CN113078882A - 一种18-40GHz功率放大器模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种18‑40GHz功率放大器模块，包括信号输入装置、信号输出装置、功率放大芯片和微带过渡结构，该信号输入装置与该信号输出装置均配置有单脊波导，该微带过渡结构配置有微带过渡探针，该微带过渡探针包括微带传输线、低阻过渡线、高阻线和阶梯状耦合探针，该低阻过渡线与该微带传输线连接，该低阻过渡线、该阶梯状耦合探针分别配置于该高阻线的两端，该微带传输线与该功率放大芯片连接，该阶梯状耦合探针与该单脊波导连接。本发明能够完整覆盖K/Ka频段，适用于要求输入信号频率自适应的设备，降低合成链路的功率损耗，降低高频仿真设计难度。
Description
技术领域
本发明涉及功率放大洗技术领域，具体而言，涉及一种18-40GHz功率放大器模块。
背景技术
18-40GHz频段包含K波段(18-26.5GHz)以及Ka波段(26.5-40GHz)，所涉电磁信号频率已进入毫米波级别，现有标准矩形波导的工作带宽无法完整覆盖18-40GHz。
对于工作频段横跨K波段和Ka波段的部分特殊设备，现有的技术解决方案是利用多种规格的矩形波导进行分段功率合成，并且在输入端加入射频开关进行频率切换，但这对要求输入信号频率自适应的设备不适用；而微带型传输线在工作频率超过18GHz以后传输线损耗较大，受芯片现有制造工艺和基础材料工艺的限制，在18-40GHz频率范围，目前国产大功率放大器芯片单片最大输出功率仅在10W左右，故微带型传输线不适合做毫米波的宽带功率合成；同轴传输线则是由于进入毫米波之后，传输线尺寸变小，高频仿真设计难度大，结构复杂，所以一般也不用于18GHz以上的功率合成。
发明内容
本发明的目的包括提供一种18-40GHz功率放大器模块，其针对18-40GHz功率放大器模块而设计，能够完整覆盖K/Ka频段，适用于要求输入信号频率自适应的设备，降低合成链路的功率损耗，降低高频仿真设计难度。
本发明的实施例通过以下技术方案实现：
一种18-40GHz功率放大器模块，包括信号输入装置、信号输出装置、功率放大芯片和微带过渡结构，该信号输入装置与该信号输出装置均配置有单脊波导，该信号输入装置的单脊波导用于功分输入射频信号，该信号输出装置的单脊波导用于合成经功率放大芯片放大后的射频信号并输出射频信号，该功率放大芯片的输入端通过该微带过渡结构与该信号输入装置的单脊波导连接，该功率放大芯片的输出端通过该微带过渡结构与该信号输出装置的单脊波导连接，该微带过渡结构配置有微带过渡探针，该微带过渡探针包括微带传输线、低阻过渡线、高阻线和阶梯状耦合探针，该低阻过渡线与该微带传输线连接，该低阻过渡线、该阶梯状耦合探针分别配置于该高阻线的两端，该微带传输线与该功率放大芯片连接，该阶梯状耦合探针与该单脊波导连接。
在本发明的一实施例中，还包括从上至下依次层叠的外盖板、上腔体和下腔体，还包括分压电路板，该分压电路板配置于该上腔体。
在本发明的一实施例中，所述下腔体配置有观察槽和芯片安装槽，该观察槽的槽底与该芯片安装槽的槽底位于同一平面。
在本发明的一实施例中，所述阶梯状耦合探针配置有耦合第一阶梯、耦合第二阶梯和耦合第三阶梯，该耦合第一阶梯、该耦合第二阶梯和该耦合第三阶梯的阶梯宽度从大到小依次减小，该耦合第一阶梯与所述高阻线连接。
在本发明的一实施例中，所述耦合第一阶梯、所述耦合第二阶梯和所述耦合第三阶梯均配置为矩形块。
在本发明的一实施例中，所述低阻过渡线的宽度大于所述微带传输线的宽度；所述低阻过渡线的宽度大于所述高阻线宽度。
在本发明的一实施例中，所述下腔体配置有减重槽。
在本发明的一实施例中，所述单脊波导配置为2N路功分/合成结构，N为正整数。
在本发明的一实施例中，所述信号输入装置的输入端口与所述信号输出装置的输出端口皆配置为单脊波导端口。
在本发明的一实施例中，所述信号输入装置的输入端口与所述信号输出装置的输出端口皆还配置有同轴传输探针和同轴连接器，该同轴传输探针与所述单脊波导一体成型，该同轴传输探针插至该同轴连接器。
本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：
本发明实施例设置包括单脊波导和功率放大芯片的功率放大器模块，该单脊波导与功率放大芯片之间采用微带过渡探针过渡，而且本发明实施例的微带过渡探针设置阶梯状耦合探针、高阻线和低阻过渡线结构，通过多级阶梯级联的阶梯状耦合探针和高阻线与微带传输线之间的低阻过渡线实现了在宽带范围内较好的带宽匹配效果，其工作频率完整覆盖了K波段和Ka波段，适用于要求输入信号频率自适应的设备，本发明实施例以单脊波导为核心，结合了具有多级阶梯级联的微带传输线实现了单脊波导-功率放大芯片的功率传输，减小了合成链路的功率损耗，降低高频仿真设计难度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中下腔体的俯视图；
图3为本发明中微带过渡探针的结构示意图；
图4为本发明中的外观示意图；
图5为本发明中输入输出接口为同轴连接器的回波损耗S11图；
图6为本发明中输入输出接口为同轴连接器的驻波VSWR图；
图7为本发明中输入输出接口为单脊波导口的回波损耗S11图；
图8为本发明中输入输出接口为单脊波导口的驻波VSWR图。
图标：11-单脊波导，12-阶梯阻抗变换结构，13-同轴传输探针，14-同轴连接器，15-输入端口，16-输出端口，2-功率放大芯片，3-微带过渡结构，31-微带过渡探针，311-微带传输线，312-高阻线，313-阶梯状耦合探针，313a-耦合第一阶梯，313b-耦合第二阶梯，313c-耦合第三阶梯，314-低阻过渡线，41-外盖板，42-上腔体，43-下腔体，51-观察槽，52-芯片安装槽，53-减重槽。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“配置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参照图1至图4，一种18-40GHz功率放大器模块，包括信号输入装置、信号输出装置、功率放大芯片2和微带过渡结构3，该信号输入装置与该信号输出装置均配置有单脊波导11，该信号输入装置的单脊波导11用于功分输入射频信号，该信号输出装置的单脊波导11用于合成经功率放大芯片2放大后的射频信号并输出射频信号，该功率放大芯片2的输入端通过该微带过渡结构3与该信号输入装置的单脊波导11连接，该功率放大芯片2的输出端通过该微带过渡结构3与该信号输出装置的单脊波导11连接，该微带过渡结构3配置有微带过渡探针31，该微带过渡探针31包括微带传输线311、低阻过渡线314、阶梯状耦合探针313和高阻线312，该低阻过渡线与该微带传输线连接，该低阻过渡线314、该阶梯状耦合探针313分别配置于该高阻线312的两端，该微带传输线311与该功率放大芯片2连接，该阶梯状耦合探针313与该单脊波导11连接。
为了完整覆盖K/Ka频段，适用于要求输入信号频率自适应的设备，降低合成链路的功率损耗，降低高频仿真设计难度，本技术方案设置包括信号输入装置、信号输出装置、功率放大芯片2和微带过渡结构3的功率放大器模块，该信号输入装置和该信号输出装置的结构镜像对称，该信号输入装置和该信号输出装置中均包括用于功率传输的单脊波导11，该信号输入装置的单脊波导11用于功分输入射频信号，该信号输出装置的单脊波导11用于合成经功率放大芯片2放大后的射频信号并输出射频信号，该信号输入装置中的单脊波导11配置为2N路功分结构，该信号输出装置中的单脊波导11配置为2N路合成结构，N为正整数，例如，该信号输入装置中的单脊波导11配置为4路功分结构，该信号输出装置中的单脊波导11配置为4路合成结构。本实施例中，该信号输入装置中的单脊波导11配置为2路功分结构，该信号输出装置中的单脊波导11配置为2路合成结构。本实施例还包括从上至下依次层叠的外盖板41、上腔体42和下腔体43，还包括分压电路板，该分压电路板配置于该上腔体42，该分压电路板用于对所有功率放大芯片2的分压控制和加电时序控制，因为模块内部不止一个功率放大芯片2，而即便是同一个批次的功率放大芯片2也可能在供电电压上存在差异，所以需要对输入电压进行分压，而且固态功率放大器芯片对加电顺序有要求，必须要先加栅极电压，再加漏极电压。本技术方案把分压电路板安装在模块上腔体42，最后仅在外盖板41处预留加电线引出的孔位，模块整体外观规整，便于安装、调试及维修。所述下腔体43配置有观察槽51和芯片安装槽52，该观察槽51的槽底与该芯片安装槽52的槽底位于同一平面。在烧结功率放大芯片2时，将下腔体43放置于加热板，先将焊料放入芯片安装槽52，再将功率放大芯片2放置于芯片安装槽52，利用额外的金属压块压在功率放大芯片2上表面，加热板加热下腔体43底面，该下腔体43被加热后实现焊料的融化，以保障在焊料融化时功率放大芯片2背面能与下腔体43紧密焊接，减少空洞率。由于功率放大芯片2烧结过程中都被金属压块覆盖，常规方式难以观察到功率放大芯片2底部的焊料融化情况，故在功率放大芯片2安装位置的附近，开了一个同等深度的小凹槽，该观察槽51的槽底与该芯片安装槽52的槽底位于同一平面，该下腔体43底面为平整的平面，使得该观察槽51槽底与芯片安装槽52槽底受热情况相同，即当观察槽51与芯片安装槽52中均放入相同的焊料时，在相同的加热时间内，该焊料的融化速率相同。在烧结功率放大芯片2的同时，往观察槽51内放置少量焊料，当观察槽51内焊料完全融化时，也代表功率放大芯片2底部焊料完全融化。
在实施例中，所述阶梯状耦合探针313配置有耦合第一阶梯313a、耦合第二阶梯313b和耦合第三阶梯313c，该耦合第一阶梯313a、该耦合第二阶梯313b和该耦合第三阶梯313c的阶梯宽度从大到小依次减小，即如图3所示，该耦合第一阶梯313a、该耦合第二阶梯313b和该耦合第三阶梯313c的阶梯宽度大小顺序为d3>d2>d1，该耦合第一阶梯313a与所述高阻线312连接。所述耦合第一阶梯313a、所述耦合第二阶梯313b和所述耦合第三阶梯313c均配置为矩形块。高阻线312一端与耦合第一阶梯313a连接，高阻线312另一端与低阻过渡线314连接，如图3所示，耦合第一阶梯313a与高阻线312的宽度大小顺序为：d3>d4。所述低阻过渡线314的宽度大于所述微带传输线311的宽度；所述低阻过渡线314的宽度大于所述高阻线312宽度，即如图3所示，该低阻过渡线314和该高阻线312的宽度大小顺序为d5>d4。现有技术中，功率放大芯片2与波导传输线是通过微带探针过渡的，而这种过渡探针主要分为3部分，如图3所示，标号311为50Ω微带传输线311；标号312为高阻线；标号313为耦合探针，波导的端口等效阻抗一般在几百欧，功率放大芯片2的端口阻抗一般是标准的50Ω，所以过渡部分会有一段高阻线，标准的矩形波导的耦合探针部分一般图形为矩形，而在本实施例中，由于功放模块的设计工作带宽远超过普通的矩形波导，为了更好的宽带匹配，在单脊波导11的功放模块中，功率放大芯片2到单脊波导11的过渡微带线在高阻线及耦合探针部分，本实施例将耦合探针的图形设计为多级阶梯级联的结构，即将阶梯状耦合探针313设置为包括耦合第一阶梯313a、耦合第二阶梯313b和耦合第三阶梯313c的三级阶梯结构，与现有技术相比，本实施例通过多级阶梯级联的方式实现了在18-40GHz宽带范围内较好的带宽匹配效果。与现有技术相比，本技术方案在高阻线312与微带传输线311之间设置低阻过渡线314，可实现信号从高阻抗段到低阻抗段的平稳过渡。
需要说明的是，本实施例中的单脊波导11配置有阶梯阻抗变换结构12，以实现阻抗匹配。本实施例也可以采用斜面阻抗变换结构，利用斜面过渡替换阶梯过渡。
与现有技术相比，本技术方案设置包括单脊波导11和功率放大芯片2的功率放大器模块，该单脊波导11与功率放大芯片2之间采用微带过渡探针31过渡，而且本发明实施例的微带过渡探针31设置阶梯状耦合探针313、高阻线312和低阻过渡线314结构，通过多级阶梯级联的阶梯状耦合探针313和高阻线312与微带传输线311之间的低阻过渡线314实现了在宽带范围内较好的带宽匹配效果，其工作频率完整覆盖了K波段和Ka波段，适用于要求输入信号频率自适应的设备，本发明实施例以单脊波导11为核心，结合了具有多级阶梯级联的微带传输线311实现了单脊波导11-功率放大芯片2的功率传输，减小了合成链路的功率损耗，降低高频仿真设计难度。
在某些实施例中，所述下腔体43配置有减重槽53。为了减小下腔体43的重量，本技术方案在下腔体43内开设减重槽53，去除该下腔体43中多余的材料。
在某些实施例中，所述信号输入装置的输入端口15与所述信号输出装置的输出端口16皆配置为单脊波导11端口。信号输入装置的输入端口15与信号输出装置的输出端口16可以采用单脊波导11端口形式，也可以采用同轴连接器14输入输出形式，即所述信号输入装置的输入端口15与所述信号输出装置的输出端口16皆还配置有同轴传输探针13和同轴连接器14，该同轴传输探针13与所述单脊波导11一体成型，该同轴传输探针13插至该同轴连接器14。同轴连接器14输入输出端口16的腔体形式是把单脊波导11转同轴的结构一体化设计，易于保障模块的一致性。
需要说明的是，在本发明中，功率放大芯片2的外围供电电源板置于上腔体42，便于调试过程中的拆装，同时便于在维修过程中更换芯片以及调节芯片的供电电压等操作。
需要说明的是，如图5至图6，当单脊波导2路功放模块-输入输出接口为2.92同轴连接器形式，即如图1至图4的功率放大器模块，本功率放大器模块在HFSS软件中进行模拟仿真时，仿真结果如下：
在18-40GHz频率范围内，回波损耗S11最大值为-18.1003dB，在18.04GHz；最小值为-47.8240dB，在28.86GHz；驻波VSWR最大值为1.2843，在18.04GHz；最小值为1.0082，在28.86GHz。
需要说明的是，如图7至图8，单脊波导2路功放模块-输入输出接口为单脊波导口形式(未给出该形式的结构附图)，本功率放大器模块在HFSS软件中进行模拟仿真时，仿真结果如下：
在18-40GHz频率范围内，回波损耗S11最大值为-19.1046dB，在34GHz；最小值为-42.0850dB，在39.7GHz；
驻波VSWR最大值为1.2494，在34GHz；最小值为1.0159，在39.7GHz。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)
1.一种18-40GHz功率放大器模块，包括信号输入装置、信号输出装置、功率放大芯片和微带过渡结构，
该信号输入装置与该信号输出装置均配置有单脊波导，该信号输入装置的单脊波导用于功分输入射频信号，
该信号输出装置的单脊波导用于合成经功率放大芯片放大后的射频信号并输出射频信号，
该功率放大芯片的输入端通过该微带过渡结构与该信号输入装置的单脊波导连接，该功率放大芯片的输出端通过该微带过渡结构与该信号输出装置的单脊波导连接，
其特征在于，
该微带过渡结构配置有微带过渡探针，
该微带过渡探针包括微带传输线、低阻过渡线、高阻线和阶梯状耦合探针，该低阻过渡线与该微带传输线连接，该低阻过渡线、该阶梯状耦合探针分别配置于该高阻线的两端，
该微带传输线与该功率放大芯片连接，该阶梯状耦合探针与该单脊波导连接。
2.根据权利要求1所述的18-40GHz功率放大器模块，其特征在于，
还包括从上至下依次层叠的外盖板、上腔体和下腔体，
还包括分压电路板，该分压电路板配置于该上腔体。
3.根据权利要求2所述的18-40GHz功率放大器模块，其特征在于，
所述下腔体配置有观察槽和芯片安装槽，该观察槽的槽底与该芯片安装槽的槽底位于同一平面。
4.根据权利要求1所述的18-40GHz功率放大器模块，其特征在于，
所述阶梯状耦合探针配置有耦合第一阶梯、耦合第二阶梯和耦合第三阶梯，
该耦合第一阶梯、该耦合第二阶梯和该耦合第三阶梯的阶梯宽度从大到小依次减小，
该耦合第一阶梯与所述高阻线连接。
5.根据权利要求4所述的18-40GHz功率放大器模块，其特征在于，
所述耦合第一阶梯、所述耦合第二阶梯和所述耦合第三阶梯均配置为矩形块。
6.根据权利要求1所述的18-40GHz功率放大器模块，其特征在于，
所述低阻过渡线的宽度大于所述微带传输线的宽度；
所述低阻过渡线的宽度大于所述高阻线宽度。
7.根据权利要求1所述的18-40GHz功率放大器模块，其特征在于，
所述下腔体配置有减重槽。
8.根据权利要求1所述的18-40GHz功率放大器模块，其特征在于，
所述单脊波导配置为2N路功分/合成结构，N为正整数。
9.根据权利要求1所述的18-40GHz功率放大器模块，其特征在于，
所述信号输入装置的输入端口与所述信号输出装置的输出端口皆配置为单脊波导端口。
10.根据权利要求1所述的18-40GHz功率放大器模块，其特征在于，
所述信号输入装置的输入端口与所述信号输出装置的输出端口皆还配置有同轴传输探针和同轴连接器，
该同轴传输探针与所述单脊波导一体成型，
该同轴传输探针插至该同轴连接器。
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