集成波导6，并送入到输出波导11完成功率合成和信号输出。功率放大器的n路功分器12和n路合成器13的结构是对称的。

该Ka波段功率合成放大器装置主要器件包括：输入波导10、八个SIW功分/合成单元9、输出波导11、金属底座14、上盖散热器15、底座散热器16，其中八个SIW功分/合成单元9上分别装有八个MMIC功放器件4。信号进入输入波导10，被分为八等份在分别进入相应的输入基片集成波导2，经基片集成波导-微带转换结构3后进入八个MMIC功放器件4放大，八路放大后的信号经微带-基片集成波导转换结构5后进入相对应的输出基片集成波导6，最后送入到输出波导11完成功率合成和信号输出。金属底座14起安放八个SIW功分/合成单元9的作用，上盖散热器15和底座散热器16用来散去功放芯片工作时所产生的热量。该装置中输入波导10和输出波导11结构相同，均为Ka波段减高波导。

本发明实际研制了一个基于柔性基片集成波导技术的Ka波段功率放大器装置。该功放主要由输入波导10、八个SIW功分/合成单元9、输出波导11、金属底座14、上盖散热器15、底座散热器16组成，其中八个SIW功分/合成单元9上分别装有八个MMIC功放器件4，同时每个SIW功分/合成单元9的接地背面均焊接有一块金属衬底8。该装置中输入波导10和输出波导11结构相同，均为Ka波段减高波导。

八个输入对称尖劈过渡结构1层叠在一起，并沿波导窄壁紧密地插入到输入波导9内，八个输出对称尖劈过渡结构7层叠在一起，并沿波导窄壁紧密地插入到输出波导10内。八个金属衬底8的下端部分则依次插入到金属底座14对应的刻槽中，并通过螺钉固定。金属底座14安装在底座散热器16上，通过底座散热器16为功放散热。同时，上盖散热器15通过螺钉与金属衬底8上端部分紧密连接，具有附助散热作用。安装在SIW功分/合成单元9上的MMIC功放器件4的背部接地面被焊接在金属衬底上，MMIC功放器件4的信号接口和电源接口则通过锏合工艺与外部相连。金属衬底8可以将MMIC功放器件4产生的热量传导到金属底座14和上盖散热器15上。

信号进入输入波导10，被分为八等份在分别进入相应的输入基片集成波导2，经基片集成波导-微带转换结构3后进入八个MMIC功放器件4放大，八路放大后的信号经微带-基片集成波导转换结构5后进入相对应的输出基片集成波导6，最后送入到输出波导11完成功率合成和信号输出。

图4给出了该八路功率放大器在连续波(CW)工作方式下输入和输出功率的测试结果，可以看出，在26.5GHz频率上该功率放大器的最大输出功率约为4.2W。在25.6GHz～28.2GHz频率范围内，功率增益均大于13dB。图5给出了计算所得到的合成效率曲线，在26.4GHz频点上其最大合成效率约为72.5％，在25.1GHz～28.4GHz频率范围内，合成效率大于60％。

Claims (3)

1、一种基于柔性基片集成波导技术的毫米波段功率放大器，其特征在于该功率放大器的基本组成单元是SIW功分合成单元(9)，将n个输入对称尖劈过渡结构(1)层叠在一起，沿输入波导(10)紧密插入到输入波导(10)中，将n个输出对称尖劈过渡结构(7)层叠在一起，沿输出波导(11)紧密插入到输出波导(11)中；SIW功分合成单元(9)作为柔性波导来使用，MMIC功放器件(4)及其附件分别被安装在每个SIW功分/合成单元(9)中间部位；利用基片集成波导具有和矩形金属波导相类似的传输特性和场分布特性，通过输入波导(10)与n个等厚度的SIW功分合成单元(9)上的输入对称尖劈过渡结构(1)和输入基片集成波导(2)组成n路功分器(12)，通过n个等厚度的SIW功分/合成单元(9)上的输出基片集成波导(6)和输出对称尖劈过渡结构(7)与输出波导(11)组成n路合成器(13)。

2、如权利要求1所述的基于柔性基片集成波导技术的毫米波段功率放大器，其特征在于SIW功分合成单元(9)从其一端至另一端顺序设有输入对称尖劈过渡结构(1)、输入基片集成波导(2)、基片集成波导-微带转换结构(3)、MMIC功放器件(4)、微带-基片集成波导转换结构(5)、输出基片集成波导(6)、输出对称尖劈过渡结构(7)。

3、如权利要求1所述的基于柔性基片集成波导技术的毫米波段功率放大器，其特征在于输入基片集成波导(2)和输出基片集成波导(6)采用不等宽方案设计，保证各SIW功分合成单元(9)传输相位一致。

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