CN104467708B - 一种c波段空间功率合成固态功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种C波段空间功率合成固态功率放大器，涉及卫星、微波通信领域。该固态功率放大器由上腔体、H形中间压块和下腔体构成，上腔体和下腔体上下对称设置，结构完全相同。上腔体安装有上基板，该上基板由微带印制板、两个功率放大单元、四个微带隔离器、四个隔离器压块、两个功率放大单元压块和四个穿心电容构成，其中，上基板关于两个功率放大单元的连线呈轴对称结构。本发明采用空间功率合成技术，输入输出接口采用波导形式，内部采用波导微带转换结构，将波导内传输的信号转换到微带线上，经过放大后，通过微带转波导结构辐射到波导中。此结构形式减小了传输损耗，增加了合成效率，减小了体积，降低了热设计难度。

Description

一种C波段空间功率合成固态功率放大器

技术领域

本发明涉及卫星通信、微波通信和散射通信领域，特别是涉及一种使用空间功率合成技术的固态功率放大器，可广泛应用关于卫星通信和微波通信等通信系统中。

背景技术

近年来，随着无线通信技术的迅速发展，对功率放大器的带宽、效率以及输出功率的要求也与日俱增。然而固态功率器件受自身半导体物理特性的影响以及加工工艺、散热、阻抗匹配等问题的限制，器件输出功率非常有限，而且工作频率越高，单芯片输出功率水平越低。因此人们采用多个固态功率器件进行功率合成，有效提高功率放大器系统的输出功率。

传统的电路合成技术采用威尔金森电桥、分支线电桥、lange桥等功分/合成网络，应用广泛，但平面传输线损耗大，合成效率随合成网络级数增加显著下降，因而限制了放大器的数量，无法满足高效率和大功率的要求。近年来提出的空间功率合成技术最大的优点在于合成效率高，适合多器件合成得到大功率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种C波段空间功率合成固态功率放大器，解决了现有技术中单个功率器件输出功率低，平面合成方式损耗大、合成效率低的缺点。该放大器具有体积小、合成效率高、输出功率大的特点。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：一种C波段空间功率合成固态功率放大器，其特征在于：包括上腔体1、H形中间压块2和下腔体3；上腔体1和下腔体3上下对称设置且在上腔体1和下腔体3中部均设有放置H形中间压块2的凹槽，所述上腔体1和下腔体3相对的两个面沿矩形长边同一径向设有输入波导槽和输出波导槽；所述H形中间压块2与输入波导槽和输出波导槽相对位置分别设有输入波导端口和输出波导端口；所述上腔体1、H形中间压块2和下腔体3依次扣合后形成封闭的矩形输入波导和矩形输出波导；所述上腔体1与H形中间压块2之间设有上基板安装腔，H形中间压块2与下腔体3之间均设有下基板安装腔；上基板安装腔安装有上基板，下基板安装腔安装有下基板，上基板和下基板相对设置；

所述上基板设有微带印制板4、第一至第二功率放大单元5-1至5-2、第一至第四微带隔离器6-1至6-4、第一至第四隔离器压块7-1至7-4、第一至第二功率放大单元压块8-1至8-2和第一至第四穿心电容9-1至9-4；所述微带印制板4包括印制于上基板背面的输入同面鳍线天线10-1、输出同面鳍线天线10-2、输入槽线11-1和输出槽线11-2，以及印制于上基板上面的输入耦合微带线12-1、输出耦合微带线12-2和第一至第四直流偏置电路13-1至13-4；输入同面鳍线天线10-1的宽度逐渐变小转变为输入槽线11-1，输入耦合微带线12-1与输入槽线11-1垂直相交且相交的位置距输入槽线11-1终端为工作频率四分之一波长的位置；输入耦合微带线12-1的上端口经第一隔离器6-1与第一功率放大单元5-1的输入端口相连接，下端口经第二隔离器6-2与第二功率放大单元5-2的输入端口相连接；第一功率放大单元5-1的输出端口经第三隔离器6-3与输出耦合微带线12-2的上端口相连接，第二功率放大单元5-2的输出端口经第四隔离器6-4与输出耦合微带线12-2的下端口相连接；输出耦合微带线12-2与输出槽线11-2垂直相交且相交的位置距输出槽线11-2终端为工作频率四分之一波长的位置，输出槽线11-2天线的宽度逐渐变大转变为输出同面鳍线天线10-2；每个功率放大单元的电源输入端口连接有穿心电容，偏置电源输入端口连接有直流偏置电路；

所述下基板与上基板结构完全相同，下基板与上基板射频信号的输入端和输出端均对应设置；

射频信号由输入波导端口输入，依次经输入同面鳍线天线10-1、输入槽线11-1、输入耦合微带线12-1分为两路射频信号；其中一路射频信号经第一隔离器6-1输出至第一功率放大单元5-1，另一路射频信号经第二隔离器6-2输出至第二功率放大单元5-2；第一功率放大器单元5-1将收到的射频信号进行放大经第三隔离器6-3输出至输出耦合微带线12-2，第二功率放大器单元5-2将收到的射频信号进行放大经第四隔离器6-4输出至输出耦合微带线12-2；这两路射频信号经输出槽线11-2合成一路射频信号并由输出同面鳍线天线10-2输出至输出波导端口。

其中，所述上腔体1、H形中间压块2和下腔体3采用销钉定位并用螺钉固定。

其中，上腔体1上表面和下腔体3下表面均安装有散热片。

本发明利用空间功率合成结构对输入射频信号进行分路，将分路后的信号进行放大，然后采用同样的空间合成结构将放大后的信号合成并输出，可实现大功率输出，同时具有高的合成效率。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明采用空间功率合成技术，增大了功率放大器输出功率，增加了功率合成效率，减小了功率放大器的体积，提高了功率放大器系统的可靠性。

附图说明

图1是本发明的功率放大器的立体示意图；

图2是本发明的功率放大器的上腔体的内部结构图；

图3是本发明的功率放大器的微带印制板结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明的一种C波段空间功率合成固态功率放大器由上腔体1、H形中间压块2和下腔体3组合而成。上腔体1、H形中间压块2和下腔体3采用销钉进行定位，保证安装精度，并用螺钉进行固定。实际应用环境中，散热片安装于上腔体1和下腔体3外表面，用于功率放大器散热。

图2所示为本发明的功率放大器的上腔体的内部结构图，下腔体与此结构完全相同。本发明上腔体由微带印制板4、第一至第二功率放大单元5-1至5-2、第一至第四微带隔离器6-1至6-4、第一至第四隔离器压块7-1至7-4、第一至第二功率放大单元压块8-1至8-2和第一至第四穿心电容9-1至9-4组成。微带印制板4用焊料焊接在上腔体1内，用来完成射频信号的传输；第一至第二功率放大单元5-1至5-2用于完成射频信号的功率放大；第一功率放大单元压块8-1安装在功率放大器单元5-1上，第二功率放大单元压块8-2安装在功率放大器单元5-2上，用于功率放大器单元的固定和输入输出部分腔体的隔离；第一微带隔离器6-1和第三微带隔离器6-3安装于功率放大器单元5-1的两端，第二微带隔离器6-2和第四微带隔离器6-4安装于功率放大器单元5-2的两端，微带隔离器起到增加两路输出信号隔离度和改善驻波的作用；第一至第四隔离器压块7-1至7-4用于一一对应固定第一至第四微带隔离器6-1至6-4；第一穿心电容9-1和第三穿心电容9-4为功率放大单元5-1的电源输入接口，第二穿心电容9-2和第四穿心电容9-3为功率放大单元5-2的电源输入接口。整个功率放大器上腔体和下腔体结构完全对称，安装方便，便于调试。

图3对微带印制板4作出了详细的说明。输入同面鳍线天线10-1和输出同面鳍线天线10-2均位于基板的底层；输入同面鳍线天线10-1的宽度逐渐变小转变为输入槽线11-1，输出同面鳍线天线10-2的宽度逐渐变小转变为输出槽线11-2；在距离输入槽线10-1终端为工作频率四分之一波长的位置且在基板上层有输入耦合微带线12-1，在距离输出槽线10-2终端为工作频率四分之一波长的位置且在基板上层有输出耦合微带线12-2，该耦合微带线通过与槽线的正交结构相耦合，其两端耦合出幅度相同而相位相反的信号送至对应的功率放大器单元。经放大器单元放大后的信号，经一个对称的结构，耦合至输出端。第一至第四直流偏置电路13-1至13-4采用四分之一波长高阻线加扇形微带线的结构，为对应的功率放大器单元提供偏置电压。

本发明中波导微带转换通过同面鳍线天线实现，同面鳍线天线由微带传输线构成，同面鳍线天线在起始端由分布在基板背面的两块金属构成，金属之间的间距由起始端与矩形波导腔的宽度相同逐渐变化到很窄的槽线。基板的上表面在槽线的终端附近印有耦合微带线，与背面的槽线垂直相交，相交的位置距槽线的短路终端距离为工作频率的四分之一波长。由于耦合微带线与背面具有相反相位的槽线的两极分别耦合，耦合微带线的两个端口的相位差为180度，两个端口的输出分别与功率放大器单元相连，功率放大器单元的输出端则和射频输入端完全对称的耦合微带线相连。同面鳍线天线、槽线

射频信号的输入输出端口采用标准的波导接口。

本发明的简要工作原理：

在矩形波导中加入鳍线天线阵列，输入的的信号被均匀的分配给鳍线天线阵列的每个单元，耦合到每个天线的信号经过功率放大器单元放大后，再通过对称的鳍线天线阵列将信号合成到输出波导端口。

Claims (3)

1.一种C波段空间功率合成固态功率放大器，其特征在于：包括上腔体(1)、H形中间压块(2)和下腔体(3)；上腔体(1)和下腔体(3)上下对称设置且在上腔体(1)和下腔体(3)中部均设有放置H形中间压块(2)的凹槽，所述上腔体(1)和下腔体(3)相对的两个面沿矩形长边同一径向设有输入波导槽和输出波导槽；所述H形中间压块(2)与输入波导槽和输出波导槽相对位置分别设有输入波导端口和输出波导端口；所述上腔体(1)、H形中间压块(2)和下腔体(3)依次扣合后形成封闭的矩形输入波导和矩形输出波导；所述上腔体(1)与H形中间压块(2)之间设有上基板安装腔，H形中间压块(2)与下腔体(3)之间均设有下基板安装腔；上基板安装腔安装有上基板，下基板安装腔安装有下基板，上基板和下基板相对设置；

所述上基板设有微带印制板(4)、第一至第二功率放大单元(5-1至5-2)、第一至第四微带隔离器(6-1至6-4)、第一至第四隔离器压块(7-1至7-4)、第一至第二功率放大单元压块(8-1至8-2)和第一至第四穿心电容(9-1至9-4)；所述微带印制板(4)包括印制于上基板背面的输入同面鳍线天线(10-1)、输出同面鳍线天线(10-2)、输入槽线(11-1)和输出槽线(11-2)，以及印制于上基板上面的输入耦合微带线(12-1)、输出耦合微带线(12-2)和第一至第四直流偏置电路(13-1至13-4)；输入同面鳍线天线(10-1)的宽度逐渐变小转变为输入槽线(11-1)，输入耦合微带线(12-1)与输入槽线(11-1)垂直相交且相交的位置距输入槽线(11-1)终端为工作频率四分之一波长的位置；输入耦合微带线(12-1)的上端口经第一隔离器(6-1)与第一功率放大单元(5-1)的输入端口相连接，下端口经第二隔离器(6-2)与第二功率放大单元(5-2)的输入端口相连接；第一功率放大单元(5-1)的输出端口经第三隔离器(6-3)与输出耦合微带线(12-2)的上端口相连接，第二功率放大单元(5-2)的输出端口经第四隔离器(6-4)与输出耦合微带线(12-2)的下端口相连接；输出耦合微带线(12-2)与输出槽线(11-2)垂直相交且相交的位置距输出槽线(11-2)终端为工作频率四分之一波长的位置，输出槽线(11-2)天线的宽度逐渐变大转变为输出同面鳍线天线(10-2)；每个功率放大单元的电源输入端口连接有穿心电容，偏置电源输入端口连接有直流偏置电路；

所述下基板与上基板结构完全相同，下基板与上基板射频信号的输入端和输出端均对应设置；

射频信号由输入波导端口输入，依次经输入同面鳍线天线(10-1)、输入槽线(11-1)、输入耦合微带线(12-1)分为两路射频信号；其中一路射频信号经第一隔离器(6-1)输出至第一功率放大单元(5-1)，另一路射频信号经第二隔离器(6-2)输出至第二功率放大单元(5-2)；第一功率放大器单元(5-1)将收到的射频信号进行放大经第三隔离器(6-3)输出至输出耦合微带线(12-2)，第二功率放大器单元(5-2)将收到的射频信号进行放大经第四隔离器(6-4)输出至输出耦合微带线(12-2)；这两路射频信号经输出槽线(11-2)合成一路射频信号并由输出同面鳍线天线(10-2)输出至输出波导端口。

2.根据权利要求1所述的C波段空间功率合成固态功率放大器，其特征在于：所述上腔体(1)、H形中间压块(2)和下腔体(3)采用销钉定位并用螺钉固定。

3.根据权利要求1所述的C波段空间功率合成固态功率放大器，其特征在于：上腔体(1)上表面和下腔体(3)下表面均安装有散热片。