CN103354301A

CN103354301A - 一种扩展同轴功率分配合成器及功率分配、合成方法

Info

Publication number: CN103354301A
Application number: CN2013103029098A
Authority: CN
Inventors: 宁曰民; 姜万顺; 张文强
Original assignee: CETC 41 Institute
Current assignee: CETC 41 Institute
Priority date: 2013-07-12
Filing date: 2013-07-12
Publication date: 2013-10-16

Abstract

本发明提出了一种扩展同轴空间功率分配合成器，扩展同轴腔体为轴对称的径向辐射状结构，中心内导体为多级台阶过渡的结构，包括50欧姆标准同轴线和扩展同轴结构，扩展同轴结构的外围为辐射状的电阻膜片阵列结构，电阻膜片阵列之间设置有同轴探针阵列。本发明的扩展同轴空间功率分配合成器具有高隔离度与宽工作频带，输出功率大，具有良好的散热、低通路损耗、高度的幅相一致性，结构紧凑，便于应用。

Description

一种扩展同轴功率分配合成器及功率分配、合成方法

技术领域

本发明涉及微波领域，特别涉及一种功率分配合成器，还涉及一种功率分配方法和一种功率合成方法。

背景技术

随着微波毫米波技术在雷达、制导及通信等领域的广泛应用，对微波毫米波信号源的带宽、增益及输出功率等指标都提出了越来越高的要求。微波毫米波固态功放芯片虽然具有尺寸小、重量轻、可靠性高及电路结构紧凑等优点，但由于目前单个固态器件的输出功率受自身半导体物理特性的影响以及散热、加工工艺、阻抗匹配等问题的限制而远远达不到实际工程中要求的输出功率，因而无法满足微波毫米波大功率通信系统的要求。因此，在单个器件输出功率有限的情况下，采用多个固态器件的功率合成技术是提高系统输出功率的有效方法。而目前国内外功率分配合成技术所遇到的普遍问题是如何进一步有效地提高功率分配合成效率、降低损耗、增大工作带宽及提高功率容量等。

由于传统的平面电路功率分配合成技术所采用的技术方案在结构实现上都比较复杂，降低损耗和有效散热问题都很难解决，因而合成效率和合成功率并不十分理想。基于宽带扩展同轴的空间功率合成技术可以有效地防止辐射损耗，具有频带宽、损耗低、散热快、幅相一致性高及功率容量大等优点，较好地弥补了平面电路功率合成技术的不足。因而，基于宽带扩展同轴的功率合成技术逐渐成为微波毫米波空间功率合成技术的研究热点。

目前同轴空间功率分配合成技术主要采用鳍线阵列方式，通过放置于每层腔体片上的鳍线探针实现功率的放大。功率的分配和合成借助于有源鳍线在同轴结构内实现。这种结构的优点是结构紧凑，但是其最大的缺点是无法达到有效的散热，同时，各路之间的隔离度比较小，从而大大影响了其功率合成的效率。同时，在微波毫米波频段由于同轴腔体结构内空间狭小，放置大功率芯片的数量受限很大，因此，该结构只适合于中小功率合成，当功率分配与合成的路数超过十路或总功耗超过一百瓦时，由于传导至内导体的热量迅速增加，腔体温度会迅速升高，合成效率将急剧下降。

发明内容

本发明提出一种扩展同轴功率分配合成器及功率分配方法和功率合成方法，解决了如何有效提高功率分配合成器的宽频带、大容量、高效率及低损耗的技术难题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种扩展同轴空间功率分配合成器，扩展同轴腔体为轴对称的径向辐射状结构，中心内导体为多级台阶过渡的结构，包括50欧姆标准同轴线和扩展同轴结构，扩展同轴结构的外围为辐射状的电阻膜片阵列结构，电阻膜片阵列之间设置有同轴探针阵列。

可选地，所述扩展同轴包括柱面TEM模。

可选地，所述电阻膜片为高导热系数的氮化铝基材的两面镀薄膜电阻条。

可选地，所述同轴探针采用阻抗变换结构。

可选地，所述同轴探针阵列为二十路，且高度幅相一致。

本发明还提出了一种功率分配方法，适用于上述功率分配合成器，电磁波首先由50欧姆标准同轴线进入扩展同轴结构，然后由扩展同轴结构进入电阻膜片阵列结构，再通过同轴探针阵列进入微带平面电路，完成功率的等幅同相分配。

本发明还提出了一种功率合成方法，适用于上述功率分配合成器，微带平面电路通过功率放大芯片将放大后的电磁波能量经同轴探针阵列、电阻膜片结构再进入扩展同轴结构，输出功率最终在扩展同轴结构中完成收集与合成，合成后的信号最后通过50欧姆标准同轴线输出。

本发明的有益效果是：

(1)高隔离度与宽工作频带；

(2)输出功率大；

(3)良好的散热；

(4)低通路损耗；

(5)高度的幅相一致性；

(6)结构紧凑，便于应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种扩展同轴功率分配合成器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的一种扩展同轴空间功率分配合成器，扩展同轴腔体为轴对称的径向辐射状结构，中心内导体为多级台阶过渡的结构，包括50欧姆标准同轴线1和扩展同轴结构2，扩展同轴结构的外围为辐射状的电阻膜片阵列结构3，电阻膜片阵列之间设置有同轴探针阵列4。

扩展同轴功率合成器的中心内导体采用了多级台阶过渡的结构，该结构根据最小反射理论及传输线模型进行了优化设计，同时，为了提高各端口的隔离度、改善端口驻波以及有效解决扩展同轴存在的高次模干扰问题，本发明采用了扩展同轴与电阻膜片相结合的方法来增加各路放大单元之间的隔离度，从而达到了抑制高次模传输和提高功率分配合成效率的目的。

扩展同轴包括柱面TEM模，在半径为R的圆周上电场相同，磁场只有轴向分量(φ分量)，在半径为R的圆周上磁场大小相等，方向沿圆周切向，也就是说，扩展同轴TEM模的电磁场分布具有径向对称性，因此，利用扩展同轴结构实现功率等分。

电阻膜片采用在高导热系数的氮化铝基材的两面镀薄膜电阻条的形式实现，且薄膜电阻条的宽度和数量以及电阻值可以根据需要来灵活调节或改变。

通过合理设计同轴探针尺寸与位置、扩展同轴结构内台阶过渡结构的尺寸以及电阻膜片的宽度及电阻值，即可在不同频段内实现多路功率分配与合成，这种功率分配与合成的实现方式由于采用了电阻膜片结构，因而大大增加了工作频带，提高了同轴探针对扩展同轴内电磁波能量的耦合度和各路探针之间的隔离度，有效提高了合成效率。同时，这种扩展同轴腔体由于采用了轴对称的径向辐射状结构，因此，使得散热效率大大提高。

电阻膜片加载扩展同轴功率分配合成器中的同轴探针采用了阻抗变换结构，实现了从高阻抗值到50欧姆标准阻抗微带线的过渡，该结构在工作频率范围内可实现插入损耗小于0.3dB，驻波小于1.2。

优选地，通过扩展同轴外围的二十路具有高度幅相一致性和高功率分配合成效率的同轴探针阵列实现功率的分配及合成，每一路放大单元均可通过扩展同轴-同轴探针阵列-微带电路转换结构在微带电路上实现功率的单路放大，最终的功率合成在相同结构形式的扩展同轴内完成。

本发明的扩展同轴功率分配合成器将每一路功率放大电路置于扩展同轴外，不但有效地解决了散热问题，而且大大提高了系统的功率容量。同时，辐射状分布的电阻膜片阵列实现了宽带阻抗调配，增加了功率分配及合成的工作带宽及各合成单元之间的隔离，大大提高了功率分配及合成的效率。

本发明还提出了一种功率分配方法，适用于上述扩展同轴功率分配合成器，电磁波首先由50欧姆标准同轴线1进入扩展同轴结构2，然后由扩展同轴结构进入电阻膜片阵列结构3，再通过同轴探针阵列4进入微带平面电路，完成功率的等幅同相分配。

本发明还提出了一种功率合成方法，适用于上述扩展同轴功率分配合成器，在微带平面电路上，通过功率放大芯片，将放大后的电磁波能量由同轴探针阵列-电阻膜片结构再进入扩展同轴结构，二十路放大单元的输出功率最终在扩展同轴结构中完成收集与合成，合成后的信号最后通过50欧姆标准同轴线输出。

本发明的扩展同轴空间功率分配合成器具有以下优点：

(1)高隔离度与宽工作频带：通过改变氮化铝基材两侧的薄膜电阻条的宽度及电阻值，可在微波毫米波频段范围内方便地实现各端口的高隔离度与宽带频率覆盖；

(2)输出功率大：由于采用了扩展同轴与探针阵列相结合的方案，因此，该结构具有较大的功率容量，可根据不同工作频段的具体要求，达到不同的输出功率；

(3)具有良好的散热设计：由于多路放大单元呈轴对称的径向辐射状排列，每路放大电路之间均有一定的空间间隔，因此，大大增加了散热效率，提高了系统的稳定性；

(4)具有较低的通路损耗：由于功率分配和合成过程均在低损耗的扩展同轴内完成，因此，大大降低了微波毫米波能量的传输损耗；

(5)具有高度的幅相一致性：由于该结构在能量的分配段及合成段均采用了径向对称结构，从而有效避免了幅相不一致性带来的能量损耗，大大提高了功率合成的效率；

(6)结构紧凑，便于应用：本技术采用同轴连接器作为输入输出接口，功率的分配、放大和合成均集成于一体，整个结构小巧轻便，具有很强的工程实用性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种扩展同轴空间功率分配合成器，其特征在于，扩展同轴腔体为轴对称的径向辐射状结构，中心内导体为多级台阶过渡的结构，包括50欧姆标准同轴线和扩展同轴结构，扩展同轴结构的外围为辐射状的电阻膜片阵列结构，电阻膜片阵列之间设置有同轴探针阵列。

2.如权利要求1所述的扩展同轴空间功率分配合成器，其特征在于，所述扩展同轴包括柱面TEM模。

3.如权利要求1所述的扩展同轴空间功率分配合成器，其特征在于，所述电阻膜片为高导热系数的氮化铝基材的两面镀薄膜电阻条。

4.如权利要求1所述的扩展同轴空间功率分配合成器，其特征在于，所述同轴探针采用阻抗变换结构。

5.如权利要求4所述的扩展同轴空间功率分配合成器，其特征在于，所述同轴探针阵列为二十路，且高度幅相一致。

6.一种功率分配方法，适用于如权利要求1至5任一项所述的功率分配合成器，其特征在于，电磁波首先由50欧姆标准同轴线进入扩展同轴结构，然后由扩展同轴结构进入电阻膜片阵列结构，再通过同轴探针阵列进入微带平面电路，完成功率的等幅同相分配。

7.一种功率合成方法，适用于如权利要求1至5任一项所述的功率分配合成器，其特征在于，微带平面电路通过功率放大芯片将放大后的电磁波能量经同轴探针阵列、电阻膜片结构再进入扩展同轴结构，输出功率最终在扩展同轴结构中完成收集与合成，合成后的信号最后通过50欧姆标准同轴线输出。