CN102412434A - 一种多路径向波导功率合成放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多路径向波导功率合成放大器。本发明的径向波导功分器和径向波导功率合成器固定在放大器芯片阵列的两端，径向波导功分器和径向波导功率合成器结构相同，通过上金属壁、下金属壁和侧面金属壁围合成径向波导腔；上金属壁外侧中心设置有SMA接头、内侧中心设置有主同轴探针；下金属壁上设置有多个支路同轴探针；主同轴探针和支路同轴探针为半径呈阶梯变化的圆柱形金属杆；放大器芯片阵列的正多边形金属柱的每个侧面上固定有固态功率放大器芯片；径向波导功分器和径向波导功率合成器的支路同轴探针分别与固态功率放大器芯片两端的微带线连接。本发明具有幅相位一致性好、合成效率高，功率容量大、工作带宽宽、热沉性能好等优点。

Description

一种多路径向波导功率合成放大器

技术领域

本发明属于微波毫米波通讯和雷达技术领域，涉及一种多路径向波导功率合成放大器，适用于微波毫米波的功率合成放大。

背景技术

随着现代无线电通信（如GPS, WLAN, SAR, LMDS, Bluetooth, and PCS）需求的不断增加，射频频谱已经拥挤不堪。因此，必须开发更高的频谱资源。然而，随着工作频率的不断升高，特别是进入微波毫米波频段后，单个固态器件的功率输出能力却大大降低，远不能满足通信系统的要求。因此，如果在微波毫米波领域，仍想采用有固态通信技术，就必须采用功率合成技术来提高系统的功率输出能力。传统的平面电路功率合成技术，由于合成功率有限、合成效率低、工作带宽窄、散热差，等一些固有的缺陷己不再适用。要突破固态通信技术目前所遇到的这个技术瓶颈，开发优良的功率合成器是关键。功率合成器最重要的指标就是合成效率。影响合成效率最重要的因素就是插损和各路信号的幅相不一致性。一般情况下，各支路MMIC放大器芯片会采用同一厂家同一型号的单片放大器，它们的振幅和相位差异很小可忽略不计。当不考虑各支路有源器件本身振幅和相位差异时，那么产生振幅和相位差异的就只是无源合成网络了。所以，无源合成网络（功分器和合成器）的设计成为整个合成放大器设计的核心技术。如果能够保证合成网络各支路传输线类型、结构和长度相同，那么就可以保证各支路振幅和相位的一致。显然，对称结构的合成网络是保证振幅和相位一致性的理想结构。由径向波导功分器和合成器构成的空间功率合成网络就是一种高度对称的结构。另外，因径向波导合成网络属波导传输线类型，所以除具有振幅相位一致性优点外，还具有插入损耗小，功率容量大和工作带宽宽等优点。因此它具有其它传统功分/合成电路（如微带 Wilkson功分器、分支线耦合器等）无法比拟的优点。

发明内容

本发明的目的是为了突破固态通讯技术和雷达技术，在微波毫米波等高频率领域，所遇到的单个固态功率器件无法满足系统要求的技术瓶颈，提供一种多路径向波导功率合成放大器。

本发明包括径向波导功分器、径向波导功率合成器和放大器芯片阵列。

所述的径向波导功分器和径向波导功率合成器的结构完全相同，具体是：包括侧面金属壁、上金属壁、下金属壁；侧面金属壁为圆柱形的金属筒，上金属壁和下金属壁为直径与侧面金属壁外径相等的圆形金属片，上金属壁和下金属壁分别固定在侧面金属壁的两端，上金属壁的内表面、下金属壁的内表面和侧面金属壁的内侧面围合成圆柱形的径向波导腔；上金属壁外表面的中心固定设置有SMA接头，上金属壁内表面的中心设置有主同轴探针，主同轴探针穿过上金属壁与SMA接头的内导体固定连接，所述的主同轴探针为半径呈阶梯变化的圆柱形金属杆，其中位于径向波导腔内的端部为金属杆最大直径的部分；下金属壁上开有多个直径相同的通孔，每个通孔内嵌入直径相同的圆柱形的介质块，每个介质块与下金属壁圆心的距离相同，多个介质块的中心点围合成正多边形；与介质块数量相同的多个支路同轴探针穿过对应的介质块中心设置，所述的多个支路同轴探针规格和形状相同，均为半径呈阶梯变化的圆柱形金属杆，其中位于径向波导腔内的端部为金属杆最大直径的部分；所述的主同轴探针和支路同轴探针均与径向波导腔的轴线平行，且主同轴探针位于径向波导腔的轴线上。主同轴探针和支路同轴探针采用半径呈阶梯变化的圆柱形，可以起到阻抗变换的作用，可有效地展宽工作带宽，降低反射损耗。

所述的放大器芯片阵列包括一个正多边形的金属柱，金属柱的侧面数量与支路同轴探针的数量相同，金属柱的每个侧面的中央位置固定设置有一个固态功率放大器芯片；固态功率放大器芯片采用成熟的现有产品，直接购买即可。

径向波导功分器和径向波导功率合成器分别固定在放大器芯片阵列的两端，径向波导功分器的每个支路同轴探针的最小直径端与放大器芯片阵列上相应侧边上的固态功率放大器芯片输入端的微带线相连接，径向波导功率合成器上的每个支路同轴探针的最小直径端与放大器芯片阵列相应侧边上的固态功率放大器芯片的输出端的微带线相连接。

本发明相对于现有技术具有如下优点和效果：

1、本发明的结构属于同轴和径向波导结构，因此工作带宽较宽，功率容量大；

2、本发明具有较高的轴对称性，因此各支路幅相一致性很高，所以合成效率也很高；

3、被合成的放大器芯片个数，只要体积允许是不受限制的，既可为奇数也可为偶数，而且个数的增加对合成效率几乎没有影响；

4、各路信号之间的距离可以调节能够保证有足够空间放置放大器芯片；

5、有较好的热沉，便于散热；

6、本发明整体结构为圆柱体，因此在某些必须使用圆柱形放大器设备时非常适宜。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中径向波导功分器和径向波导功率合成器的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种多路径向波导功率合成放大器包括径向波导功分器1、径向波导功率合成器2和放大器芯片阵列3。

如图2所示，径向波导功分器和径向波导功率合成器的结构完全相同，具体是：包括侧面金属壁5、上金属壁4、下金属壁6；侧面金属壁5为圆柱形的金属筒，上金属壁4和下金属壁6为直径与侧面金属壁5外径相等的圆形金属片，上金属壁4和下金属壁6分别固定在侧面金属壁5的两端，上金属壁4的内表面、下金属壁6的内表面和侧面金属壁5的内侧面围合成圆柱形的径向波导腔。上金属壁4外表面的中心固定设置有SMA接头7，上金属壁4内表面的中心设置有主同轴探针8，主同轴探针8穿过上金属壁4与SMA接头7的内导体固定连接。主同轴探针8为半径呈阶梯变化的圆柱形金属杆，其中位于径向波导腔内的端部为金属杆最大直径的部分。下金属壁6上开有多个直径相同的通孔，每个通孔内嵌入相同直径的圆柱形的介质块9，每个介质块9与下金属壁6圆心的距离相同，多个介质块9的中心点围合成正多边形。与介质块9数量相同的多个支路同轴探针10穿过对应的介质块9中心设置。多个支路同轴探针10的规格和形状相同，均为半径呈阶梯变化的圆柱形金属杆，其中位于径向波导腔内的端部为金属杆最大直径的部分。主同轴探针8和支路同轴探针10均与径向波导腔的轴线平行，且主同轴探针8位于径向波导腔的轴线上。

如图1所示，放大器芯片阵列3包括一个正多边形的金属柱3-1，金属柱3-1的侧面数量与支路同轴探针10的数量相同，金属柱3-1的每个侧面的中央位置固定设置有一个固态功率放大器芯片3-2。

径向波导功分器1和径向波导功率合成器2分别固定在放大器芯片阵列3的两端，径向波导功分器1的每个支路同轴探针与放大器芯片阵列相应侧边上的固态功率放大器芯片3-2的输入端的微带线3-3相连接，径向波导功率合成器2的每个支路同轴探针与放大器芯片阵列相应侧边上的固态功率放大器芯片3-2输出端的微带线3-4相连接。

其工作原理为：输入信号首先由径向波导功分器的SMA接头进入，经中央的主同轴探针进入径向波导腔内，而后沿着半径方向向四周传播，遇到同一圆周上各支路同轴探针时，能量被等量功分后输出到各支路功率放大器芯片上被放大，放大后的信号能量，由径向波导合成器上的各支路同轴探针耦合到径向波导合成器的径向波导腔内，然后沿着半径方向向轴心传播，最后汇聚在轴心的信号能量，由径向波导合成器中央的主同轴探针合成输出。

Claims (1)

1.一种多路径向波导功率合成放大器，包括径向波导功分器、径向波导功率合成器和放大器芯片阵列，其特征在于：

所述的径向波导功分器和径向波导功率合成器的结构完全相同，具体是：包括侧面金属壁、上金属壁、下金属壁；侧面金属壁为圆柱形的金属筒，上金属壁和下金属壁为直径与侧面金属壁外径相等的圆形金属片，上金属壁和下金属壁分别固定在侧面金属壁的两端，上金属壁的内表面、下金属壁的内表面和侧面金属壁的内侧面围合成圆柱形的径向波导腔；上金属壁外表面的中心固定设置有SMA接头，上金属壁内表面的中心设置有主同轴探针，主同轴探针穿过上金属壁与SMA接头的内导体固定连接，所述的主同轴探针为半径呈阶梯变化的圆柱形金属杆，其中位于径向波导腔内的端部为金属杆最大直径的部分；下金属壁上开有多个直径相同的通孔，每个通孔内嵌入直径相同的圆柱形的介质块，每个介质块与下金属壁圆心的距离相同，多个介质块的中心点围合成正多边形；与介质块数量相同的多个支路同轴探针穿过对应的介质块中心设置，所述的多个支路同轴探针规格和形状相同，均为半径呈阶梯变化的圆柱形金属杆，其中位于径向波导腔内的端部为金属杆最大直径的部分；所述的主同轴探针和支路同轴探针均与径向波导腔的轴线平行，且主同轴探针位于径向波导腔的轴线上；

所述的放大器芯片阵列包括一个正多边形的金属柱，金属柱的侧面数量与支路同轴探针的数量相同，金属柱的每个侧面的中央位置固定设置有一个固态功率放大器芯片；

径向波导功分器和径向波导功率合成器分别固定在放大器芯片阵列的两端，径向波导功分器的每个支路同轴探针的最小直径端与放大器芯片阵列上相应侧边上的固态功率放大器芯片输入端的微带线相连接，径向波导功率合成器上的每个支路同轴探针的最小直径端与放大器芯片阵列相应侧边上的固态功率放大器芯片的输出端的微带线相连接。