CN114865262A - 基于电磁禁带结构的行波功率合成器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电磁禁带结构的行波功率合成器，包括：底板、上盖；所述底板和所述上盖的轮廓相同，所述底板和所述上盖合并后形成输入通道、输出通道和禁带腔体；所述禁带腔体中设置有电磁禁带结构；所述底板上设置有功放单元；所述功放单元至少存在1个。本发明通过在行波功率合成器的腔体中设置电磁禁带结构，使得通过微带传输的TEM波不会出现辐射损耗，从而降低了传输线整体的插入损耗，同时使用独立的小腔体来对功放单元进行屏蔽，功放单元的布局可以更加紧凑，缩短了延迟线的长度，降低了幅度不平衡性，大幅度提高了合成效率。本发明可以广泛应用于行波功率合成技术领域。

Description

基于电磁禁带结构的行波功率合成器

技术领域

本发明涉及功率合成技术领域，尤其涉及一种基于电磁禁带结构的行波功率合成器。

背景技术

由于单一功放芯片的输出功率和增益会根据应用频段的频率升高而降低，而毫米波系统又需要较高的输出功率，因此在毫米波功率放大技术领域中，技术人员会利用功率合成器对多个功放芯片进行功率合成，从而实现更高的输出功率，进而满足毫米波系统的需求。传统的电路合成方案主要通过二进制树形拓扑结构来实现，随着2路功分网络级联个数的增加，合成器的体积会成倍增加，不符合目前愈发紧凑的设计趋势；为了满足小型化设计的要求，同时得到更多的合成路数，在基于波导结构的功率合成中可沿着波传播方向分布多条支路，形成以波导主传输线的行波功率合成结构。在行波功率合成中，各路信号通过有多个不同耦合度的电桥连接而成的多级行波合成网络逐级耦合实现合成。沿着波导纵向排列有源器件使得合成路数不受波导尺寸限制，可在毫米波甚至更高的频段实现多路功率合成。

需要注意的是，行波功率合成器的合成效率与合成路数、传输线损耗以及耦合电桥的损耗密切相关。合成路数主要取决于系统对输出功率的硬性需求，往往无法做出妥协。而耦合电桥的插入损耗与实现方式相关，现有技术中往往依赖微带探针来实现对信号的耦合。对微带探针的优化依赖于特殊的材料，这由引发了成本控制的问题。因此，对行波功率合成器合成效率的优化往往聚焦在如何降低传输损耗上。

目前主要使用微带传输线作为馈电手段，微带传输线的损耗主要由3部分组成：介质损耗、金属损耗、辐射损耗。在毫米波频段辐射损耗不可忽视，现有技术通常使用金属结构外盒作为传输线的屏蔽罩，以此来降低辐射损耗；但有屏蔽腔体并没有限制传输模式的能力，因此并没有从源头解决辐射损耗的问题，只是把辐射出来的能量限制在腔体内而已；同时由于使用了金属腔体，为了避免腔体过大而引起的谐振，针对多路合成，往往需要使用独立的腔体来对功放芯片及其外围电路进行单独的屏蔽，这使得的每个功放单元之间需要预留出较多的空间作为打螺钉的位置，这又无形增加了行波功率合成器的长度，与此同时，功放单元间距的增加，导致延迟线的长度也相应增大，进一步增加传输线的损耗，还加剧了幅度不平衡性，反而降低了合成效率；如果在避免上述缺陷的前提下，降低行波功率合成器在传输过程中的损耗，是当前急需解决的技术问题。

发明内容

为至少解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种基于电磁禁带结构的行波功率合成器。

根据本发明实施例的第一方面，一种基于电磁禁带结构的行波功率合成器，包括：

底板、上盖；所述底板和所述上盖的轮廓相同，所述底板和所述上盖合并后形成输入通道、输出通道和禁带腔体；

所述禁带腔体中设置有电磁禁带结构；

所述底板上设置有功放单元；所述功放单元至少存在1个。

根据本发明的一些实施例，所述电磁禁带结构由设置在所述第二腔体表面的柱子阵列结构构成。

根据本发明的一些实施例，所述柱子阵列结构包括第一阵列和第二阵列，所述第一阵列包括N个柱子单元，所述第二阵列包括M个所述柱子单元。

根据本发明的一些实施例，所述输入通道用于容纳输入波导。

根据本发明的一些实施例，所述输入波导为E面波导。

根据本发明的一些实施例，所述输出通道用于发送输出波导。

根据本发明的一些实施例，所述功放单元的两端分别通过微带传输线与微带探针连接，所述微带探针置于所述输入通道和所述输出通道的空间内。

本发明的有益效果是：通过在行波功率合成器的腔体中设置电磁禁带结构，使得通过微带传输的TEM波不会出现辐射损耗，从而降低了传输线整体的插入损耗，同时使用独立的小腔体来对功放单元进行屏蔽，功放单元的布局可以更加紧凑，缩短了延迟线的长度，降低了幅度不平衡性，大幅度提高了合成效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。

图1是波导功率合成器的基本拓扑结构示意图；

图2是包括微带探针的现有行波功率合成器的结构示意图；

图3是本发明提供的行波功率合成器结构示意图；

图4是本发明提供的柱子单元的布置示意图；

图5是本发明提供的柱子单元布里渊示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

首先，对本发明涉及的部分技术名词予以解释如下：

电磁禁带：即EBG结构，是Electromagnetic Band Gap的缩写，也称为电磁场带隙；该结构是一种周期性结构，可以控制电磁波的传播。通过正确地选择散射介质的尺寸、材料和形状，可以使电磁波在某些频段不能传播。

电磁波模式：电磁波模式在数学上是无源麦克斯韦方程在所给条件下的线性独立的特解，它们有无穷多种。在给定边界条件(包括无穷远处辐射条件)下可能独立存在的确定的电磁场分布规律，又称场型。一般地，在均匀媒质的理想波导管以及由此构成的腔体中，电磁波模式根据沿波导轴z向是否存在电磁场分量而分成：横电磁(TEM)模或传输线模，Ez＝0，Hz＝0；横电(TE)模或磁(H)模，Ez＝0，Hz≠0；横磁(TM)模或电(E)模，Ez≠0，Hz＝0。

布里渊：布里渊区(Brillouin zone)，在数学和固体物理学中，第一布里渊区是动量空间中晶体倒易点阵的魏格纳-塞兹原胞(Wigner-Seitz cell)。

如图1所示，展示的是关于行波功率合成器的基本拓扑结构示意图，包括输入通道101、功放单元102以及输出通道103；这种结构沿着两个波导的行波方向垂直插入多路耦合结构，每路耦合结构与功放单元102连接。当电磁波从输入通道进入后，在传播的过程中依次通过功率馈路进入多路耦合结构，进行行波传播；耦合结构与功放单元102连接，将经过放大后的功率又以对称的形式依次馈入输出通道103中，在输出通道相对应的端口处进行同相合成并输出。

如图2所示，展示的是包括微带探针的现有行波功率合成器的结构示意图，对于耦合电桥的插入损耗，现有技术主要通过应用微带探针来实现对信号的耦合，除与图1相对应的输入通道101、功放单元102以及输出通道103以外，在每路功放单元与输入通道101和输出通道103的连接处，延伸布置有微带探针；微带探针实质上是从同轴探针发展而来，其运营原理即是在波导宽边开条缝，通过一段起耦合作用的微带传输线把波导中的电场耦合到微带传输线上。当波导转换至微带时，探针即是相当于一个小型的接收天线，将波荡中的能量接收至微带传输线上；而当从微带转换至波导时，探针即是相当于一个小型的发射天线，将微带中的能量发射至波导中。对于微带探针的进一步优化主要依赖于制成材料的改进，优质的材料价值昂贵，因此，现阶段对行波功率合成器合成效率的优化往往聚焦在如何进一步降低传输损耗。

如图3所示，展示的是根据本发明实施例提供的行波功率合成器结构示意图，包括底板301、上盖302；底板301和上盖302的轮廓相同，当底板301和上盖302合并后可以形成输入通道303、输出通道304和禁带腔体305；禁带腔体305中设置有电磁禁带结构306；底板301上设置有功放单元307；功放单元307至少存在1个，在图3展示的实施例中，我们设置的功放单元为3个；电磁禁带结构306由设置在禁带腔体305表面的柱子阵列结构构成；柱子阵列结构包括第一阵列和第二阵列，第一阵列包括N个柱子单元401，第二阵列包括M个柱子单元401；输入通道303用于容纳输入波导，输入波导为E面波导；输出通道304用于发送输出波导；功放单元307的两端分别通过微带传输线308与微带探针309连接，微带探针308置于输入通道303和输出通道304的空间内，通过微带探针309将能量的TE₁₀模式转换为TEM模式，并通过微带传输线308将信号馈送至功放单元307进行功率放大。

在图3所示实施例中，功率合成的工作频率为45～55GHz，相对带宽为18％；模块结构上呈现中心对称，可对三颗功放单元进行功率合成；微带探针309可以等效为电阻与电感的并联，其中阻值决定了随行波的耦合度；阻值的大小与微带探针309的面积以及所处位置有关，本实施例中为便于演示，采用了方形探针，实际使用场景中其他形状的探针均有同样功能。探针面积越大，归一化阻值越小，能耦合到的能量越多。对于N路合成，归一化阻值按照N-i+1进行分布(靠近波导输出端的一路i＝1)；为了获得良好的匹配，探针的电感部分需要使用呈容性的短路面和匹配膜片310来进行抵消。

如图4所示，展示的是根据本发明实施例提供的柱子单元的布置示意图，包括底板301、上盖302和柱子单元401，构成电磁禁带结构306的柱子阵列结构，即由多个柱子单元401呈规则布置构成。

如图5所示，展示的是根据本发明实施例提供的柱子单元布里渊示意图，在本发明中组成柱子阵列的单一要素是柱子单元，所以为了模拟柱子阵列在空间中的效果，可以通过观察柱子单元在周期边界下的布里渊图来判断，图中X轴代表入射波的角度，从0°到180°；Y轴代表带宽频率，单位为GHz；Mode1为实线和Mode2为虚线，Mode1的最高值体现在入射波的角度为115°时，此时频率为38.95745GHz；Mode2的最低值体现在入射波的角度为15°时，此时频率为79.87103；布里渊图的X轴正比于相位常数，Y轴为频率，其斜率正比于相速；当斜率接近于0时，可认为该频率选择面在该频率点下对该入射角度的入射波截止；

因此，我们可以近似认为38GHz和79GHz的频率点对于所有入射角的入射波群速均为0；且由于38～79GHz内没有解，因此38～79GHz为电磁禁带，而38GHz和79GHz分别为电磁禁带的上下截止频率，即该电磁禁带内没有任何场解；因为PCB上的微带主模为TEM，将PCB板置于EBG结构上时，微带则无法与上盖耦合出任何模式；结构内将只存在TEM模，由此实现了对杂散模的抑制效果。

在合理利用本发明实施例的前提下，存在已知的有益效果如下：

由于电磁禁带结构在禁带内只允许TEM波通过，因此通过微带传输的TEM波不会出现辐射损耗，从而降低了传输线整体的插入损耗，大幅度提高了合成效率。

由于需要使用独立的小腔体来对功放单元进行屏蔽，功放单元的布局可以更加紧凑，这使得延迟线长度得以缩短，降低了幅度不平衡性，进一步提高合成效率。

由于不依赖吸波材料，因此，本产品避免了由吸波材料造成的增益与功率的损失，进一步提高合成效率；同时，在大批量生产时本产品减少了装配流程，避免了因吸波材料的裁切或性质不一致而造成合成器模块的性能差异，在降低了生产成本的同时提高了生产效率。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (7)

1.一种基于电磁禁带结构的行波功率合成器，其特征在于，包括：

底板、上盖；所述底板和所述上盖的轮廓相同，所述底板和所述上盖合并后形成输入通道、输出通道和禁带腔体；

所述禁带腔体中设置有电磁禁带结构；

所述底板上设置有功放单元；所述功放单元至少存在1个。

2.根据权利要求1所述的基于电磁禁带结构的行波功率合成器，其特征在于，所述电磁禁带结构由设置在所述第二腔体表面的柱子阵列结构构成。

3.根据权利要求2所述的基于电磁禁带结构的行波功率合成器，其特征在于，所述柱子阵列结构包括第一阵列和第二阵列，所述第一阵列包括N个柱子单元，所述第二阵列包括M个所述柱子单元。

4.根据权利要求1所述的基于电磁禁带结构的行波功率合成器，其特征在于，所述输入通道用于容纳输入波导。

5.根据权利要求4所述的基于电磁禁带结构的行波功率合成器，其特征在于，所述输入波导为E面波导。

6.根据权利要求1所述的基于电磁禁带结构的行波功率合成器，其特征在于，所述输出通道用于发送输出波导。

7.根据权利要求1所述的基于电磁禁带结构的行波功率合成器，其特征在于，所述功放单元的两端分别通过微带传输线与微带探针连接，所述微带探针置于所述输入通道和所述输出通道的空间内。

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