CN114785300B - 一种220ghz功率放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种220GHZ功率放大器，工作频率为220GHz，实现220GHz 200mW功率输出，解决了现有技术在在220GHz频段找不到输出功率合适芯片的问题。一种220GHZ功率放大器，包括射频输入端、射频输出端；射频输入端连接一分八功率分配网络的输入端，将输入信号分为八路；一分八功率分配网络的八路输出端皆通过波导‑微带转换结构连接放大器芯片的输入端，放大器芯片的输出端皆通过波导‑微带转换结构连接八路功率合成网络，八路功率合成网络输出端连接射频输出端。

Description

一种220GHZ功率放大器
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种220GHZ功率放大器。
背景技术
随着半导体技术向高频发展，无线通信所需要的频段也越来越高。现如今随着W波段的各种成果相继提出，技术逐渐成熟，对于更高频段G波段的探索也在不断进行当中。
太赫兹波是指0.1～10THz的电磁波，处于从电子学向光子学的过渡区。太赫兹波相较于微波波段，具有频率高、脉冲短、频带宽的特点。从而具备较高的空间和距离的分辨能力，有利于提高雷达系统的分辨率和跟踪能力。同时，更宽的频谱资源，使其能够承载更多的信息。太赫兹波的这一特性解决了未来通信系统对大容量、高速率、强抗干扰能力的需求，太赫兹通信技术也是实现未来通信(6G及以上)最具潜力的途径之一。2022年，南京紫金山实验室搭建出360-430GHz频段100/200Gbps太赫兹通信系统，实现了创记录的单通道103.125Gb/s,双通道206.25Gb/s的超高速实时2×2MIMO无线通信，速率较5G提升10至20倍。而220GHz频段处于太赫兹频谱的低端，结合大气窗口的特性，在武器制造、太赫兹通信、雷达探测等方面都有广泛的应用前景。
固态功率器件具有体积小、可靠性高、寿命长、使用方便等特点，具有传统真空电子管无可比拟的优势。然而，由于半导体器件的物理特性，单个固态功率器件的输出功率是远小于真空电子器件的，无法满足高功率应用系统的需求。因此以集成MMIC为基础，通过功率合成技术获取大功率输出的固态功率放大器设计成为主流。频率越高、频带越宽的芯片输出的功率就越小，特别是在220GHz频段，已经找不到输出功率合适的芯片，因此通过功率合成技术合成想要的输出功率成为了首要选择。如何设计出与芯片带宽相匹配的高效率功率合成网络则是产品设计的关键。
发明内容
本发明目的在于提供一种220GHZ功率放大器，工作频率为220GHz，实现220GHz200mW功率输出，解决了现有技术在在220GHz频段找不到输出功率合适芯片的问题。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种220GHZ功率放大器，包括射频输入端、射频输出端；射频输入端连接一分八功率分配网络的输入端，将输入信号分为八路；一分八功率分配网络的八路输出端皆通过波导-微带转换结构连接放大器芯片的输入端，放大器芯片的输出端皆通过波导-微带转换结构连接八路功率合成网络的输入端，八路功率合成网络的输出端连接射频输出端。
作为一种优选技术方案，射频输入端通过驱动放大器与一分八功率分配网络的输入端连接。
作为一种优选技术方案，射频输入端、射频输出端皆为WR-4标准矩形波导，横截面面积为：1.0922mm×0.5461mm，截止频率：172GHz～261GHz。
作为一种优选技术方案，一分八功率分配网络包括波导腔结构，波导腔结构包括第一级魔T、第二级魔T、第三级魔T；第一级魔T的输入端作为一分八功率分配网络的输入端，第一级魔T的两个输出端分别连接两个第二级魔T的输入端，第二级魔T的两个输出端分别连接第三级魔T的输入端，第三级魔T的输出端通过波导-微带转换结构连接放大器芯片的输入端。
作为一种优选技术方案，八路功率合成网络包括波导腔结构，波导腔结构包括第一级魔T、第二级魔T、第三级魔T；
第一级魔T的输出端作为八路功率合成网络的输出端，第一级魔T的两个输入端分别连接两个第二级魔T的输出端，第二级魔T的输入端皆分别连接第三级魔T的输出端，第三级魔T的输入端通过波导-微带转换结构连接放大器芯片的输出端。
作为一种优选技术方案，第一级魔T为H面魔T，第二级魔T和第三级魔T为E面魔T；H面魔T与E面魔T配合使用使得第一级魔T到第二级魔T时从平面结构变换为上下两层结构。
作为一种优选技术方案，波导-微带转换结构包括矩形波导、基板，基板上设有微带线、波导探针；矩形波导若干级阶梯结构变换阻抗，矩形波导的波导腔壁逐级向波导探针一侧内缩，在最后一级波导阻抗变换到与波动探针阻抗一致，矩形波导与波导探针一端连接；波导探针另一端通过微带线的阻抗渐变段与微带线阻抗匹配连接，波导-微带转换结构工作在170GHz～240GHz频段。
作为一种优选技术方案，放大器芯片包括前级驱动放大器芯片与末级功率放大器芯片，前级驱动放大器芯片与末级功率放大器芯片之间通过50Ω微带线级联，前级驱动放大器芯片与一分八功率分配网络连接，末级功率放大器芯片与功率合成网络连接。
作为一种优选技术方案，基板采用50um石英玻璃。
作为一种优选技术方案，前级驱动放大器芯片是MMIC单片，输入射频信号的前级放大，将信号功率放大到足以驱动后级芯片；末级放大器芯片是MMIC单片，在220GHz单片输出30mW。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
提供了一种工作频率为220GHz，实现220GHz 200mW功率输出的功率放大器，解决现有技术在220GHz频段，已经找不到输出功率合适的芯片的问题。
附图说明
图1为本发明的原理图；
图2为本发明的结构示意图图；
图3为波导-微带转换结构的结构示意图。
其中，附图标记如下所示：
1-第一级魔T，2-第二级魔T，3-第三级魔T
具体实施方式
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种220GHZ功率放大器，下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
如图1～3所示，一种220GHZ功率放大器，包括电源模块、散热模块和射频链路系统。电源模块与射频链路系统连接。散热模块与射频链路系统相贴，对其进行热交换降温。
电源模块将外部220V@50Hz电源经过AC/DC、DC/DC模块稳压变换为分机内电源，分别变为DC+8V和DC+5V电源。
散热模块包括风扇、散热器，风扇朝向射频链路系统，散热器与射频链路系统相贴。为减小整机体积以及安装方便，使用4个30mm×30mm×10mm的风扇，提供足够的风通量为散热器散热。
射频链路系统，其对射频信号进行驱动放大、功率平均分配到每个单元，最后将8路功放合成一路输出。为提高合成效率使用了空间波导合成，并采用3级阶梯波导-微带转换结构实现波导微带转换，微带线采用50微米厚度的石英玻璃基板，该种基板具有工作频率高、插入损耗小等特点，同时采用薄膜工艺处理在220GHz频率上具有加工、装配一致性优越的特点。
射频链路系统，包括射频输入端口，射频输出端口、功率分配网络、功率合成网络。射频输入端口，射频输出端口皆为WR-4标准矩形波导(横截面面积：1.0922mm×0.5461mm，截止频率：172GHz～261GHz)。
射频输入端口通过驱动放大器连接有功率分配网络，功率分配功率网络包括波导腔结构、矩形波导-微带转换结构。
波导腔结构包括第一级魔T1、第二级魔T2和第三级魔T3。为了便于描述，把魔T的位于竖直臂(功分主臂)上的一个端口定义为输入端口，横直臂(功分支臂)上的两个端口定义为输出端口，用作负载匹配的端口定义为负载端口。在魔T中，在功分主臂上引出对称的左右两支功分支臂，前级魔T的输出端口与后级魔T的输入端口连接，整体结构保持对称，对称的结构可以确保相位的一致性。
第一级魔T为H面魔T，第二级魔T、第三级魔T为E面魔T。E面魔T与H面魔T组合使用，将八路功率分配网络，由传统的平面结构变换为立体结构。即第一级魔T1的输出端位于第二级魔T2输入端的上方。第二级魔T2的输出端位于第三级魔T3输入端的上方。
为了方便加工，第一级魔T1至第二级魔T2连接处作弧形处理，第二级魔T2至第三级魔T3连接处作弧形处理。第三级魔T3的输出端口皆与波导-微带转换结构的波导端口连接。输入的射频信号经过第一、二、三级魔T完成一分八的功率分配。
八路信号通过波导-微带转换结构由波导传输转换为微带传输。
波导-微带转换结构包括矩形波导、基板，基板上设有微带线、波导探针；矩形波导若干级阶梯结构变换阻抗，矩形波导的波导腔壁一面三级阶梯变换，逐级向波导探针一侧内缩，逐渐降低其等效阻抗，直至与波导探针耦合。波导内壁只有一面在变阶是为了便于腔体的加工。矩形波导在最后一级波导阻抗变换到与波动探针阻抗一致，矩形波导与波导探针一端连接；波导探针另一端通过微带线的阻抗渐变段与微带线阻抗匹配连接，波导-微带转换结构工作在170～240GHz频段。基板采用的是石英玻璃，此种基板具有工作频率高、插入损耗小等特点。此波导-微带转换结构可以工作在170～240GHz频段。
射频信号在波导-微带转换结构完成转换后，由微带线输出到放大器芯片进行放大，放大器芯片包括前级驱动放大器芯片与末级功率放大器芯片，芯片之间用50Ω微带线级联，基板材料使用石英玻璃。末级功率放大器芯片的输出功率为30mW。末级功率放大器芯片输出信号输入功率合成网络，八路功率信号合成一路输出，输出功率大于200mW。
功率合成网络与功率分配网络相同，不同的是信号输入端口与信号输出端口的定义相反。功率合成网络也包括包括波导腔结构、矩形波导-微带转换结构。
波导腔结构包括第一级魔T1、第二级魔T2和第三级魔T3。功率合成网络中，把魔T的位于竖直臂(功分主臂)上的一个端口定义为输出端口，横直臂(功分支臂)上的两个端口定义为输入端口，用作负载匹配的端口定义为负载端口。
第一级魔T1的输出端作为功率合成网络的输出端，第一级魔T1的两个输入端分别连接两个第二级魔T2的输出端，第二级魔T2的两个输入端皆分别连接第三级魔T3的输出端，第三级魔T3的输入端通过波导-微带转换结构连接末级功率放大器芯片的输出端。
第一级魔T1为H面魔T，第二级魔T2、第三级魔T3为E面魔T。第一级魔T1的输入端位于第二级魔T2输出入端的上方。第二级魔T2的输入端位于第三级魔T输出端的上方。
为了方便加工，第一级魔T1至第二级魔T2连接处作弧形处理，第二级魔T2至第三级魔T3连接处作弧形处理。第三级魔T3的输入端口皆与波导-微带转换结构的波导端口连接。输入的射频信号经过第三、二、一级魔T完成八路功率合成。
并且，功率合成网络的第三级魔T功分支臂在内侧，而功率分配网络第三级魔T功分支臂在外侧。这样设计是为了减小了合成网络的传输长度，降低插入损耗，提高了功率合成网络的合成效率。
驱动放大器芯片，是MMIC单片，输入射频信号的前级放大，将信号功率放大到足以驱动后级芯片。末级放大器芯片，MMIC单片，在220GHz单片输出30mW。
50Ω微带线，使用50um石英玻璃基板，该种基板具有工作频率高、插入损耗小等特点。
矩形波导-微带转换过渡结构中，波导内部探针结构，将微带内的电磁场以辐射形式，辐射到波导腔中，完成微带准TEM模转换为波导内TE10模。50Ω微带线为TEM模传输模式。
按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述结构设计的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种220GHZ功率放大器，其特征在于，包括射频输入端、射频输出端；射频输入端连接一分八功率分配网络的输入端，将输入信号分为八路；一分八功率分配网络的八路输出端皆通过波导-微带转换结构连接放大器芯片的输入端，放大器芯片的输出端皆通过波导-微带转换结构连接八路功率合成网络的输入端，八路功率合成网络的输出端连接射频输出端；
一分八功率分配网络包括波导腔结构，波导腔结构包括第一级魔T、第二级魔T、第三级魔T；第一级魔T的输入端作为一分八功率分配网络的输入端，第一级魔T的两个输出端分别连接两个第二级魔T的输入端，第二级魔T的两个输出端分别连接第三级魔T的输入端，第三级魔T的输出端通过波导-微带转换结构连接放大器芯片的输入端；第一级魔T为H面魔T，第二级魔T和第三级魔T为E面魔T；H面魔T与E面魔T配合使用使得第一级魔T到第二级魔T时从平面结构变换为上下两层结构。
2.根据权利要求1所述的一种220GHZ功率放大器，其特征在于，射频输入端通过驱动放大器与一分八功率分配网络的输入端连接。
3.根据权利要求1所述的一种220GHZ功率放大器，其特征在于，射频输入端、射频输出端皆为WR-4标准矩形波导，横截面面积为：1.0922mm×0.5461mm，截止频率：172GHz~261GHz。
4.根据权利要求1所述的一种220GHZ功率放大器，其特征在于，八路功率合成网络包括波导腔结构，波导腔结构包括第一级魔T、第二级魔T、第三级魔T；
第一级魔T的输出端作为八路功率合成网络的输出端，第一级魔T的两个输入端分别连接两个第二级魔T的输出端，第二级魔T的输入端皆分别连接第三级魔T的输出端，第三级魔T的输入端通过波导-微带转换结构连接放大器芯片的输出端。
5.根据权利要求1或4任一项所述的一种220GHZ功率放大器，其特征在于，波导-微带转换结构包括矩形波导、基板，基板上设有微带线、波导探针；矩形波导若干级阶梯结构变换阻抗，矩形波导的波导腔壁逐级向波导探针一侧内缩，在最后一级波导阻抗变换到与波动探针阻抗一致，矩形波导与波导探针一端连接；波导探针另一端通过微带线的阻抗渐变段与微带线阻抗匹配连接，波导-微带转换结构工作在170GHz~240GHz频段。
6.根据权利要求1所述的一种220GHZ功率放大器，其特征在于，放大器芯片包括前级驱动放大器芯片与末级功率放大器芯片，前级驱动放大器芯片与末级功率放大器芯片之间通过50Ω微带线级联，前级驱动放大器芯片与一分八功率分配网络连接，末级功率放大器芯片与功率合成网络连接。
7.根据权利要求5所述的一种220GHZ功率放大器，其特征在于，基板采用50um石英玻璃。
8.根据权利要求6所述的一种220GHZ功率放大器，其特征在于，前级驱动放大器芯片是MMIC单片，输入射频信号的前级放大，将信号功率放大到足以驱动后级芯片；末级放大器芯片是MMIC单片，在220GHz单片输出30mW。
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