CN101699652B - 对称耦合波导行波功率合成放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了对称耦合波导行波功率合成放大器，包括输入波导、输出波导，和分别与输入波导、输出波导连接的多级耦合结构，以及与多级耦合结构一一对应连接的多级放大器；所述多级耦合结构垂直设置在输入波导和输出波导的行波方向，每级耦合结构设有多路耦合单元；除最末一级耦合结构之外，每级耦合结构处设有匹配元件；从输入波导输入的微波功率按一定比例依次馈入多级耦合结构中的各路耦合单元。该功率合成放大器可提供微波高端和毫米波波段的高功率输出，适用于各种通信与电子系统的需要，解决了现有功率合成放大器在微波高端或毫米波波段合成路数不多、带宽较窄等问题。

Description

对称耦合波导行波功率合成放大器

技术领域

本发明涉及用于微波和毫米波系统的固态功率放大器，尤其涉及一种基于对称耦合结构的波导行波功率合成放大器。

背景技术

在微波毫米波电子系统中，利用功率放大器实现大功率输出有着至关重要的作用。传统的速调管和行波管功率放大器虽然可以提供较高的输出功率，但除了工艺实现上的难度外，应用上也存在具体问题，比如工作电压很高(数十千伏)，可靠性低，器件尺寸、重量很大，加个昂贵等缺陷，限制了它在微波毫米波通信系统的广泛使用。微波毫米波固态器件具有直流功耗低、可靠性高、电路结构紧凑、尺寸小和重量轻等优点，因而倍受人们关注，应用日益广泛。但相对于电子器件，单个固态器件输出功率由于受自身半导体物理特性的影响以及加工工艺、散热问题、阻抗匹配等问题限制而远远达不到功率应用的要求。目前还难以生产出大功率、低噪声和低价格的微波毫米波固态功率器件，因而无法满足大功率电子通信系统的要求。

为了解决这一问题，人们研究了采用多个固态器件进行功率合成的方法来获得高功率输出。目前，功率放大合成技术主要有电路功率合成技术和空间功率合成技术两类。传统的电路功率合成技术，如wilkson功分器、Lange耦合器和分支线耦合器等，结构简单、容易实现，但是，当合成路数很多时，分配/合成网络会很庞大，当工作频率高达微波高端或毫米波波段时，损耗会很大，损耗的功率甚至可能抵消了放大的功率，因此多路电路合成技术效率通常很低。为了克服电路功率合成的缺陷，各种新型功率合成技术不断出现，在过去十几年所尝试的各种方法中，空间功率合成技术得到了广泛的研究和发展。空间功率合成技术将功率分配/合成网络用空间电磁波替换，空间电磁波可以是准光波束或波导场模式，有源阵列接收、放大、发射电磁波，形成大功率输出，因此空间功率合成技术具有效率高、体积小的优势，成为近十年来的研究热点，有着广泛的应用。

但是，空间功率合成放大技术，尤其是波导空间功率合成，在毫米波波段由于空间有限，难以放置多路放大器芯片，因此限制了更大功率的形成，同时拥挤的空间也给大功率放大器的散热带来困难。近几年，还相继报道了一些行波型波导功率合成结构(简单原理图如图1)。这种结构沿着输入波导的电磁场传播方向垂直插入多路耦合结构，电磁波从输入波导进入后，在传播的过程中依次地把功率馈入多路耦合结构。同时利用匹配膜片，使得波导中电磁场传播时在每个耦合结构处都无反射，实现行波传输。耦合结构与放大器电路相连接，经过放大后的功率又依次馈入输出波导，在波导输出端口等幅同相输出，实现功率合成。然而，已见报道的各种波导行波功率合成结构的合成路数还不够多，相对带宽较窄，或工作频段不高，尚不能实现微波高端或毫米波的大功率输出。例如，在美国专利US6828875B2中，就提出了一种类似的开槽波导型功率合成放大器结构；该放大器结构沿着输入波导传输方向在宽边表面开一系列缝隙，电磁场通过缝隙耦合进入微带，放大后再通过缝隙耦合进入输出波导，但是该放大器不能保证工作于行波模式，信号从输入波导输入后，在耦合结构处将形成反射，这是一种驻波谐振腔结构，其带宽较窄。

发明内容

本发明的目的在于克服现有波导行波功率合成结构合成路数较少、带宽较窄等缺点，提供一种对称耦合波导行波功率合成放大器，该合成放大器可提供微波高端和毫米波波段的高功率输出，适用于各种通信与电子系统的需要，解决了现有功率合成放大器在微波高端或毫米波波段合成路数不多、带宽较窄等问题。

本发明的目的通过下述技术方案实现：对称耦合波导行波功率合成放大器，包括输入波导、输出波导，和分别与输入波导、输出波导连接的多级耦合结构，以及与多级耦合结构一一对应连接的多级放大器；所述多级耦合结构垂直设置在输入波导和输出波导的行波方向，每级耦合结构设有多路耦合单元；除最末一级耦合结构之外，每级耦合结构处设有匹配元件；从输入波导输入的微波功率按一定比例依次馈入多级耦合结构中的各路耦合单元。

所述多级耦合结构处于输入波导的一侧宽边上距离该侧宽边中心线对称的位置。

所述耦合结构共有四级，每级耦合结构均含有两路耦合单元。

所述多级耦合结构在输入波导的两侧宽边上对称设置；所述对称耦合波导行波功率合成放大器还包括两个用于对功率进行一次合成的减高波导和一个用于对功率进行二次合成的E-T分支，其中减高波导设置在输入波导的两侧宽边上且分别与耦合结构的输出端、E-T分支的输入端连接，E-T分支的输出端与输出波导连接。

所述减高波导窄边为输入波导窄边的一半。

所述耦合结构共有四级；每级耦合结构均含有四路耦合单元。

所述E-T分支的转角处以及减高波导的转角处，均设有切角。

所述耦合单元为同轴探针耦合单元；同轴探针耦合单元包括依次连接的插入波导探针、高阻抗线和标准阻抗传输线，其中标准阻抗传输线与放大器连接；插入波导探针的一端与输入波导连接，另一端与减高波导或者输出波导连接。

所述插入波导探针为空气同轴探针，标准阻抗传输线为空气同轴线。

所述匹配元件为感性匹配膜片。

本发明的原理如下：本发明所提出的功率合成放大结构可以在不增大插入损耗的情况下将合成路数提高到原来的数倍。这种结构利用波导中场分布的对称性，在放置耦合结构的波导截面上对称插入M路耦合单元(M一般为偶数)，引出M路信号。电磁波从输入波导进入后，在传播的过程中将一部分功率同时馈入第一级M路耦合单元，剩余部功率继续沿波导传输，再馈入下一级M路耦合单元。当总共存在N级耦合结构时，则可引出M*N路信号。耦合单元与放大器相连接，经过放大后的功率又反过来依次馈入输出波导，在波导输出端口等幅同相输出。功率合成放大器结构中，同时利用匹配元件，使得波导中电磁场传播时在每级M路耦合单元处都无反射，从而实现行波传输。与每一级耦合结构都只引出1路信号的技术方案相比，本发明使合成路数提高M倍。由于同一级的M路信号通过路径一样，所以就能保证不会额外增大损耗，保证合成效率不变。此外，利用结构上的对称性，本发明可以保证进入相同形式的M路耦合单元的功率大小相同。

与现有的技术相比，本发明具有如下优点：

1.本发明能在原来波导行波功率合成放大器的单级耦合结构位置一次性引出多路耦合单元，可以将合成路数提高到原来的数倍，但是又不会增大插入损耗，即不会降低合成效率。对称耦合结构的引入有两种方式：可以在波导宽边一侧引入对称耦合结构也可在波导宽边两侧同时引入对称耦合结构。

2.本发明通过改进波导行波功率合成放大器单节耦合结构及合理调节每级耦合结构之间的距离，有效地拓宽了功率均等分配带宽(各级功率相差在±0.5dB之内)，保证各单元放大器在更宽带宽内工作于相同状态，使整体功率合成放大器具有更宽的带宽，获得更高的电源利用率及线性。

3.本发明实施例中提出使用空气同轴耦合结构，利用空气同轴线连接放大器芯片，能有效减少传输线介质损耗，提高功率合成效率。

4.本发明引入匹配元件，信号从输入波导输入后，在耦合单元处不会形成反射，保证了功率合成放大器工作在行波模式。

附图说明

图1是现有波导行波功率合成放大器的简单原理图；

图2是本发明对称耦合波导行波功率合成放大器的一个实施例的透视图；

图3是本发明对称耦合波导行波功率合成放大器的另一个实施例的透视图；

图4是图3中顶部平面视图；

图5是图4的局部放大图；

图6是图3中中间层的结构图；

图7是图3中顶层和底层的结构图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本发明的对称耦合结构可以是在输入波导的某一侧宽边上距离该侧宽边中心对称位置插入多路耦合单元；或者是在输入波导的两侧宽边上对称插入多路耦合单元。当在输入波导的某一侧宽边上距离宽边中心对称位置插入多路耦合单元时，本发明对称耦合波导行波功率合成放大器至少包括一个输入波导、多级放大支路以及一个输出波导，其中每级放大支路都含有多路输入对称耦合单元、放大器以及多路输出对称耦合单元。当在输入波导的两侧宽边上对称插入多路耦合单元时，由于两侧宽边上耦合单元方向是相反的，本发明对称耦合波导行波功率合成放大器至少包括一个输入波导、多级放大支路、两个减高波导、一个E-T支节以及一个输出波导，其中每级放大支路都含有多路输入对称耦合单元、放大器以及多路输出对称耦合单元；这时候，电磁波从输入波导输入后，依次耦合到两侧宽边各级耦合结构，经放大器放大后，通过耦合结构耦合进入两个减高波导进行首次合成，再通过T形节进行再次合成，最后从输出波导输出。前述各种对称耦合波导行波功率合成放大器输入输出都可以对调，只需要将放大器放置方向也反向即可。

实现本发明时，可采用多种耦合结构形式，只需要在每级耦合结构上一次性对称引入多路耦合单元即可。比如可采用在波导表面开槽，利用缝隙耦合微带结构将功率馈入微带传输线；可采用平面探针型耦合结构将功率馈入微带传输线或共面传输线；也可采用同轴探针型耦合结构将功率馈入空气同轴线等。采用空气同轴探针，由于需要的介质较少，能有效降低传输线插入损耗，提高功率合成放大器的合成效率。

本发明的一个较简单的实施例如图2所示。该实施例通过同轴探针型耦合结构来说明本发明的基本思想。该实施例包括输入波导21，四级同轴探针耦合结构31-34，分别设置在前三级同轴探针耦合结构31-33处的三个匹配膜片41-43，以及输出波导24；其中每一级同轴探针耦合结构上均设有放大器51，每一级同轴探针耦合结构的输入端、输出端分别与输入波导21、输出波导24连接；每一级同轴探针耦合结构在输入波导21的一侧宽边上距离该侧宽边中心对称位置插入两路耦合单元，因此本实施例一共有八路耦合单元。微波功率从输入波导21中输入，传播时按等比例依次馈入四级同轴探针耦合结构31-34的输入端，经放大器放大后再通过耦合结构31-34的输出端依次馈入输出波导24；这些微波功率在输出波导24输出口等幅同向输出，从而实现功率合成。

下面将通过另一个较为复杂的实施例进一步说明本发明的设计思想以及实施方案。本专业技术人员将不难发现，图2实施例的单级及整体结构的设计原则及基本形式都与下面图3所示实施例类似，其加工方案也可按与图3实施例类似的方案进行，可参考下文对图3中实施例的说明来实施。

本发明的一个更复杂的实施例透视图如图3所示。本实施例包括输入波导21，四级同轴探针耦合结构31-34，分别设置在前三级同轴探针耦合结构31-33处的三个匹配膜片41-43，两个减高波导22，E-T分支23以及输出波导24，减高波导22设置在输入波导21的两侧宽边上且分别与同轴探针耦合结构的输出端、E-T分支23的输入端连接，输出波导24与E-T分支23的输出端连接，其中减高波导22的窄边为输入波导21窄边的一半且用于对功率进行一次合成，而E-T分支23则用于将两个减高波导22的功率进行二次合成；每级同轴探针耦合结构上也设有放大器，只是每级同轴探针耦合结构设有四路耦合单元，分别在输入波导21的两侧宽边上对称地插入两路，因此本实施例一共有16路耦合单元。由于耦合结构的对称性所致，每一路信号通过的路径都是一样的，处于并行状态，总体损耗基本相当于一路的损耗；因此虽然图3所示实施例的合成路数是图2所示实施例合成路数的两倍，但是却不会增大整体结构的损耗，因而不会降低合成效率。

当功率从输入波导21输入后，1/4的功率首先馈入第一级同轴探针耦合结构31，每个探针耦合单元获得1/16的功率，第一级同轴探针耦合结构31上设有四路固态放大器51，功率经过放大后进入四路耦合单元，这四路耦合单元再分别将信号馈入两个减高波导22，减高波导22的窄边为输入波导21窄边的一半。输入波导21中剩余3/4的功率将继续传播，依次按等比例馈入剩下三级同轴探针耦合结构32、33、34，经固态放大器放大后进入各级同轴探针耦合结构的四路耦合单元，然后依次馈入两个减高波导22，这些微波功率在位于输入波导21两侧宽边上的两个减高波导22中分别进行合成。由于结构的对称性，两个减高波导22中合成的功率是等幅反相的，于是可通过E-T分支23进行二次合成，最后通过输出波导24输出。不难发现，该实施例中输入输出可以对调，只需要将放大器的放置方向反向即可。在前三级耦合结构处，都设有感性匹配膜片41-43，他们起到匹配作用，即在波导输入端看去时匹配的；而在最末一级耦合结构处直接短路，调节短路面的位置即可达到匹配。匹配膜片同时对功率分配起作用。E-T分支23是一种将输出波导24与两个减高波导22匹配连接的结构，这样能保证功率均等分配，且在输出波导24看入是匹配的。在E-T分支23转角处及减高波导22转角处，设计有适当的切角以实现良好匹配。

本发明整个功率合成结构关于通过输入输出波导传播方向中心线的垂直截面和水平截面都对称。

放大器51为固态放大电路芯片，并且置于一个封闭腔体27中，如图2所示；所述放大器51可由一级驱动放大器和一级功率放大器构成，也可只包含一级功率放大器。放大器51的输入端、输出端都与同轴探针耦合结构相连。

图4是图3所示实施例的顶视图。本发明整个功率合成结构关于图4中虚线所在垂直截面对称，该虚线所在垂直截面即为通过输入输出波导传播方向中心线的垂直截面，该虚线可认为是电壁。正是由于这个电壁特性的存在，经放大器放大后的信号必须耦合馈入到减高波导中，这样才能很好的实现对称性。沿该虚线将整个功率合成结构分开，两个部分又可认为都是中心对称的。这种对称性保证了功率分配电路和功率合成电路是一样的，即将两个相同的功分器背对背相接。输入输出结构的相同有利于简化设计，即在设计时只需设计好功率分配电路即可。

将图4中单节耦合单元局部放大得到图5，图5中显示的是同轴探针型耦合单元。一个性能优良的波导行波功率合成放大器的单节耦合单元的设计相当重要。通过改进单节耦合单元可拓宽整体的功率均等分配带宽。一个单节的同轴探针耦合单元包括耦合探针、放大器，感性匹配膜片(如匹配膜片42或匹配膜片43)设计在同轴探针耦合单元处；而耦合探针包括依次连接的插入波导探针331、高阻抗线332和同轴传输线333，其中同轴传输线333与放大器连接，插入波导探针331与减高波导连接；而在图2所示的实施例中，插入波导探针331直接与输出波导连接。

同轴传输线333的设计以便于加工和能够传输所需频率为前提，其特性阻抗设计为50Ω，该同轴传输线腔体26中不填充介质，为空气同轴线；此外，该传输线一端连接固态器件，可通过合适的工艺直接连接放大器芯片，如使用金线邦定连接等。

高阻抗线332为一小段阻抗较高的同轴线，通过调整其内导体外径和外导体内径来实现其较高阻抗值。高阻抗线的引入有利于将50Ω同轴传输线与特性阻抗较高的波导进行匹配。调节高阻抗线的长度以及其阻抗，可以很大程度上改变探针引入的电抗。通过调节该高阻抗线长度及内外导体半径，使其引入的电导值在所需频带内变化较小(如出现极值点)，同时电纳值也不过大，这样将有利于实现宽带均等功率分配和宽带匹配。最后该高阻抗线长度在λ/4左右(λ为微波在该高阻抗线中的导波波长)，对于频率很高的情况，适宜选择λ/4的奇数倍，如3λ/4。高阻抗同轴线332的腔体25内填充介质，以支撑整个探针。

插入波导探针331为空气同轴探针，其直径和长度都影响其引入电导值，即耦合功率大小；可以通过固定合适的探针直径，而只改变探针长度的方法来实现不同的耦合度。为了加工方面的方便，设计中可固定空气同轴和高阻抗同轴的尺寸，通过改变插入波导探针331的长度来获得不同耦合强度。

匹配膜片的位置和深度很重要。匹配膜片离探针中心的距离选择大约在λ_g/16(λg为中心频率处波导波长)左右比较合适，依据具体情况可进行进一步优化设计。通过调节探针的插入深度能很好的调节输入匹配。可以进一步使用专业电磁仿真软件对单节探针和膜片同时进行优化，以获得优良特性。每级单节耦合结构的膜片离探针中心距离最好相等，这样有利于调节各路信号在合成点处的相位一致性。每个耦合单元设计好以后，可进行整体设计，通过优化相邻两级探针中心之间的距离，使均等功率分配带宽达到最大。为了便于加工，相邻两级探针中心之间的距离最好设计为相等，这样往往也能保证合成时各路信号同相，以获得高合成效率。

图3所示的整体结构可分为三部分进行加工，如图3中的中间层11、顶层和底层12。图6显示了中间层11的结构模型，图7显示了顶层和底层12的结构模型。它们都是在一整块导体上挖出各种腔体而形成，耦合单元镶嵌于各层之间，固态器件直接焊接于中间层11上，然后加盖顶层和底层12即可形成完整的腔体。固态器件直接焊接到较厚的中间层11之上将有利于散热，顶层和底层12的表面可设计为片状散热结构，进行发黑处理，进一步改善散热，还可进一步使用风扇进行强制散热。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.对称耦合波导行波功率合成放大器，包括输入波导、输出波导，和分别与输入波导、输出波导连接的多级耦合结构，以及与多级耦合结构一一对应连接的多个放大器，其特征在于：所述多级耦合结构垂直设置在输入波导和输出波导的行波方向，每级耦合结构设有多路耦合单元；除最末一级耦合结构之外，每级耦合结构处设有匹配元件；从输入波导输入的微波功率按等比例依次馈入多级耦合结构中的各路耦合单元；

所述多级耦合结构在输入波导的两侧宽边上对称设置；所述对称耦合波导行波功率合成放大器还包括两个用于对功率进行一次合成的减高波导和一个用于对功率进行二次合成的E-T分支，其中减高波导设置在输入波导的两侧宽边上且分别与耦合结构的输出端、E-T分支的输入端连接，E-T分支的输出端与输出波导连接。

2.根据权利要求1所述的对称耦合波导行波功率合成放大器，其特征在于：所述多级耦合结构处于输入波导的一侧宽边上距离该侧宽边中心线对称的位置。

3.根据权利要求2所述的对称耦合波导行波功率合成放大器，其特征在于：所述耦合结构共有四级，每级耦合结构均含有两路耦合单元。

4.根据权利要求1所述的对称耦合波导行波功率合成放大器，其特征在于：所述减高波导窄边为输入波导窄边的一半。

5.根据权利要求1所述的对称耦合波导行波功率合成放大器，其特征在于：所述耦合结构共有四级；每级耦合结构均含有四路耦合单元。

6.根据权利要求1所述的对称耦合波导行波功率合成放大器，其特征在于：所述E-T分支的转角处以及减高波导的转角处，均设有切角。

7.根据权利要求2-6中任一项所述的对称耦合波导行波功率合成放大器，其特征在于：所述耦合单元为同轴探针耦合单元；同轴探针耦合单元包括依次连接的插入波导探针、高阻抗线和标准阻抗传输线，其中标准阻抗传输线与放大器连接；插入波导探针的一端与输入波导连接，另一端与减高波导或者输出波导连接。

8.根据权利要求7所述的对称耦合波导行波功率合成放大器，其特征在于：所述插入波导探针为空气同轴探针，标准阻抗传输线为空气同轴线。

9.根据权利要求2-6中任一项所述的对称耦合波导行波功率合成放大器，其特征在于：所述匹配元件为感性匹配膜片。

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