CN102394576B - 一种基片集成裂缝波导功率合成放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基片集成裂缝波导功率合成放大器。本发明包括叠放的基片集成裂缝波导电路板和微带线阵列电路板。基片集成裂缝波导电路板中间为波导介质层，两面覆有金属层，上金属层两个对角处开有渐变微带线窗口，窗口内的上金属层为渐变微带线；贯穿基片集成裂缝波导电路板开有两组金属化通孔组，每组的金属化通孔呈U字形排列，U字形空间内开有波导裂缝和调谐金属化通孔；微带线阵列电路板包括微带介质层和微带金属层，微带金属层对应波导裂缝位置开有微带裂缝，微带介质层的上表面对应每个微带裂缝位置设置有金属条；固态功率放大器芯片的输入输出端分别与金属条连接。本发明具有合成效率高、工作带宽宽、热沉性能好、成本低、易集成的优点。

Description

一种基片集成裂缝波导功率合成放大器

技术领域

本发明属于射频、微波、毫米波固态发射机技术领域，涉及一种基片集成裂缝波导功率合成放大器。

背景技术

随着工作频率的不断升高，单个固态器件的功率输出能力会大大降低，特别是进入微波毫米波频段后，功率输出能力会更低而不能满足某些通信系统的要求。这时采用功率合成技术可以提高系统的功率输出能力。传统的裂缝波导功率合成器，采用金属腔矩形波导经机械加工而成，不仅体积庞大笨重，不易集成和批量生产，而且工作方式为谐振式，所以工作带宽较窄，加上加工精度较低，极易产生工作频带的偏移。

基片集成波导是一种新型的导波结构，它是通过在上下面敷铜的低损耗介质基片加入金属化通孔阵列，来实现传统的金属波导功能的平面传输线结构。因此，基片集成波导传播特性与传统的金属波导类似，所以由其构成的微波毫米波无源器件具有损耗低、功率容量高等优点。另外，基片集成波导属于平面结构，可用普通平面印制板工艺来实现，因此它还具有加工精度高、易集成、成本低，便于批量生产等有优点。

发明内容

本发明的目的是为克服了传统谐振式裂缝波导合成器体积笨重、加工困难和频带较窄等缺点，提供一种基片集成裂缝波导功率合成放大器。

本发明包括叠放的基片集成裂缝波导电路板和微带线阵列电路板，基片集成裂缝波导电路板与微带线阵列电路板通过螺丝固定连接。

基片集成裂缝波导电路板为矩形，中间层为波导介质层，波导介质层的两面覆有金属层，下金属层完全覆盖波导介质层的下表面；上金属层覆盖波导介质层的上表面，上金属层一个对角线上的两个对角处开有形状相同的渐变微带线窗口；所述的渐变微带线窗口整体为矩形，其相邻的两边为波导介质层的边沿，渐变微带线窗口内的上金属层为渐变微带线；所述的渐变微带线的形状以微带线中心轴对称，微带线中心轴与波导介质层的长边平行，渐变微带线的最窄处位于波导介质层的短边边沿；波导介质层的上表面除两个渐变微带线窗口外的其他部分被上金属层覆盖；

基片集成裂缝波导电路板上开有两组金属化通孔组，每组金属化通孔组的金属化通孔呈U字形排列，包括两排横向平行排列的金属化通孔和一排纵向排列的金属化通孔，一组金属化通孔组中的两排横向排列的金属化通孔以微带线中心轴对称，渐变微带线的最宽处位于对应的一组金属化通孔组的U字形开口端；每个金属化通孔贯穿上金属层、波导介质层、下金属层；

上金属层上开有两排波导裂缝组，每组波导裂缝组包括位于与微带线中心轴平行的一条直线上的多个宽度相同的长条形的波导裂缝，相邻的两个波导裂缝的中心点之间的距离为工作波导波长的一半，所述的波导裂缝贯穿上金属层；两排波导裂缝组分别设置在两组金属化通孔组的U字形包围的空间内，每排波导裂缝组中与纵向排列的金属化通孔最近的波导裂缝的中心点到纵向排列的的各金属化通孔的中心连线的距离为工作波导波长的四分之一；

上金属层上在每组金属化通孔组的U字形包围的空间内开有调谐金属化通孔组，每组调谐金属化通孔组中的调谐金属化通孔个数与每组波导裂缝组中的波导裂缝个数相同，每个调谐金属化通孔贯穿上金属层、波导介质层、下金属层；上金属层整体以中心点对称。

微带线阵列电路板包括微带介质层和微带金属层，微带金属层完全覆盖微带介质层的下表面；微带金属层与基片集成裂缝波导电路板的上金属层相接；

微带线阵列电路板的形状为矩形的一个对角线上的两个对角分别切除两个矩形块后所形成的整体呈Z字形的形状，切除的矩形块与渐变微带线矩形窗口等长等宽，微带线阵列电路板的直线边沿与基片集成裂缝波导电路板中的上金属层的直线边沿重合；

微带金属层开有两排微带裂缝组，构成微带裂缝组的各个微带裂缝位于构成波导裂缝组的各个波导裂缝的正投影上方，各个微带裂缝与对应的波导裂缝形状和大小相同；所述的微带裂缝贯穿微带金属层；

微带介质层的上表面设置有一排与构成一组微带裂缝组的微带裂缝数量相同的固态功率放大器芯片；微带介质层的上表面对应每个微带裂缝中心点的位置设置有金属条，金属条跨过微带裂缝设置，且与微带裂缝垂直；每个固态功率放大器芯片的输入端和输出端分别与相对的两个金属条连接；固态功率放大器芯片采用成熟的现有产品，直接购买即可。

本发明相对于现有技术具有如下优点和效果：

1、本发明的结构保持了平面电路的特点，结构简单，易于加工，有利于与电路中其他元器件的集成；

2、工作带宽较宽，可以避免因加工误差造成频带偏移出被合成的放大器芯片的频率范围；

3、合成放大器芯片的个数不受限制。只要体积允许，放大器芯片的个数可以无限增加；

4、各路信号之间的距离可调，可保证足够的空间放置放大器芯片；

5、有较好的平面热沉，便于散热。

附图说明

图1为基片集成裂缝波导电路板的下金属层的平面结构示意图；

图2为基片集成裂缝波导电路板的上金属层的平面结构示意图；

图3为微带线阵列电路板的微带金属层的平面结构示意图；

图4为微带线阵列电路板的上表面的平面结构示意图。

具体实施方式

一种基片集成裂缝波导功率合成放大器，包括叠放的基片集成裂缝波导电路板和微带线阵列电路板，基片集成裂缝波导电路板与微带线阵列电路板通过螺丝固定连接。

如图1和2所示，基片集成裂缝波导电路板为矩形，中间层为波导介质层5，波导介质层5的两面覆有金属层，下金属层1完全覆盖波导介质层5的下表面，上金属层4覆盖波导介质层5的上表面。上金属层4一个对角线上的两个对角处开有形状相同的渐变微带线窗口6。渐变微带线窗口6整体为矩形，其相邻的两边为波导介质层5的边沿，渐变微带线窗口6内的上金属层为渐变微带线7，渐变微带线7的形状以微带线中心轴对称，微带线中心轴与波导介质层5的长边平行，渐变微带线7的最窄处位于波导介质层5的短边边沿。波导介质层5的上表面除两个渐变微带线窗口外的其他部分被上金属层4覆盖。

基片集成裂缝波导电路板上开有两组金属化通孔组，每组金属化通孔组的金属化通孔2呈U字形排列，包括两排横向平行排列的金属化通孔和一排纵向排列的金属化通孔，一组金属化通孔组中的两排横向排列的金属化通孔以微带线中心轴对称，渐变微带线7的最宽处位于对应的一组金属化通孔组的U字形开口端；每个金属化通孔2贯穿上金属层4、波导介质层5、下金属层1。

上金属层上开有两排波导裂缝组，每组波导裂缝组包括位于与微带线中心轴平行的一条直线上的多个宽度相同的长条形的波导裂缝8，波导裂缝8贯穿上金属层，相邻的两个波导裂缝8的中心点之间的距离为工作波导波长λg的一半。两排波导裂缝组分别设置在两组金属化通孔组的U字形包围的空间内，每排波导裂缝组中与纵向排列的金属化通孔最近的波导裂缝的中心点到纵向排列的各金属化通孔2的中心连线的距离为工作波导波长λg的四分之一。

上金属层4上在每组金属化通孔组的U字形包围的空间内开有调谐金属化通孔组，每组调谐金属化通孔组中的调谐金属化通孔3个数与每组波导裂缝组中的波导裂缝8的个数相同，每个调谐金属化通孔3贯穿上金属层4、波导介质层5、下金属层1。

上金属层4的平面整体以中心点对称。

如图3和4所示，微带线阵列电路板包括微带介质层11和微带金属层9，微带金属层9完全覆盖微带介质层11的下表面。微带金属层9与基片集成裂缝波导电路板的上金属层4相接。

微带线阵列电路板的形状为矩形的一个对角线上的两个对角分别切除两个矩形块后所形成的整体呈Z字形的形状，切除的矩形块与渐变微带线窗口6等长等宽，微带线阵列电路板的直线边沿与基片集成裂缝波导电路板中的上金属层4的直线边沿重合。

微带金属层9开有两排微带裂缝组，构成微带裂缝组的各个微带裂缝10位于构成波导裂缝组的各个波导裂缝8的正投影上方，各个微带裂缝10与对应的波导裂缝8形状和大小相同，微带裂缝10贯穿微带金属层9。

微带介质层11的上表面设置有一排与构成一组微带裂缝组的微带裂缝数量相同的固态功率放大器芯片13；微带介质层11的上表面对应每个微带裂缝10中心点的位置设置有金属条12，金属条12跨过微带裂缝10设置，且与微带裂缝10垂直；每个固态功率放大器芯片13的输入端和输出端分别与相对的两个金属条12连接。

其工作原理为，输入信号从其中一条渐变微带线宽度较窄的一端进入，经渐变微带线平滑过渡到位于同一轴线上的基片集成裂缝波导（一个基片集成裂缝波导由一组U字形的金属化通孔组、波导介质层、上波导金属层、下波导金属层和一组波导裂缝构成）中，然后从该基片集成裂缝波导上对应的波导裂缝和微带裂缝中输出，并被耦合到微带线阵列电路板的各支路微带线（支路微带线由微带介质层、金属条和微带介质层下表面的金属层共同构成）上，然后通过各支路微带线传输到各支路功率放大器芯片上进行放大，放大后的信号从功率放大器芯片输出端输出到输出端的微带线上，输出端的微带线再通过另一组微带裂缝和波导裂缝把放大后的信号又耦合到另一个基片集成裂缝波导中，耦合进来信号能量在基片集成裂缝波导的输出端被合成，而后经输出端的渐变微带线平滑输出。

Claims (1)

1.一种基片集成裂缝波导功率合成放大器，包括叠放的基片集成裂缝波导电路板和微带线阵列电路板，基片集成裂缝波导电路板与微带线阵列电路板通过螺丝固定连接，其特征在于：

所述的基片集成裂缝波导电路板为矩形，中间层为波导介质层，波导介质层的两面覆有金属层，下金属层完全覆盖波导介质层的下表面；上金属层覆盖波导介质层的上表面，上金属层一个对角线上的两个对角处开有形状相同的渐变微带线窗口；所述的渐变微带线窗口整体为矩形，其相邻的两边为波导介质层的边沿，渐变微带线窗口内的上金属层为渐变微带线；所述的渐变微带线的形状以微带线中心轴对称，微带线中心轴与波导介质层的长边平行，渐变微带线的最窄处位于波导介质层的短边边沿；波导介质层的上表面除两个渐变微带线窗口外的其他部分被上金属层覆盖； 

基片集成裂缝波导电路板上开有两组金属化通孔组，每组金属化通孔组的金属化通孔呈U字形排列，包括两排横向平行排列的金属化通孔和一排纵向排列的金属化通孔，一组金属化通孔组中的两排横向排列的金属化通孔以微带线中心轴对称，渐变微带线的最宽处位于对应的一组金属化通孔组的U字形开口端；每个金属化通孔贯穿上金属层、波导介质层、下金属层；

上金属层上开有两排波导裂缝组，每组波导裂缝组包括位于与微带线中心轴平行的一条直线上的多个宽度相同的长条形的波导裂缝，相邻的两个波导裂缝的中心点之间的距离为工作波导波长的一半，所述的波导裂缝贯穿上金属层；两排波导裂缝组分别设置在两组金属化通孔组的U字形包围的空间内，每排波导裂缝组中与纵向排列的金属化通孔最近的波导裂缝的中心点到纵向排列的各金属化通孔的中心连线的距离为工作波导波长的四分之一；

上金属层上在每组金属化通孔组的U字形包围的空间内开有调谐金属化通孔组，每组调谐金属化通孔组中的调谐金属化通孔个数与每组波导裂缝组中的波导裂缝个数相同，每个调谐金属化通孔贯穿上金属层、波导介质层、下金属层；

所述的上金属层整体以中心点对称；

所述的微带线阵列电路板包括微带介质层和微带金属层，微带金属层完全覆盖微带介质层的下表面；微带金属层与基片集成裂缝波导电路板的上金属层相接；

微带线阵列电路板的形状为矩形的一个对角线上的两个对角分别切除两个矩形块后所形成的整体呈Z字形的形状，切除的矩形块与渐变微带线矩形窗口等长等宽，微带线阵列电路板的直线边沿与基片集成裂缝波导电路板中的上金属层的直线边沿重合；

微带金属层开有两排微带裂缝组，构成微带裂缝组的各个微带裂缝位于构成波导裂缝组的各个波导裂缝的正投影上方，各个微带裂缝与对应的波导裂缝形状和大小相同；所述的微带裂缝贯穿微带金属层；

微带介质层的上表面设置有一排与构成一组微带裂缝组的微带裂缝数量相同的固态功率放大器芯片；微带介质层的上表面对应每个微带裂缝中心点的位置设置有金属条，金属条跨过微带裂缝设置，且与微带裂缝垂直；每个固态功率放大器芯片的输入端和输出端分别与相对的两个金属条连接。

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