CN107342447A - 毫米波高密度空间功率合成网络 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种毫米波高密度空间功率合成网络，旨在提供一种功率密度大，空间利用率高，工作频带更宽，合成效率高，能够体积的毫米波高密度空间功率合成网络。本发明通过下述技术方案予以实现：矩形波导窄边3dB耦合器将输出波导分为上下对称的主波导与耦合波导的两层标准波导，每一层标准波导分别通过标准波导T型功率合成器变为左右对称传输的扁波导，扁波导分别以两层扁波导宽边的中心为对称线，将面对面的双微带探针插入扁波导腔内，形成微带探针插入两层串联标准波导的四层扁波导腔，矩形波导窄边3dB耦合器与扁波导宽边插入式双探针过渡，将射频信号合成为4层更高密度电路形式的功率合成网络。本发明解决了在更高频段实现高功率输出的难题。

Description

毫米波高密度空间功率合成网络

技术领域

本发明涉及一种主要应用于毫米波脉冲功率放大器中的毫米波功率合成网络，具体涉及基于矩形波导的八路高密度功率合成网络。其中，高密度的含义在于，通过多层堆叠在同等面积内实现更多的合成支路数。

背景技术

在雷达、通信、测控等电子设备当中，往往需要用到大功率输出的发射机，以起到增大作用距离的目的。传统行波管功率放大器虽然可以提供较高的输出功率，但在实际应用中存在一系列的问题，比如可靠性低，工作电压很高，数十千伏器件尺寸大、重量高等缺陷，限制了它在微波/毫米波系统上的广泛使用。相比较而言，固态功放器件具有可靠性高、工作电压低、尺寸小和重量轻等优点，成为了微波/毫米波大功率放大器的主要发展方向。因此，将多个小功率的固态单片输出功率进行等幅同相叠加来得到更大功率电平的技术，即功率合成技术，成为了研究的必然。微波/毫米波固态功率合成技术通常有四种类型：利用半导体管芯并联的芯片级功率合成技术；利用外谐振或非谐振电路的电路型功率合成技术；利用准光腔或自由空间的准光功率合成技术，以及利用各类低损耗波导腔的空间功率合成技术。在这四种类型功率合成技术中，过去采用比较多的是电路谐振型单腔多器件功率合成技术。然而，这项技术随着合成器件量的增多、频率的升高，腔体空间将变得越来越小，各种不连续边界所产生的模式将变得越来越复杂，从而严重地影响功率合成器的工作稳定性、合成效率以及输出功率。传统的平面型功率合成电路，如Wilkson功分器、Lange耦合器和分支线耦合器等，在毫米波频段随着合成级数增多，总体插入损耗较大，合成效率受限，且合成路数也只能是2ⁿ路，在很多实际应用中不能满足需求，这使其应用受到限制。空间功率合成技术与其它功率合成方法的最大不同之处是借助低损耗传输线作为合成路径，使得多路合成时仍具备很高的合成效率，特别是在损耗很高的毫米波频段，空间功率合成技术成为了实现大功率输出最有效的技术手段。因此，在毫米波频段，人们研究了采用多个固态器件进行空间功率合成的方法来获得高功率输出，各种功率分配/合成技术相继被提出。各种新型功率合成技术不断出现，如准光功率合成以及基于波导的空间功率合成技术等。这些新型功率合成技术与传统技术相比，具有插入损耗低和合成效率高等优势。然而，大多数已经报道过的空间功率合成技术所实现的合成系统性能并不十分良好，合成效率和合成功率输出也并不十分理想。

近年来，随着通信系统的快速发展，对于高效、宽带大功率放大器的需求与日俱增。大功率功放作为微波毫米波通信系统的一个重要组成部分，一直是微波、毫米波理论与技术研究的重要课题。众所周知，普通封闭式微波谐振腔的谐振颖率与腔体尺寸、工作模式呈非线性关系，这种非线性关系导致了随着谐振腔体积的增大，各相邻模式谐振颖率之差愈来愈小，从而产生频谱稠密现象，这种频谱稠密现象在功率合成中将引起合成效率下降，并影响模式的稳定性，因此，普通封闭式微波谐振腔内所安置的合成器件过多，易导致使腔体体积过大。准光功率合成的优点在于它利用了准光腔谐振频率只与准光腔腔距有关，而与准光腔腔面尺寸几乎无关这一特性，通过一个周期性介质相位栅将五单元线形振荡阵列的近场转换为伪平面波，再通过两个反射镜转换为高斯波束，使其与双模接收天线的场的模型相匹配实现功率合成。在满足准光腔稳定条件下，可将准光腔腔面设计成足够大，可以实现多器件的功率合成。自由空间波功率合成技术有利于实现众多器件的功率合成和与天线系统的一体化，使得发射系统更加小型化和轻量化。这类功率合成技术主要缺点在于工作带宽窄，容易激励出高阶模式，合成效率一般，且结构复杂。在九十年代，Alexanian和Robe rtYork提出了一种扩展同轴波导功率分配器/合成器，它是在同轴波导内沿波的传播方向放置波导到微带鳍线过渡的转换结构和有源放大器，通过波导到微带的转换结构将同轴波导的TEM场转换为平面微带传输线的准TEM场，便于与微波集成电路相兼容。这种扩展同轴波导结构功率分配/合成器的优点是具有宽带特性。但是，这种结构必须将有源放大器件置于波导内，以至于散热困难，且结构复杂不易于扩展。在毫米波频段，同轴形式的接口限制了合成放大器最终可实现的最大输出功率。

在Ka及以上波段，传输线损耗急剧上升，如何提高功率合成效率成为了最重要的研究方向。目前应用最多的功率合成技术有平面电路合成与空间功率合成两种。平面电路合成是基于平面传输线结构的微带T型分支、混合型3dB电桥、威尔金森电桥、Lange耦合器等，合成路数的扩展采用将它们自身或相互级联实现。随着频率上升，平面传输线损耗越来越大，特别是在毫米波频段，合成效率随着合成支路数量的扩展急剧下降，无法满足大功率应用需求。空间功率合成网络借助低损耗的空间结构传输线代替传统的平面传输线作为射频信号的主传输线，在需要采用放大器件进行放大的位置才通过某种过渡结构将能量转换至平面电路上，有效缩短高损耗的平面传输线长度，提高功率合成的效率。早期的空间功率合成技术是由A.Alexanian和R.A.York于1997年提出。在此后相继又有学者提出了规则矩形波导、扩展尺寸矩形波导和扩展同轴线内空间功率合成等形式，在X波段和K波段研制并实现基于该类结构形式的空间功率合成系统。然而，采用矩形波导作为功率合成电路具有一些潜在的缺陷。首先，矩形波导的工作主模为TE₁₀模，由于TE₁₀模的场型不均匀，宽边中心电场最大，而两边距离边壁的地方电场很小。这种场型的不均匀性使得波导分配到鳍线阵列的每个单元功率不相等，导致每个有源放大单元并非等功率激励，从而影响了合成系统的效率并恶化了功放的饱和输出功率；此外，矩形波导是一种色散系统，这将导致为扩展工作频率而进行的宽带阻抗匹配相当复杂。矩形波导低端频率的截止特性限制了矩形波导系统工作频率向低端扩展。其次，当所需合成的器件数量较多时，在有限的矩形波导内空间探针排列将会很密集，这将产生以下一些不足之处：一方面，当波导内空间探针很密集时，会导致合成电路的性能受影响，如探针间隔离度下降、合成电路的功率容量下降等；另一方面，包含高密度探针的同轴波导在工艺实现上也将出现困难，不利于进一步增加功率合成路数。一种类似矩形波导的基片集成波导(SIW)，是由上下两层金属面、中间的填充介质以及左右两排金属化通孔构成。上下面的金属层构成了波导的宽边，两排金属孔构成了波导的窄边，电磁波在介质基片上下金属面和两排金属化通孔所围成的矩形区域内，以类似于介质填充矩形波导中的场模式传输。该基片集成波导(SIW)是将传统波导结构集成在基片中，或在介质基片中形成类波导结构，是一种介质填充波导结构。基片集成波导的最低工作频率或截止频率主要由两排金属化通孔的间距W确定；与普通金属波导不同的是，基片集成波导的两窄边不是理想的电壁，而是由两排金属化通孔构成的近似电壁。当波导中传输微波信号时，在波导表面将产生表面电流，而构成基片集成波导两窄边的两排金属化通孔间存在缝隙，如果金属化通孔间的缝隙切断了表面电流，就会产生导致微波能量泄漏的辐射，能量的泄漏会增大传输衰减。这种能量的泄漏主要由金属化通孔之间的缝隙决定。针对SIW可以设计多种功分/合成电路用于功率合成中，该类合成电路的优点在于易与微带电路及有源放大器集成，可在更小的空间内实现多路的功率合成。但是当SIW工作在毫米波频段时，一方面由于频率上升，使介质损耗增大；另一方面，SIW上下两层金属内表面不能进行表面电镀处理，也就无法减小导体损耗。因此,SIW结构的功率合成电路在毫米波频段并不适用。近年来，空间功率合成技术蓬勃发展，合成方式也多种多样，具有代表性的如:波导内合成、开槽波导合成、径向波导合成、链式合成等等。空间功率合成网络多采用矩形波导作为射频信号主传输线，设计两路/多路功率合成电路完成射频功率合成。受限于毫米波频段矩形波导尺寸，功放芯片的堆叠多采用双面结构，空间利用率有限，而且毫米波脉冲功率放大器通常工作在窄脉宽、高峰值功率状态下，对功放的小型化提出了非常明确的需求。现有的双面堆叠技术空间利用率有限，极大地限制了毫米波脉冲功放的体积。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种具有体积小、功率密度大，空间利用率高，阻抗匹配，工作频带更宽，合成效率高，能够达到同等功率合成规模时，减小毫米波功放体积的毫米波高密度空间功率合成网络。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种毫米波高密度空间功率合成网络，包括；矩形波导窄边3dB耦合器、标准波导宽边T型功率合成器和扁波导宽边微带插入式双探针过渡，其特征在于：矩形波导窄边3dB耦合器将输出波导分为上下对称的主波导与耦合波导的两层标准波导，每一层标准波导分别通过标准波导T型功率合成器变为左右对称传输的扁波导，扁波导分别以两层扁波导宽边的中心为对称线，将面对面的双微带探针插入扁波导腔内，形成微带探针插入两层串联标准波导的四层扁波导腔，矩形波导窄边3dB耦合器与扁波导宽边插入式双探针过渡，将射频输入信号合成为4层更高密度电路形式的功率合成网络。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

功率密度大，空间利用率高，体积小。本发明采用波导窄边开窗形式的3dB耦合器，可以将输出波导分成上下两层的主波导与耦合波导，提升了高度空间利用率。将矩形波导窄边3dB耦合器与扁波导宽边插入式双探针过渡相结合，实现了4层更高密度的功率合成网络。相比于现有的单面/双面电路形式，具有更高的合成电路密度，理论上可将现有毫米波功放体积缩减一半。此外，波导窄边的缩减还可以为功率合成网络带来总长度减小的好处；扁波导宽边插入式双探针的使用，在实现波导—微带电路信号耦合传输的同时实现了等幅同相的两路功率合成，有效地利用了合成电路的长度与高度空间。

阻抗匹配，工作频带更宽。标准矩形波导—扁波导宽边T型功分器将主波导与耦合波导再分为两路窄边压缩的非标分支波导，宽边T型功分器的两个分支波导采用串联特性阻抗关系获得良好的阻抗匹配，因此窄边压缩后的非标波导与主波导间具备更好的阻抗匹配，工作频带更宽。

合成效率高，能够达到同等功率合成规模时，减小毫米波功放体积。本发明采用波导窄边3dB耦合器替代目前常用的宽边3dB耦合器，并借助具有宽频带特性的标准波导—矩形扁波导T型功率合成器与扁波导宽边插入式双探针过渡，将合成电路由目前的双面扩展为4层形式，较好地弥补了准光功率合成技术和自由空间功率合成技术的不足；具有系统合成效率较高，带宽性能好，有效地防止了辐射损耗，具有良好的散热性能，易于小型化，结构简单易实现等优点，进一步突破了毫米波空间功率合成网络空间利用率的瓶颈，同时，它可以不受工作频率及波导尺寸的限制，工作于微波、毫米波以及更高的亚毫米波频段，有效地解决了在更高频段实现高功率输出的难题。

插入损耗低。本发明采用矩形波导窄边3dB耦合器将输出波导分为上下对称的主波导与耦合波导的两层标准波导，再采用标准波导串联左右拉升的两路扁波导变为四路。由于整个结构的对称性，可以确保每一路信号的幅度与相位均一致。插入双探针后，虽然使波导内电场产生了巨大的改变，但其电场分布仍然保持以双探针的中心对称。每个探针处电场分布相同，这就确保了每个探针从波导中耦合的能量相等，这种波导功分器由于结构以及电场分布的对称性，可使能量均分到每一个探针，确保每一个端口功率平均分配而且相位相同。仿真结果表明：这种空间功率分配/合成器具有频带宽、损耗低、一致性好等优点。测试结果表明：在8mm频段，这种毫米波高密度功率合成网络具有较低的插入损耗，插入损耗低于0.5dB。本发明适用于毫米波及亚毫米波频段，便于与MMIC芯片集成的高密度空间功率合成。

附图说明

图1是本发明毫米波高密度空间功率合成网络的原理框图。

图2是图1功率合成网络的三维结构示意图。

图3是图2俯视图。

图4是图3的左视图。

图5是图1空间功率合成网络的单层结构示意图。

图中：1输出波导端口，2微带传输线输入端口，3吸收波导端口，4主波导，5耦合波导，6公共窄边壁，7开口，8下陷台阶槽，9扁波导，10台阶凹槽，11波导短路面，12微带双探针，13高阻抗短截线，14微带50欧姆传输线，15开窗，16扁波导宽边。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1描述的毫米波高密度空间功率合成网络，包括了：矩形波导窄边3dB耦合器，扁波导—标准波导宽边T型功率合成器，扁波导宽边—微带插入式双探针过渡三部分，其中，矩形波导窄边3dB耦合器将输出波导分为上下对称的主波导与耦合波导的两层标准波导，每一层标准波导分别通过标准波导T型功率合成器变为左右对称传输的扁波导，两层标准波导以扁波导宽边的中心为对称线，将面对面的双微带探针插入扁波导腔内，形成微带探针插入两层串联标准波导的四层扁波导腔。最终，两层标准波导串联的矩形波导窄边3dB耦合器合成为8路电路形式的功率合成网络。

功率合成网络工作时，单路功率放大器输出射频信号从八个微带传输线输入端口2分别输入，经由扁波导宽边—微带插入式双探针沿耦合窗插入扁波导进行信号耦合，实现射频信号至扁波导内的传输，再经由扁波导—标准波导宽边T型功率合成器将信号合成至两个对称的标准波导中，最终，采用矩形波导窄边3dB耦合器将射频信号合成至输出波导端口1。整个功率合成网络具体的功率合成路线为：位于波导开窗15位置的多层堆叠微带传输线输入端口2，通过50欧姆传输线14、高阻抗短截线13和微带双探针12分层进入扁波导9，经主波导4、耦合波导5，沿开口7与公共窄边壁6，传输到输出波导端口1进行功率合成。

参阅图2-图4。整个毫米波高密度空间功率合成网络由至少四层合成电路构成，每层两个支路，每个支路分别制有输出波导端口1和吸收波导端口3，以及相连微带传输线输入端口2的主波导4与耦合波导5。标准波导T型功分器扁波导宽边将主波导4与耦合波导5再分为两路窄边压缩的非标分支波导。吸收波导端口3用于主波导4与耦合波导5反射信号同相叠加后的接收，从而达到各端口间相互隔离的目的。

矩形波导窄边3dB耦合器采用在平行的两个波导公共窄边壁6上形成开口7，并借助开口7区域相对另外两个波导窄边壁上、下两端中部上的下陷台阶槽8，共同实现输出波导端口1至主波导4和耦合波导5的信号传输。扁波导—标准波导宽边T型功率合成器以三个波导交界处的台阶凹槽10为对称中心，将左右两边的扁波导9拉伸形成两路功率合成支路，再分别与左右两边的主波导4和耦合波导5一起构成“T”字外形的两路功率合成网络。扁波导9与主波导4和耦合波导5构成的三个波导交接位置的台阶凹槽10用于抵消波导不连续性带来电抗的同时起到阻抗匹配作用；波导宽边—微带插入式双探针过渡以扁波导宽边16的中心为对称线，分别在扁波导9两端的距离波导短路面11约四分之一波导波长的位置，面对面地将微带双探针12插入扁波导9内，经一段高阻抗短截线13抵消双探针12带来的不连续性电抗，最终在微带传输线输入端口2完成与微带50欧姆传输线14的阻抗匹配。

射频信号以电磁场的方式存在于毫米波高密度空间功率合成网络中。射频信号从八个微带传输线输入端口2进入合成网络，经由微带50欧姆传输线14与高阻抗短截线13传输至微带双探针12。将微带双探针12从位于扁波导9宽边上的开窗15垂直插入，面对面地分布在扁波导宽边16中心线的两侧，通过辐射耦合将射频信号以电磁场的方式合成至了扁波导9中；将左右对称的两个扁波导9与主波导4，耦合波导5延伸相连形成“T”字形功率合成网络，借助主波导4与耦合波导5公共窄边壁6上的开口7，以及开口7区域另外两个侧壁上的下陷台阶槽8，共同完成了射频信号在输出波导1的最终合成输出。

为了与其它器件相连，实现射频信号的理想合成与传输，功率合成网络的各个端口均需进行阻抗匹配，其中，微带传输线输入端口2的匹配通过距离微带双探针12约为中心频率1/4波长的波导短路面11，以及微带双探针12与微带50欧姆传输线14之间的高阻抗短截线13来实现输出波导1的阻抗匹配，通过开口7，下陷台阶槽8，吸收波导端口3，以及扁波导9与主波导4，耦合波导5交接处的台阶凹槽10共同完成。

参阅图5。每一层合成电路分别通过标准波导T型功率合成器以主波导4端面的台阶凹槽10为中心，将主波导4分为两路左右对称串联的窄边压缩的扁波导9，两个微带传输线输入端口2对称分布在左右对称串联的扁波导9上，并相邻扁波导9末端上的波导短路面11，微带双探针12沿微带传输线输入端口2轴向顺次连接高阻抗短截线13和微带50欧姆传输线14。

Claims (10)

1.一种毫米波高密度空间功率合成网络，包括：矩形波导窄边3dB耦合器、标准波导宽边T型功率合成器和扁波导宽边微带插入式双探针过渡，其特征在于：矩形波导窄边3dB耦合器将输出波导分为上下对称的主波导与耦合波导的两层标准波导，每一层标准波导分别通过标准波导T型功率合成器变为左右对称传输的扁波导，扁波导分别以两层扁波导宽边的中心为对称线，将面对面的双微带探针插入扁波导腔内，形成微带探针插入两层串联标准波导的四层扁波导腔，矩形波导窄边3dB耦合器与扁波导宽边插入式双探针过渡，将射频信号合成为4层更高密度电路形式的功率合成网络。

2.如权利要求1所述的毫米波高密度空间功率合成网络，其特征在于：标准矩形波导—扁波导宽边T型功分器将主波导与耦合波导再分为两路窄边压缩的非标分支波导，宽边T型功分器的两个分支波导采用串联特性阻抗关系获得阻抗匹配。

3.如权利要求1所述的毫米波高密度空间功率合成网络，其特征在于：空间功率合成网络由至少四层合成电路构成，每层两个支路，每个支路分别制有输出波导端口(1)和吸收波导端口(3)，以及相连微带传输线输入端口(2)的主波导(4)与耦合波导(5)。

4.如权利要求1所述的毫米波高密度空间功率合成网络，其特征在于：功率合成网络工作时，单路功率放大器输出射频信号从八个微带传输线输入端口(2)输入，在波导某一截面沿径向插入多个探针来实现波导到探针过渡，同时将信号耦合到波导外的有源放大器件，经放大后的信号再通过功率合成器内探针阵列耦合到扁波导内，探针沿耦合窗插入扁波导进行信号耦合，实现功率分配和扁波导内空间功率合成，最终合成至输出波导端口(1)输出空间合成功率。

5.如权利要求1所述的毫米波高密度空间功率合成网络，其特征在于：矩形波导窄边3dB耦合器采用在平行的两个波导公共窄边壁(6)上形成开口(7)，并借助开口(7)区域相对另外两个波导窄边壁上、下两端中部上的下陷台阶槽(8)，共同实现输出波导端口(1)至主波导(4)和耦合波导(5)的信号传输。

6.如权利要求1所述的毫米波高密度空间功率合成网络，其特征在于：扁波导—标准波导宽边T型功率合成器以三个波导交界处的台阶凹槽(10)为对称中心，将左右两边的扁波导(9)拉伸形成两路功率合成支路，再分别与左右两边的主波导4和耦合波导(5)一起构成“T”字外形的两路功率合成网络。

7.如权利要求1所述的毫米波高密度空间功率合成网络，其特征在于：扁波导(9)与主波导(4)和耦合波导(5)构成的三个波导交接位置的台阶凹槽(10)，用以抵消波导不连续性带来电抗的同时起到阻抗匹配作用。

8.如权利要求1所述的毫米波高密度空间功率合成网络，其特征在于：波导宽边—微带插入式双探针过渡以扁波导宽边(16)的中心为对称线，分别在扁波导(9)两端的距离波导短路面11四分之一波导波长的位置，面对面地将微带双探针(12)插入扁波导(9)内，经一段高阻抗短截线(13)抵消双探针(12)带来的不连续性电抗，并在微带传输线输入端口(2)完成与微带50欧姆传输线14的阻抗匹配。

9.如权利要求1所述的毫米波高密度空间功率合成网络，其特征在于：射频信号从八个微带传输线输入端口(2)进入合成网络，经由微带50欧姆传输线(14)与高阻抗短截线(13)传输至微带双探针(12)。

10.如权利要求1所述的毫米波高密度空间功率合成网络，其特征在于：微带双探针(12)从位于扁波导(9)宽边上的开窗(15)垂直插入，面对面地分布在扁波导宽边(16)中心线的两侧，通过辐射耦合将射频信号以电磁场的方式合成至扁波导(9)中；左右对称的两个扁波导(9)与主波导(4)，通过耦合波导(5)延伸相连形成“T”字形功率合成网络，借助主波导(4)与耦合波导(5)公共窄边壁(6)上的开口(7)，以及开口(7)区域另外两个侧壁上的下陷台阶槽(8)，共同完成了射频信号在输出波导(1)的最终合成输出。