CN109921163B - 一种Ka全频段功率合成放大器模块及其波导路径结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种Ka全频段功率合成放大器模块及其波导路径结构，所述波导路径结构包括与所述功率合成放大器模块输入信号或输出信号连接的第一波导路径、从第一波导路径末端分别向纵向两侧对称延伸形成的第二波导路径，以及分别从两段第二波导路径末端横向沿着信号传递方向向前对称延伸形成的第三波导路径；上述波导路径在各段交界处形成空腔通道截面变小的狭窄部。所述功率合成放大器模块显著拓展了波导传输信号的带宽，实现了26.5GHz‑40GHz全带宽的功率分配与合成，同时实现了放大器结构的小型化。

Description

一种Ka全频段功率合成放大器模块及其波导路径结构

技术领域

本发明涉及微波通信技术领域中的功率放大器，尤其是涉及一种Ka全频段功率合成放大器结构。

背景技术

Ka波段是电磁频谱的微波波段的一部分，其频率范围为26.5-40GHz，其波长位于毫米波段。毫米波功率放大器是毫米波系统中的关键器件，如何提高毫米波固态功放的输出功率与工作效率，一直是国内外相关学者的研究热点。

由于单个MMIC(单片微波集成电路)的输出功率有限，因此在实际应用中需要将若干个功率单元组合来提高功率输出。毫米波段的功率合成主要通过金属波导和平面微带电路的多种组合方式实现。中国专利文献CN108091970A公开了一种Ka波段宽带大功率放大器，其采用了波导功分器，包括波导ET和波导四路功率分配器，能够有效减少合成损耗，且功率放大器模块采用波导输出形式，能够直接与波导功率合成器进行连接，简化了放大器的整体结构。

然而，上述文献公开的功率放大器结构其整个合成网络结构的尺寸仍然较大。同时，其有耗合成网络属于一个窄带系统，无法实现全波段覆盖，如果要提高其工作带宽，需要增加相关网络的支节数，必然会进一步增加整个合成网络的体积。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种Ka全频段小型化功率合成放大器模块及其波导路径结构，以解决现有Ka波段有耗合成网络合成效率低、体积较大的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种波导路径结构，用于构造功率合成放大器模块的输入波导功率分配单元和/或所述输出波导功率合成单元，所述波导路径结构为一空腔通道，包括与所述功率合成放大器模块输入信号或输出信号连接的第一波导路径、从第一波导路径末端分别向纵向两侧对称延伸形成的第二波导路径，以及分别从两段第二波导路径末端横向沿着信号传递方向向前对称延伸形成的第三波导路径；上述波导路径在各段交界处形成空腔通道截面变小的狭窄部。

进一步地，第一波导路径末端具有一截面突然收缩的环形第一狭窄部，第一波导路径通过该第一狭窄部与第二波导路径连接。

进一步地，所述第二波导路径在其相对第一波导路径的另一侧中间位置形成有向第一波导路径方向凹陷的大致V型的凹槽，该V型凹槽使得第二波导路径在该处形成截面突然收缩的第二狭窄部。

进一步地，所述第二波导路径在其向纵向两侧延伸的方向上具有截面逐渐展宽的结构。

进一步地，所述第二波导路径纵向左侧的外轮廓线与所述第一波导路径的外轮廓线夹角小于90度。

进一步地，所述第二波导路径与第三波导路径形成的拐角外侧形成斜切部。

进一步地，所述功率合成放大器模块包括能够相互组合的金属上盖和金属下盖，上盖和下盖内表面分别对应形成有槽道，所述空腔通道由上盖和下盖的槽道组合而成；其中，所述槽道具有与所述狭窄部互补的结构。

进一步地，所述互补结构为凸岛、尖角、斜面中的至少一种。

本发明还提供了一种Ka全频段功率合成放大器模块，包括金属上盖、金属下盖以及印刷基板，所述印刷基板容置在由所述上盖和下盖组成的盒体内；其中，所述印刷基板信号输入端与输入波导功率分配单元连接，信号输出端与输出波导功率合成单元连接；所述输入波导功率分配单元、输出波导功率合成单元包括上述方案任一项所述的波导路径结构。

进一步地，所述印刷基板上设有多个功率放大芯片，所述上盖和/或下盖内部设有用于隔离相邻功率放大芯片的金属屏蔽墙。

由于采用上述方案，相对于现有技术，本发明具有如下技术效果：

通过采用一系列特殊形状的金属腔体结构构造输入/输出波导功率单元，实现了26.5GHz-40GHz全带宽的功率分配与合成，并结合相关的PCB结构实现高效率的功率合成。同时，通过上下金属盖板和PCB整体组装，实现放大器结构的小型化。

附图说明

图1.是根据本发明实施例的功率合成放大器模块整体结构示意图；

图2.是图1中功率合成放大器模块的内部链路结构示意图；

图3.是根据本发明的功率合成放大器模块盖体结构示意图；

图4.是根据本发明的构成波导路径结构的上/下盖槽道结构示意图；

图5.是根据本发明的功率合成放大器模块的仿真输入输出驻波图；

图6.是根据本发明功率合成放大器模块的仿真背靠背插损图；

图7.是根据本发明的功率合成放大器模块的1分4单边插损图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行更加详细地描述。

以下针对本发明的描述中，“横向”指功率合成放大器模块的信号输入输出方向，“纵向”指与功率合成放大器模块的信号输入输出方向正交的方向；“向前”指对于功率合成放大器模块整体而言与信号的输入输出流向一致、“向后”则与该流向相反；“内侧”指靠近功率合成放大器模块整体中心的一侧，“外侧”靠近功率合成放大器模块整体外围的一侧；“水平面”指与功率合成放大器模块上盖或下盖内表面平行的平面。

图1为本发明提供的Ka全频段小型化功率合成放大器模块整体结构。由图1(a)可见，该功率合成放大器模块包括上盖8、下盖10以及射频与芯片供电基板9。所述上盖8与下盖10盖合后组成用于容置所述射频与芯片供电基板9的盒体。所述功率合成放大器组装后的外部形状如图1(b)所示，该模块整体尺寸在73mm*64mm*4mm范围内，与现有产品相比，装置体积明显减小，实现了小型化。

下面参照图2，详细介绍该功率合成放大器模块的内部链路结构。

如图所示，所述功率合成放大器模块包括输入波导功率分配单元1、输入波导微带转换单元2、输入微带功率分配单元3、功率放大芯片4、输出微带功率合成单元5、输出微带波导转换单元6、输出波导功率合成单元7，上述单元按照信号输入输出顺序依次连接。

根据本发明的实施例，所述输入波导功率分配单元1为两路功率分配单元，对应地，所述输出波导功率合成单元7也为两路功率合成单元。所述输入波导功率分配单元1的每一路功率分配单元与所述输出波导功率合成单元7的每一路功率合成单元之间分别连接一所述射频与芯片供电基板9。

具体地，所述输入波导微带转换单元2、输入微带功率分配单元3、功率放大芯片4、输出微带功率合成单元5、输出微带波导转换单元6设置在所述射频与芯片供电基板9上。其中，所述输入波导功率分配单元1的每一路功率分配单元的输出端与所述射频与芯片供电基板9上的输入波导微带转换单元2连接；所述输出波导功率合成单元7的每一路功率合成单元的输入端与所述射频与芯片供电基板9上的输出微带波导转换单元6连接。

对于每个所述射频与芯片供电基板9，所述输入微带功率分配单元3也为两路功率分配单元，对应地，所述输出微带合成单元5为两路功率合成单元。所述输入微带功率分配单元3的每一路功率分配单元与所述输出微带合成单元5的每一路功率合成单元之间分别连接一所述功率放大芯片4。

由此可见，在本发明的实施例中，所述输入波导功率分配单元1、输入波导微带转换单元2、输入微带功率分配单元3共同组成了一个一分四的功率分配器，所述输出微带功率合成单元5、输出微带波导转换单元6、输出波导功率合成单元7共同组成了一个四合一的功率合成器。输入信号经过所述功率分配器分配给四个功率放大芯片4分别进行功率放大，各功率放大芯片4输出的功率放大信号经所述功率合成器合成后，输出最终的功率放大信号。

根据优选的实施方式，所述功率放大芯片4布置在所述功率合成放大器模块的纵向中心线L1上，所述功率分配器与所述功率合成器相对于该纵向中心线镜像对称。

根据优选的实施方式，所述输入波导功率分配单元1、所述输出波导功率合成单元7均具有相对于所述功率合成放大器模块的横向中心线L2的轴对称结构，两个所述射频与芯片供电基板9相对于该横向中心线L2对称布置。

所述射频与芯片供电基板9具有“王”字形外轮廓，包括由一连接板连接成为整体的三条平行基板。所述输入波导微带转换单元2、输入微带功率分配单元3、功率放大芯片4、输出微带功率合成单元5、输出微带波导转换单元6沿三条平行基板的长度方向布置在中间基板上。

所述输入波导微带转换单元2、输出微带波导转换单元6为分别形成在所述中间基板两端附近的转换探针。所述转换探针由形成在基板上的印刷电路构成。为提高信号传输效果，所述转换探针可由石英介质基板微带探针构成。

所述输入微带功率分配单元3、所述输出微带功率合成单元5均由形成在基板上的印刷电路构成。所述输入微带功率分配单元3输入端连接所述输入波导微带转换单元2，分路输出端连接所述功率放大芯片4输入端；所述输出微带功率合成单元5输入端连接所述功率放大芯片4输出端，合路输出端连接所述输出微带波导转换单元6输入端。

所述功率放大芯片4为频率范围26.5GHz-40GHz GAN功率放大芯片，其射频输入端通过金丝与所述输入微带功率分配单元3输出端键合，输出端通过金丝与所述输出微带功率合成单元5输入端键合。

优选地，所述功率放大芯片4设有多个用于消除电源干扰的旁路滤波电容。该电容设置在上盖或下盖内形成的电容安装孔中，其引脚从电容安装孔中穿出，与所述射频与芯片供电基板9的供电单元连接。或者根据本发明另外的实施例，所述电容被安装在上盖或下盖的外侧壁上，这种结构可以避免破坏波导与微带过渡所需要的封闭条件。

所述输入波导功率分配单元1、所述输出波导功率合成单元7结构相同，下面以输入波导功率分配单元1为例，对上述两单元的结构进行说明。

所述输入波导功率分配单元1为一空腔通道，该空腔通道的截面可以是方形、圆形、椭圆等形状。如图2所示，该输入波导功率分配单元1包括三段波导路径，分别为与输入信号连接的第一波导路径、从第一波导路径末端分别向纵向两侧对称延伸形成的第二波导路径，以及分别从两段第二波导路径末端横向向前对称延伸形成的第三波导路径。因此，第一波导路径与两段第二波导路径形成T型构造，两段第二波导路径与两段第三波导路径形成U型构造。

其中，所述第一波导路径末端具有一截面突然收缩的环形第一狭窄部，第一波导路径通过该第一狭窄部与第二波导路径连接。

进一步地，所述第二波导路径在其相对第一波导路径的另一侧中间位置形成有向第一波导路径方向凹陷的大致V型的凹槽，该V型凹槽使得第二波导路径在该处形成截面突然收缩的第二狭窄部。其中，该第二狭窄部具有相对所述输入波导功率分配单元1的横向中心线对称的结构。

更进一步地，所述第二波导路径在其向纵向两侧延伸的方向上具有截面逐渐展宽的结构。其中，所述第二波导路径纵向左侧的外轮廓线与所述第一波导路径的外轮廓线夹角小于90度，使得该左侧外轮廓线与其右侧外轮廓线之间的间距沿纵向逐渐增大。在本发明的实施例中，第二波导路径的所述右侧外轮廓线与所述第一波导路径的外轮廓线基本垂直。更优选地，所述第二波导路径与第三波导路径形成的拐角外侧形成斜切部，该斜切部使得所述第二波导路径、所述第三波导路径在该拐角位置的截面减小。

本发明通过在上述位置设置波导路径的截面变化结构，显著地拓展了从所述波导传输信号的带宽。

根据本发明的实施例，所述输入波导功率分配单元1、所述输出波导功率合成单元7均通过上下两层金属结构件组合而成。其中，上层金属结构件形成在上盖8内表面，下层金属结构件形成在下盖9内表面，上下层金属结构件具有镜像对称结构。

具体而言，如图3所示的上盖或下盖内部结构，所述金属结构件为形成在所述上盖8和下盖9内表面上相互连通的第一槽道11、第二槽道12、第三槽道13。当上盖和下盖盖合为一体时，上下盖对应的槽道组合形成空腔结构，该空腔结构分别构成所述输入波导功率分配单元1以及所述输出波导功率合成单元7。

所述上盖8、下盖10采用铝合金、黄铜等材料制成，表面可镀金或镍金。

根据本发明优选的实施方式，所述金属结构件，即槽道结构，可以采用机械加工、印刷、涂覆、沉积、刻蚀等工艺成型在所述盖体上。

下面参照图4，图4(a)示出了设置在上盖或下盖内表面上，用于形成所述输入波导功率分配单元1、所述输出波导功率合成单元7波导路径的槽道结构。由于形成所述输入波导功率分配单元1、所述输出波导功率合成单元7的槽道结构相同，下面以输入波导功率分配单元1为例，对形成上述两单元的槽道结构进行说明。

所示槽道结构包括与输入信号(对应输出波导功率合成单元7为输出信号)连接的第一槽道11、从第一槽道11末端分别向纵向两侧对称延伸形成的第二槽道12，以及分别从两段第二槽道12末端横向向前(对应输出波导功率合成单元7为向后)对称延伸形成的第三槽道13。因此，第一槽道11与两段第二槽道12形成T型构造，两段第二槽道12与两段第三槽道13形成U型构造。

其中，为形成所述第一波导路径的第一狭窄部，所述第一槽道11末端具有一半环形凸岛结构14。如图4(b)所示，该凸岛结构14具有基本为平面的顶面，该顶面的横向宽度L1为1-2mm；凸岛结构14的高度H1，也即顶面与第一槽道11槽底的距离在0,2-1.5mm范围内；所述凸岛结构14一侧面为与第一槽道11内表面连接的弧形面，另一侧面与所述第二槽道12的内表面共面。其中，凸岛结构14的顶面与所述另一侧面之间的夹角θ₁小于90°，优选在80°到90°之间。所述凸岛结构14能够使输入端与标准波导阻抗匹配，使入口处电场线变密，从而拓展了工作带宽。

进一步地，如图4(d)所示，为形成所述第二波导路径的第二狭窄部，所述第二槽道12在中间位置形成有从槽道内壁向内突出的尖角15。该尖角15具有大致倒V型截面，其两侧面底部分别与沿纵向向两侧延伸的第二槽道12内表面以弧形面过渡连接。所述两侧面形成的夹角θ2在10°到20°范围内；所述尖角15相对于第二槽道内表面的突起高度L2为2-5mm。通过设置所述尖角15，可以实现更好的阻抗匹配，并对优化带宽、平衡输出功分比都起到了积极的效果。

更进一步地，如图4(c)所示，所述第二槽道12与第三槽道在两者形成的外拐角部通过一斜面16连接，以俯视所述上盖或下盖内表面的角度观察，即在所述槽道结构的水平截面上，该斜面与第二槽道12外侧轮廓线形成的夹角θ3在120°到150°范围内，该斜面与第三槽道13外侧轮廓线反向延长线形成的夹角θ4在30°到50°范围内。通过设置上述结构，实现了与输出端标准波导口阻抗匹配，通过波导路径的渐变过渡结构，起到了拓展工作带宽的作用。

本发明通过在槽道结构的上述位置设置凸岛结构14、尖角15以及斜面16，并对上述结构的形状参数进行选择，可以显著拓展由上述槽道形成的波导路径传输信号的带宽。

所述输入波导功率分配单元1的上下层金属结构件在输出端与所述输入波导微带转换探针2接触，构成输入波导微带转换器。优选地，所述输入波导功率分配单元1的上下层金属结构件分别位于所述输入波导微带转换探针2两侧。

所述输出波导功率合成单元7的上下层金属结构件在输入端与所述输出微带波导转换探针6接触，构成输出微带波导转换器。优选地，所述输出波导功率合成单元7的上下层金属结构件分别位于所述输出微带波导转换探针6两侧。

参照图3，所述上盖8、下盖10一方具有定位孔，另一方面具有定位销钉，用于方便组装时进行定位，提高组装效率。上下盖体利用螺钉等紧固件组合到一起，方便功率放大器模块的拆卸与调配。

所述上盖8或下盖10内表面还设有用于形成容纳所述射频与芯片供电基板9及其上元器件的容置腔室。采用这种结构可以将上盖或下盖中不用于形成腔室的一方独立出来，最后进行装配，从而简化了模块的组装工艺。

根据本发明另外的实施方式，在所述上盖8和下盖10内表面对称形成通道，当上盖8与下盖10盖合时，上下通道组合形成用于容纳所述射频与芯片供电基板9及其上元器件的腔室。采用这种结构可以进一步降低模块高度，提高模块化小型化程度。

所述容置腔室还设有用于对相邻功率放大芯片4进行隔离的金属屏蔽墙20。该金属屏蔽墙20从第二通道底面突出，向上穿过所述射频与芯片供电基板9，射频与芯片供电基板9于两相邻功率放大芯片4之间设有供所述金属屏蔽墙20伸出的开口。根据优选的实施方式，所述金属屏蔽墙20一体形成在上盖或下盖上，或者由分别形成在上盖和下盖上的半墙组合而成。本发明通过在功率放大芯片4之间设置金属屏蔽墙，增加了芯片间的隔离度。

下面介绍本发明提供的Ka全频段功率合成放大器模块的工作原理。输入波导功率分配单元1将输入信号均等分配成两路输出信号，再经由输入波导微带转换单元2将波导输出的场信号转换成路信号，输入微带功率分配单元3将一路射频信号均等分配成两路输出信号输入功率放大器芯片4，由功率放大芯片4将输入的低功率射频信号进行放大，并输出高功率的射频信号，输出微带功率合成单元5将输入的射频信号合成一路大功率信号输出，经输出微带波导转换单元6进行信号转换后，再由输出波导功率合成单元7将两路信号合成输出。

图5-7示出了采用本发明的功率合成器无源网络的仿真结果。根据仿真结果，输入输出驻波都小于2，单边的最大插损耗为0.7114dB，背靠背网络插损最大处为1.537dB，实测26.5GHz-40GHz带内插损都低于2dB。

此外，根据本发明的实施例，所述功率放大芯片4的输出功率为40dBm，4片功率放大芯片与上述4路功率合成器结合，可以组成具有44.5dBm连续波功率输出能力的功率放大器模块。

Claims (3)

1.一种Ka全频段功率合成放大器模块，包括金属上盖、金属下盖以及印刷基板，所述印刷基板容置在由所述上盖和下盖组成的盒体内；其中，所述印刷基板信号输入端与输入波导功率分配单元连接，信号输出端与输出波导功率合成单元连接；所述输入波导功率分配单元、输出波导功率合成单元包括波导路径结构，所述波导路径结构为一空腔通道，包括与所述功率合成放大器模块输入信号或输出信号连接的第一波导路径、从第一波导路径末端分别向纵向两侧对称延伸形成的第二波导路径，以及分别从两段第二波导路径末端横向沿着信号传递方向向前对称延伸形成的第三波导路径；其特征在于：

第一波导路径末端具有一截面突然收缩的环形第一狭窄部，第一波导路径通过该第一狭窄部与第二波导路径连接；

所述第二波导路径在其相对第一波导路径的另一侧中间位置形成有向第一波导路径方向凹陷的大致V型的凹槽，该V型凹槽使得第二波导路径在该处形成截面突然收缩的第二狭窄部；

所述功率合成放大器模块包括能够相互组合的金属上盖和金属下盖，上盖和下盖内表面分别对应形成有槽道，所述空腔通道由上盖和下盖的槽道组合而成；其中，所述槽道具有与所述第一狭窄部、第二狭窄部互补的结构；

所述槽道包括与输入信号连接的第一槽道、从第一槽道末端分别向纵向两侧对称延伸形成的第二槽道，以及分别从两段第二槽道末端横向向前对称延伸形成的第三槽道；

其中，所述第一槽道末端具有一半环形凸岛结构，以形成所述第一波导路径的第一狭窄部，该凸岛结构具有基本为平面的顶面，该顶面的横向宽度为1-2mm，凸岛结构顶面与第一槽道槽底的距离为0.2-1.5mm，凸岛结构一侧面为与第一槽道内表面连接的弧形面，另一侧面与第二槽道的内表面共面，凸岛结构的顶面与所述另一侧面之间的夹角小于90°；

所述第二槽道在中间位置形成有从槽道内壁向内突出的尖角，以形成所述第二波导路径的第二狭窄部，该尖角具有大致倒V型截面，其两侧面底部分别与沿纵向向两侧延伸的第二槽道内表面以弧形面过渡连接，所述两侧面形成的夹角在10°到20°范围内，所述尖角相对于第二槽道内表面的突起高度为2-5mm；

所述第二槽道与第三槽道在两者形成的外拐角部通过一斜面连接，以俯视所述上盖或下盖内表面的角度观察，该斜面与第二槽道外侧轮廓线形成的夹角在120°到150°范围内，该斜面与第三槽道外侧轮廓线反向延长线形成的夹角在30°到50°范围内；

所述印刷基板上设有多个功率放大芯片，所述上盖和/或下盖内部设有用于隔离相邻功率放大芯片的金属屏蔽墙；所述功率放大芯片设有多个用于消除电源干扰的旁路滤波电容，所述电容被安装在所述上盖或下盖的外侧壁上。

2.根据权利要求1所述的Ka全频段功率合成放大器模块，其特征在于：所述第二波导路径在其向纵向两侧延伸的方向上具有截面逐渐展宽的结构。

3.根据权利要求1所述的Ka全频段功率合成放大器模块，其特征在于：所述第二波导路径纵向左侧的外轮廓线与所述第一波导路径的外轮廓线夹角小于90度。

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