CN103427141B - 采用微带探针天线阵列宽带空间功率合成结构的设计方法 - Google Patents

Abstract

发明公开了一种采用微带探针天线阵列宽带空间功率合成结构的设计方法，其特征为采用微带探针天线阵列辐射至波导内部实现空间功率合成，特别适用于三代半导体器件的高功率密度合成。该功率合成结构主要通过下述步骤实现：a.设计微带探针天线阵列至波导的宽带转换结构；b.设计50Ω微带至微带探针天线的微带过渡段。由此形成多路空间合成结构。相比现有的合成技术，本发明大大减小了功率合成结构的体积，促进了微波功率放大模块的向小而精的方向发展。

Description

采用微带探针天线阵列宽带空间功率合成结构的设计方法

技术领域

本发明微波功率合成领域，特别涉及一种采用微带探针天线阵列宽带空间功率合成结构的设计方法。

背景技术

近些年来微波大功率功率合成技术成为了人们关注的焦点。由于微波大功率合成器件具有工作电压低，寿命长，体积小，耐受冲击振荡强等优点，所以在军事和空间应用方面特别受到各国的重视。

国际上至上世纪70年代开始相继开展了基于固态微波器件的大功率合成技术。

目前常见的微波合成技术有多种实现方式，包括管芯合成，电路合成，空间合成等。目前应用最广泛的微波固态合成主要是电路功率合成和空间功率合成。电路合成根据采用电路形式的不同可以分为谐振式功率合成和非谐振式功率合成。谐振式功率合成是将多个单独的固态器件的输出功率通过耦合的方式耦合到合成腔体内以提高整个电路的功率输出。这种方案主要用于二极管器件。非谐振合成方式是将多个功率单元通过功率分配/合成网络连接起来，获得更大的功率输出。这也是目前大部分微波固态合成采用的结构。

空间功率合成是20世纪八十年代提出的一种微波毫米波功率合成方法。尽管这项技术的提出是在八十年代初，但它真正被人们所重视并加以广泛研究却是在八十年代后期和九十年代。空间功率合成技术主要分为两大类，准光功率合成技术和自由空间波功率合成技术。

随着微波系统向小型化和高效化发展，空间功率合成的技术成为当今研究的热点。

1997年A.Alexanian和R.A.York提出了波导内空间合成技术，当时在X波段的标准波导内采用鳍线结构实现了2×4的MMIC芯片整列，合成获得2.4W的输出功率和68％的合成效率。该团队后续对该鳍线合成结构进行了进一步的研究，在1999年实现了4×6的合成阵列，实现了126W的功率输出。可见在波导内实现阵列式的合成是空间合成的一个发展方向。

发明内容

发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种采用微带探针天线阵列宽带空间功率合成结构的设计方法。此方法采用了微带探针阵列的方式实现了在较小空间内的功率合成。具有合成效率高，体积小，频率宽，合成路数多等优点。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种采用微带探针天线阵列宽带空间功率合成结构的设计方法，用微带探针天线阵列辐射至波导内部实现宽带空间功率合成，该宽带空间功率合成结构的设计方法包括以下步骤

步骤1、微带探针天线阵列的设计：根据波导和被合成功放模块的尺寸选择适配的M×N型的微带探针天线阵列，其中M为微带探针天线阵列中天线的行数，M≥1，N为微带探针天线阵列中天线的列数，N≥1，M和N不能同时为1。纵向一列探针的相位相同，横向各微带探针之间的相位差由微带探针天线横向间距确定，需要通过调整微带探针天线深度使各微带探针天线的相位一致以实现相位补偿，任意两列微带探针天线的间距Lp与微带探针天线在波导内的深度差Dp之间关系如公式(1)；

$L_p=D_p\×\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}---\left(1\right)$

步骤2、微带探针天线阵列至波导的宽带转换结构设计：根据公式(2)确定每个微带探针天线的等效阻抗Ra；

Ra＝RWK (2)

式中，K为微带探针天线的个数；RW为波导的等效阻抗；

通过微带探针天线的等效阻抗得出微带探针天线的宽度，且微带探针天线的横向间距以及最内部一列微带探针天线到波导短路面的距离相等，均为D，D＝λ₀/4,其中λ₀为中心频率对应的波长；

步骤3、50Ω微带至微带探针天线的微带过渡段设计：50Ω微带至探针的微带过渡段的长度根据公式(3)确定，

lg＝λ₀/4 (3)

微带过渡段的宽度Wg取决于微带过渡段等效阻抗Rg，Rg通过公式(4)得到：

$R_g=\sqrt{R_a\×50}---\left(4\right)$

Wg与Rg的关系符合开放式微带特征阻抗公式组：

$R=\frac{{\mathrm{\η}}_0}{2\mathrm{\π}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{eff}}}ln(\frac{f\left(u\right)}{u}+\sqrt{1+\frac{4}{u^2}})$

$f\left(u\right)=6+(2\mathrm{\π}-6)\·\exp \[-{\left(\frac{30.666}{u}\right)}^{0.7528}\]$

${\mathrm{\ϵ}}_{eff}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2}{(1+\frac{10}{u})}^{-ab},u=\frac{w}{h}$

$a=1+\frac{1}{49}\ln \[\frac{u^4+{\left(\frac{u}{52}\right)}^2}{u^4+0.432}\]+\frac{1}{18.7}ln\[1+{\left(\frac{u}{18.1}\right)}^3\]$

$b=0.564{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-0.9}{{\mathrm{\ϵ}}_r+3}\right)}^{0.053}$

上述公式中，w为微带宽度，h为微带的介质厚度，R为微带等效阻抗

作为优选，所述探针天线阵列分布在波导宽边的单侧或两侧。

作为优选，所述探针天线之间的间距小于被合成功放模块的宽度和高度。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明提供是一种紧凑型的宽带空间功率合成技术。传统的波导功率合成方案，通过多路波导合路器进行合成，合成结构取决于多路波导的体积。采用了本发明的功率合成结构后，将多路合成在波导内实现，波导合成结构不再受限于波导的尺寸。微带探针的布局根据被合成功放模块的尺寸来确定间距。极大的减小了合成体积。相比传统的微带合成结构，本发明的合成结构具有更小的损耗。本发明中体积的结构和电路的加工皆可采用目前的成熟加工工艺，有利于推广。非常适合当前微波系统小型化发展的需求。

附图说明

图1为本发明所述空间功率合成结构的结构示意图；

图2为图1的左视图；

图3为图1的剖视图；

图4为图1的立体图；

图5为本发明实施例的仿真模型示意图；

图6为本发明实施例的驻波测试曲线；

图7为本发明实施例的幅度一致性测试曲线；

图8为本发明实施例的相位一致性测试曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明的合成结构适用于S，C，X，Ku，K，Ka等微波频段。合成结构的带宽最大可与该结构中波导的带宽相同。下面以C波段空间16路空间合成器为例，对本发明进行详细说明。设计步骤如下：

(1)合路器设计仿真

图5是C波段16路合成器的仿真模型，其中微带探针天线采用介质厚度为0.254mm的Rogers 5880介质板为制作材料。

单个微带探针天线的等效阻抗Ra通过如下步骤确认：

Ra＝R_W16；其中R_W为波导的等效阻抗。

如图3所示，根据特征阻抗Ra可以计算得到微带探针天线宽度Wa，微带探针天线的横向间距以及最内部一列微带探针天线到波导短路面的距离相等，皆为D，D＝λ_C/4,其中λ_C为中心频率对应的波长。如图1和2所示，Lt和Lc分别为微带探针天线阵列的横向间距和纵向间距。

微带探针天线到50Ω微带的微带过渡段的长度lg＝λ₀/4。微带过渡段的宽度取决于微带过渡段等效阻抗Rg，Rg通过如下步骤确认：

$R_g=\sqrt{R_a\×50};$

根据特征阻抗Rg可以计算得到微带过渡段宽度Wg。

以中心频率f₀＝5.5GHz为例，我们可以计算得到：Wa＝4.5mm，D＝18mm，lg＝10mm，Wg＝0.4mm。

(2)测试结果分析

图6是应用本发明的C波段16路空间合成器的测试结果。该合成器的在5～6GHz的范围内输出驻波小于1.8，输入驻波小于1.5。

在图7，图8为合路器端口均衡性，各端口的幅度不平衡度小于±0.4dB，相位不平衡度小于±2度。

Claims (3)

1.一种采用微带探针天线阵列宽带空间功率合成结构的设计方法，其特征在于：采用微带探针天线阵列辐射至波导内部实现宽带空间功率合成，该宽带空间功率合成结构的设计方法包括以下步骤

步骤1、微带探针天线阵列的设计：根据波导和被合成功放模块的尺寸选择适配的M×N型的微带探针天线阵列，其中M为微带探针天线阵列中天线的行数，M≥1，N为微带探针天线阵列中天线的列数，N≥1；然后根据微带探针天线横向间距确定各列微带探针天线的相位差，并通过调整微带探针天线深度使各列之间的微带探针天线的相位一致；为了实现相位补偿，任意两列微带探针天线的间距Lp与微带探针天线在波导内的深度差Dp之间关系如公式(1)；

步骤2、微带探针天线阵列至波导的宽带转换结构设计：根据公式(2)确定每个微带探针天线的等效阻抗Ra；

R_a＝R_WK (2)

式中，K为探针的个数；R_W为波导的等效阻抗；通过探针的等效阻抗得出探针的宽度，且探针天线的横向间距以及最内部一列探针到波导短路面的距离相等，均为D，D＝λ₀/4,其中λ₀为中心频率对应的波长；

步骤3、微带至微带探针天线的微带过渡段设计：微带至微带探针天线的过渡段微带的长度根据公式(3)确定，

l_g＝λ₀/4 (3)

微带过渡段的宽度Wg取决于微带过渡段等效阻抗Rg，Rg通过公式(4)得到：

Wg与Rg的关系符合开放式微带特征阻抗公式组：

上述公式中，w为微带宽度，h为微带厚度，R为微带等效阻抗。

2.根据权利要求1所述采用微带探针天线阵列宽带空间功率合成结构的设计方法，其特征在于：所述微带探针天线阵列分布在波导宽边的单侧或两侧。

3.根据权利要求2所述采用微带探针天线阵列宽带空间功率合成结构的设计方法，其特征在于：所述微带探针天线之间的间距小于被合成功放模块的宽度和高度。