CN102760930A - 毫米波功率合成放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微波技术领域，提供一种毫米波功率合成放大器。该毫米波功率合成放大器的三路功率分配器将毫米波等幅分配成三路，输入波导传输线将三路毫米波分别等幅同相的传输至功率放大器进行放大，输出波导传输线将放大后的毫米波等幅的传输至三路功率合成器进行等幅同相合成。当微带探针采用双探针结构时，可构成六路功率合成放大器。因此，本发明实施例提供的毫米波功率合成放大器，解决了二进制功率合成技术存在合成路数的空缺，给某些应用场合带来不便的问题。

Description

毫米波功率合成放大器

技术领域

本发明涉及微波技术领域，尤其涉及毫米波功率合成放大器。

背景技术

随着通信技术的飞速发展，语音、视频等数据通信容量日益扩展，导致无线频率资源紧缺。为了解决这一问题，毫米波通信以其带宽宽、通信容量大等优点成为一个优良的解决方案。同样，高功率毫米波雷达在民用、军用和深空探测等领域也存在巨大的需求。

高功率放大器是无线通信发射机的核心，电真空毫米波功率放大器以其功率高、带宽宽和增益高等优点，特别适合毫米波发射机，但缺点是需要高压电源，而且体积大，价格昂贵。半导体固态毫米波放大器以其体积小、重量轻、可靠性高，电源电压低等优点广泛用于毫米波系统中。但是其输出功率低，常常不能满足发射机的要求。

为了满足发射机输出功率要求，功率合成技术应运而生。常规功率分配/合成电路有0°的电路，如：威尔金森功分器；90°电路，如：分支线电桥；180°电路，如：巴伦变换器，等等。这些电路以两路合成方式构成二进制功率合成放大器，以2的n（n=1、2、3…）次幂的合成路数（2路、4路、8路、16路…）合成功率，可以满足许多功率合成的用途，甚至构成几十路上百路合成电路。但是，在一些场合，例如需要用输出功率为5W的MMIC（Monolithic MicrowaveIntegrated Circuit，单片微波集成电路）芯片构成输出功率10W的功率放大器，使用二进制功率合成放大器进行功率放大，采用两路合成时由于合成效率的限制导致输出功率不足，而采用四路合成时则输出功率过大，降低了功率放大器的效率。因此，二进制功率合成技术存在合成路数的空缺，给某些应用场合带来不便。

发明内容

本发明的目的在于提供一种毫米波功率合成放大器，旨在解决二进制功率合成技术存在合成路数的空缺，给某些应用场合带来不便的问题。

本发明通过以下技术方案实现：

一种毫米波功率合成放大器，包括：

等幅分配、合成毫米波的三路功率分配器、三路功率合成器；

与所述三路功率分配器连接，传输所述三路功率分配器分配出的毫米波的输入波导传输线；

与所述三路功率合成器连接，传输毫米波至所述三路功率合成器进行等幅同相合成的输出波导传输线；

连接于所述输入波导传输线、所述输出波导传输线之间，放大所述输入波导传输线传输的等幅同相的毫米波，并将放大后的毫米波等幅同相传输至所述输出波导传输线的功率放大器。

所述三路功率分配器采用E面分支，包括：

输入毫米波的波导输入口；

与所述波导输入口直接连接的第一分配支路；

分布在所述第一分配支路的两边的第二分配支路和第三分配支路；

分别连通于所述第一分配支路和所述第二分配支路、所述第一分配支路和所述第三分配支路，将从所述波导输入口输入的毫米波在所述第一分配支路、所述第二分配支路、所述第三分配支路分成三路等幅的分配器分支线；

所述第一分配支路的输出口、第二分配支路的输出口、第三分配支路的输出口接所述输入波导传输线的输入口。

所述三路功率合成器采用E面分支，包括：

输出毫米波的波导输出口；

与所述波导输出口直接连接的第一合成支路；

分布在所述第一合成支路的两边的第二合成支路和第三合成支路；

分别连通于所述第一合成支路和所述第二合成支路、所述第一合成支路和所述第三合成支路，将所述第一合成支路、所述第二合成支路、所述第三合成支路三路的毫米波合成一路的合成器分支线；

所述第一合成支路的输入口、第二合成支路的输入口、第三合成支路的输入口接所述输出波导传输线的输入口。

所述输入波导传输线包括：

第一输入波导传输线、第二输入波导传输线、第三输入波导传输线；

所述第一输入波导传输线为90°弯波导，包括第一90°弯折、第二90°弯折，所述第一输入波导传输线的输入口接所述第一分配支路的输出口；

所述第二输入波导传输线为90°弯波导，包括第一90°弯折、第二90°弯折、第三90°弯折，所述第二输入波导传输线的输入口接所述第二分配支路的输出口；

所述第三输入波导传输线为90°弯波导，包括第一90°弯折，所述第三输入波导传输线的输入口接所述第三分配支路的输出口。

所述输出波导传输线包括：

第一输出波导传输线、第二输出波导传输线、第三输出波导传输线；

所述第一输出波导传输线为90°弯波导，包括第一90°弯折、第二90°弯折，所述第一输出波导传输线的输出口接所述第一合成支路的输入口；

所述第二输出波导传输线为90°弯波导，包括第一90°弯折、第二90°弯折、第三90°弯折，所述第二输出波导传输线的输出口接所述第二合成支路的输入口；

所述第三输出波导传输线为90°弯波导，包括第一90°弯折，所述第三输出波导传输线的输出口接所述第三合成支路的输入口。

所述功率放大器包括：

微带电路，设置在微带电路内的MMIC，分别插入所述输入波导传输线和所述输出波导传输线的输入微带探针和输出微带探针，连接于所述MMIC的输入端和所述输入微带探针的输入微带传输线，连接于所述MMIC的输出端和所述输出微带探针的输出微带传输线。

所述功率放大器包括：

相同规格的第一功率放大器、第二功率放大器、第三功率放大器；

所述第一功率放大器、所述第二功率放大器、所述第三功率放大器分别通过输入微带探针和输出微带探针连接于所述第一输入波导传输线和第一输出波导传输线、第二输入波导传输线（32）和第三输出波导传输线（42）、第三输入波导传输线（33）和第二输出波导传输线（43）之间。

所述分配器分支线和所述合成器分支线的数量包括3分支、4分支、5分支；

所述分配器分支线和所述合成器分支线的长度均为四分之一波导波长，所述分配器分支线之间的距离和所述合成器分支线之间的距离均为四分之一波导波长。

所述三路功率分配器、所述三路功率合成器还包括分别与所述第二分配支路、所述第三分配支路，所述第二合成支路、所述第三合成支路连接的分配器隔离端、合成器隔离端，所述分配器隔离端、所述合成器隔离端设置有吸收冗余能量的楔形结构的分配器负载、合成器负载。

所述输入微带探针和输出微带探针采用双探针结构，所述输入微带探针和输出微带探针从所述输入波导传输线和所述输出波导传输线的E面插入，每一层微带探针接一功率放大器。

本发明提供的毫米波功率合成放大器，三路功率分配器将毫米波等幅分配成三路，输入波导传输线将三路毫米波分别等幅同相的传输至功率放大器进行放大，输出波导传输线将放大后的毫米波等幅传输至三路功率合成器进行等幅同相合成。因此，解决二进制功率合成技术存在合成路数的空缺，给某些应用场合带来不便的问题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的三路功率分配器、三路功率合成器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的毫米波功率合成放大器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的毫米波功率放大器未安装MMIC（无源）的仿真特性图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明提供的毫米波功率合成放大器，三路功率分配器1将毫米波等幅分配成三路，输入波导传输线3将三路毫米波分别同相位的传输至功率放大器5进行放大，输出波导传输线4将放大后的毫米波同相位的传输至三路功率合成器2进行等幅同相合成。

同时参照图1、图2，本发明实施例提供的三路功率分配器、三路功率合成器的结构示意图、本发明实施例提供的毫米波功率合成放大器的结构示意图。

由于本发明实施例所提供的三路功率分配器1和三路功率合成器2的结构完全相同，因此采用同一副附图图1用以说明三路功率分配器1和三路功率合成器2的结构。

一种毫米波功率合成放大器，包括：等幅分配、合成毫米波的三路功率分配器1、三路功率合成器2；与所述三路功率分配器1连接，传输所述三路功率分配器1分配出的毫米波的输入波导传输线3；与所述三路功率合成器2连接，传输毫米波至所述三路功率合成器2进行等幅同相合成的输出波导传输线4；连接于所述输入波导传输线3、所述输出波导传输线4之间，放大所述输入波导传输线3传输的等幅同相的毫米波，并将放大后的毫米波等幅同相传输至所述输出波导传输线4的功率放大器5。

所述三路功率分配器1采用E面分支，包括：输入毫米波的波导输入口10；与所述波导输入口10直接连接的第一分配支路11；分布在所述第一分配支路11的两边的第二分配支路12和第三分配支路13；分别连通于所述第一分配支路11和所述第二分配支路12、所述第一分配支路11和所述第三分配支路13，将从所述波导输入口10输入的毫米波在所述第一分配支路11、所述第二分配支路12、所述第三分配支路13分成三路等幅的分配器分支线14；所述第一分配支路11的输出口110、第二分配支路12的输出口120、第三分配支路13的输出口130接所述输入波导传输线3的输入口。

所述三路功率合成器2采用E面分支，包括：输出毫米波的波导输出口20；与所述波导输出口20直接连接的第一合成支路21；分布在所述第一合成支路21的两边的第二合成支路22和第三合成支路23；分别连通于所述第一合成支路21和所述第二合成支路22、所述第一合成支路21和所述第三合成支路23，将所述第一合成支路21、所述第二合成支路22、所述第三合成支路23三路的毫米波合成一路的合成器分支线24；所述第一合成支路21的输入口210、第二合成支路22的输入口220、第三合成支路23的输入口230接所述输出波导传输线4的输入口。

所述输入波导传输线3包括：第一输入波导传输线31、第二输入波导传输线32、第三输入波导传输线33；所述第一输入波导传输线31为90°弯波导，包括第一90°弯折311、第二90°弯折312，所述第一输入波导传输线31的输入口接所述第一分配支路11的输出口110；所述第二输入波导传输线32为90°弯波导，包括第一90°弯折321、第二90°弯折322、第三90°弯折323，所述第二输入波导传输线32的输入口接所述第二分配支路12的输出口120；所述第三输入波导传输线33为90°弯波导，包括第一90°弯折331，所述第三输入波导传输线33的输入口接所述第三分配支路13的输出口130。

所述输出波导传输线4包括：第一输出波导传输线41、第二输出波导传输线42、第三输出波导传输线43；所述第一输出波导传输线41为90°弯波导，包括第一90°弯折411、第二90°弯折412，所述第一输出波导传输线41的输出口接所述第一合成支路21的输入口210；所述第二输出波导传输线42为90°弯波导，包括第一90°弯折421、第二90°弯折422、第三90°弯折423，所述第二输出波导传输线42的输出口接所述第二合成支路22的输入口220；所述第三输出波导传输线43为90°弯波导，包括第一90°弯折431，所述第三输出波导传输线43的输出口接所述第三合成支路23的输入口230。

所述功率放大器5包括：微带电路51，设置在微带电路51内的MMIC52，分别插入所述输入波导传输线3和所述输出波导传输线4的输入微带探针53和输出微带探针54，连接于所述MMIC52的输入端和所述输入微带探针53的输入微带传输线55，连接于所述MMIC52的输出端和所述输出微带探针54的输出微带传输线56。

所述功率放大器5包括：相同规格的第一功率放大器、第二功率放大器、第三功率放大器；所述第一功率放大器、所述第二功率放大器、所述第三功率放大器分别通过输入微带探针53和输出微带探针54连接于所述第一输入波导传输线31和第一输出波导传输线41、第二输入波导传输线32和第三输出波导传输线42、第三输入波导传输线33和第二输出波导传输线43之间。

所述分配器分支线14和所述合成器分支线24的数量包括3分支、4分支、5分支；所述分配器分支线14和所述合成器分支线24的长度均为四分之一波导波长，所述分配器分支线14之间的距离和所述合成器分支线24之间的距离均为四分之一波导波长。

所述三路功率分配器1、所述三路功率合成器2还包括分别与所述第二分配支路12、所述第三分配支路13，所述第二合成支路22、所述第三合成支路23连接的分配器隔离端15、合成器隔离端25，所述分配器隔离端15、所述合成器隔离端25设置有吸收冗余能量的楔形结构的分配器负载151、合成器负载51。

本发明提供的毫米波功率合成放大器的工作原理为：

毫米波从三路功率分配器1的波导输入口10输入，三路功率分配器1通过分配器分支线14将输入的毫米波在第一分配支路11、第二分配支路12、第三分配支路13分成三路等幅的毫米波，第一分配支路11、第二分配支路12、第三分配支路13的毫米波分别通过第一输入波导传输线31、第二输入波导传输线32、第三输入波导传输线33等幅传输至第一功率放大器5、第二功率放大器5、第三功率放大器5进行放大，经过放大后的三路毫米波再通过第一输出波导传输线41、第三输出波导传输线43、第二输出波导传输线42等幅传输至三路功率合成器2，三路功率合成器2通过合成器分支线24将第一合成支路21、第三合成支路23、第二合成支路22三路的毫米波进行等幅同相合成，合成后的毫米波从波导输出口20输出。

本发明实施例中，第二分配支路12的输出口120和第三分配支路13的输出口130输出的毫米波的相位相同，而第一分配支路11的输出口110输出的毫米波的相位超前于第二分配支路12的输出口120和第三分配支路13的输出口130输出的毫米波90°。经过第一输入波导传输线31、第二输入波导传输线32、第三输入波导传输线33的传输，到达功率放大器5的毫米波为等幅同相的毫米波。经过三个功率放大器5放大后的输出的毫米波仍为等幅同相的毫米波。经过第一输出波导传输线41、第二输出波导传输线42、第三输出波导传输线43的传输，到达第二合成支路22的输入口220、第三合成支路23的输入口的毫米波的相位相同，而第一合成支路21的输入口210的毫米波的相位滞后于第二合成支路22的输入口220、第三合成支路23的输入口的毫米波90°。因此，三路功率合成器2在其波导输出口20得到等幅同相的合成功率。

在毫米波功率合成放大器对毫米波进行分配、传输、放大、合成的过程中，分配器负载151和合成器负载251吸收工作过程中产生的冗余能量。

作为本发明实施例的进一步扩展，所述输入微带探针53和输出微带探针54采用双探针结构，所述输入微带探针53和输出微带探针54从所述输入波导传输线3和所述输出波导传输线4的E面插入，每一层微带探针接一功率放大器5。

本发明实施例提供的毫米波功率合成放大器的加工、制作方法可参考如下：

在上下腔体上分别加工出上层和下层的三路功率分配器1、三路功率合成器2、输入波导传输线3、输出波导传输线4、功率放大器5的安装槽，将功率放大器5安置于安装槽后，将上下腔体对应合并即可完成该毫米功率合成放大器的安装。

以下结合具体仿真数据对本发明实施例提供的毫米波功率合成放大器作进一步说明：

波导输入口10和波导输出口20均采用标准的8mm波导BJ-320，三路功率分配器1和三路功率合成器2的分配器分支线14和合成器分支线24均采用4分支，输入波导传输线3和输出波导传输线4均采用标准的8mm波导BJ-320，微带电路51的基片采用Duroid5880，厚10mil，微带电路51的总长度为24mm，MMIC 52采用相同型号（为得到最好的合成效果），工作频率为8mm，工作带宽为1.6GHz。

参照图3，本发明实施例提供的毫米波功率放大器未安装MMIC（无源）的仿真特性。如图可知，在29.4～31.0GHz频带内，全电路的插入损耗低于0.7dB，插入损耗特性平坦，两隔离端的隔离度优于28dB。

根据仿真和加工公差的控制，合成效率可以控制在80～90%之间，也就是说，采用7W功率放大器MMIC芯片，三路功率合成放大器可以输出16.8～18.9W的功率。

综上所述，本发明提供的毫米波功率合成放大器，三路功率分配器1将毫米波等幅分配成三路，输入波导传输线3将三路毫米波分别等幅同相的传输至功率放大器5进行放大，输出波导传输线4将放大后的毫米波等幅的传输至三路功率合成器2进行等幅同相合成。当输入微带探针53和输出微带探针54采用双探针结构时，可构成六路功率合成放大器。因此，本发明实施例提供的毫米波功率合成放大器，弥补了二进制功率合成技术存在合成路数的某些空缺，满足了一些具体应用的需求。

以上所述仅为本发明优选实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种毫米波功率合成放大器，其特征在于，包括：

等幅分配、合成毫米波的三路功率分配器（1）、三路功率合成器（2）；

与所述三路功率分配器（1）连接，传输所述三路功率分配器（1）分配出的毫米波的输入波导传输线（3）；

与所述三路功率合成器（2）连接，传输毫米波至所述三路功率合成器（2）进行等幅同相合成的输出波导传输线（4）；

连接于所述输入波导传输线（3）、所述输出波导传输线（4）之间，放大所述输入波导传输线（3）传输的等幅同相的毫米波，并将放大后的毫米波等幅同相传输至所述输出波导传输线（4）的功率放大器（5）。

2.如权利要求1所述的毫米波功率合成放大器，其特征在于，所述三路功率分配器（1）采用E面分支，包括：

输入毫米波的波导输入口（10）；

与所述波导输入口（10）直接连接的第一分配支路（11）；

分布在所述第一分配支路（11）的两边的第二分配支路（12）和第三分配支路（13）；

分别连通于所述第一分配支路（11）和所述第二分配支路（12）、所述第一分配支路（11）和所述第三分配支路（13），将从所述波导输入口（10）输入的毫米波在所述第一分配支路（11）、所述第二分配支路（12）、所述第三分配支路（13）分成三路等幅的分配器分支线（14）；

所述第一分配支路（11）的输出口（110）、第二分配支路（12）的输出口（120）、第三分配支路（13）的输出口（130）接所述输入波导传输线（3）的输入口。

3.如权利要求1所述的毫米波功率合成放大器，其特征在于，所述三路功率合成器（2）采用E面分支，包括：

输出毫米波的波导输出口（20）；

与所述波导输出口（20）直接连接的第一合成支路（21）；

分布在所述第一合成支路（21）的两边的第二合成支路（22）和第三合成支路（23）；

分别连通于所述第一合成支路（21）和所述第二合成支路（22）、所述第一合成支路（21）和所述第三合成支路（23），将所述第一合成支路（21）、所述第二合成支路（22）、所述第三合成支路（23）三路的毫米波合成一路的合成器分支线（24）；

所述第一合成支路（21）的输入口（210）、第二合成支路（22）的输入口（220）、第三合成支路（23）的输入口（230）接所述输出波导传输线（4）的输入口。

4.如权利要求2所述的毫米波功率合成放大器，其特征在于，所述输入波导传输线（3）包括：

第一输入波导传输线（31）、第二输入波导传输线（32）、第三输入波导传输线（33）；

所述第一输入波导传输线（31）为90°弯波导，包括第一90°弯折（311）、第二90°弯折（312），所述第一输入波导传输线（31）的输入口接所述第一分配支路（11）的输出口（110）；

所述第二输入波导传输线（32）为90°弯波导，包括第一90°弯折（321）、第二90°弯折（322）、第三90°弯折（323），所述第二输入波导传输线（32）的输入口接所述第二分配支路（12）的输出口（120）；

所述第三输入波导传输线（33）为90°弯波导，包括第一90°弯折（331），所述第三输入波导传输线（33）的输入口接所述第三分配支路（13）的输出口（130）。

5.如权利要求3所述的毫米波功率合成放大器，其特征在于，所述输出波导传输线（4）包括：

第一输出波导传输线（41）、第二输出波导传输线（42）、第三输出波导传输线（43）；

所述第一输出波导传输线（41）为90°弯波导，包括第一90°弯折（411）、第二90°弯折（412），所述第一输出波导传输线（41）的输出口接所述第一合成支路（21）的输入口（210）；

所述第二输出波导传输线（42）为90°弯波导，包括第一90°弯折（421）、第二90°弯折（422）、第三90°弯折（423），所述第二输出波导传输线（42）的输出口接所述第二合成支路（22）的输入口（220）；

所述第三输出波导传输线（43）为90°弯波导，包括第一90°弯折（431），所述第三输出波导传输线（43）的输出口接所述第三合成支路（23）的输入口（230）。

6.如权利要求1所述的毫米波功率合成放大器，其特征在于，所述功率放大器（5）包括：

微带电路（51），设置在微带电路（51）内的MMIC（52），分别插入所述输入波导传输线（3）和所述输出波导传输线（4）的输入微带探针（53）和输出微带探针（54），连接于所述MMIC（52）的输入端和所述输入微带探针（53）的输入微带传输线（55），连接于所述MMIC（52）的输出端和所述输出微带探针（54）的输出微带传输线（56）。

7.如权利要求4、5、6、任一项所述的毫米波功率合成放大器，其特征在于，所述功率放大器（5）包括：

相同规格的第一功率放大器、第二功率放大器、第三功率放大器；

所述第一功率放大器、所述第二功率放大器、所述第三功率放大器分别通过输入微带探针（53）和输出微带探针（54）连接于所述第一输入波导传输线（31）和第一输出波导传输线（41）、第二输入波导传输线（32）和第三输出波导传输线（42）、第三输入波导传输线（33）和第二输出波导传输线（43）之间。

8.如权利要求2、3所述的毫米波功率合成放大器，其特征在于，

所述分配器分支线（14）和所述合成器分支线（24）的数量包括3分支、4分支、5分支；

所述分配器分支线（14）和所述合成器分支线（24）的长度均为四分之一波导波长，所述分配器分支线（14）之间的距离和所述合成器分支线（24）之间的距离均为四分之一波导波长。

9.如权利要求2、3所述的毫米波功率合成放大器，其特征在于，所述三路功率分配器（1）、所述三路功率合成器（2）还包括分别与所述第二分配支路（12）、所述第三分配支路（13），所述第二合成支路（22）、所述第三合成支路（23）连接的分配器隔离端（15）、合成器隔离端（25），所述分配器隔离端（15）、所述合成器隔离端（25）设置有吸收冗余能量的楔形结构的分配器负载（151）、合成器负载（251）。

10.如权利要求6所述的毫米波功率合成放大器，其特征在于，所述输入微带探针（53）和输出微带探针（54）采用双探针结构，所述输入微带探针（53）和输出微带探针（54）从所述输入波导传输线（3）和所述输出波导传输线（4）的E面插入，每一层微带探针接一功率放大器（5）。

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