CN1242647A - 高增益放大器 - Google Patents

Abstract

为实现在微波频段的一个高增益放大器,提出了内连放大电路,并用一个顶盖(31)去覆盖容纳它们的外壳。在顶盖和放大电路之间的空间(33),在外壳的内部,波导(41—43)被提供,其截止频率是这样的,它使存在于工作频段上的任何模式都不能传播。可以证明,通过在所述空间形成这样的波导,取代用吸收材料充满它,在输出端和输入端之间将获得更好的无线电隔离以避免干扰重新输入。因此,在同样的外壳里,有可能获得高达90dB的放大系数,而迄今为止,每个外壳45dB的极限不能被超过。

Description

高增益放大器

本发明涉及能用于微波频率的高增益放大器。它尤其可以用在雷达，用于卫星的无线电定向传输。及用于电视的本地多点配送系统(LMDS)。本发明所涉及的频率范围更具体地覆盖从1GHz至100GHz的频率范围。然而，应用可以超出这些技术领域和这个频率范围。不论何时考虑无线电传播本发明都是适用的。

本发明的一个目的是提出一种高增益低成本的放大器。“高增益”通常意味着放大系数大于40dB并高达100dB。

通常执行放大功能的电路包括以单片微波集成电路(MMICS)为基础的元件。这样的MMIC元件包括经由传输线路连接在一起的集成电路。在这样的一个MMIC元件内部传输线路的构造、长度和分布中例如是构成实质是非振荡的微波放大电路的类型的。实际上，一个微波放大部件包括一个绝缘板(例如，由陶瓷，聚四氟乙烯-玻璃，或环氧树脂制成)其中的凹槽是机制的用于容纳MMIC元件。该绝缘板带有导电的印制线以内接元件。每个MMIC元件都具有一个经由它要放大的信号被输入的输入端，和经由它放大的信号被输出的输出端。MMIC元件通常是一个矩形块状，输入端位于MMIC元件的一侧，而输出端位于与输入端相反的一侧。

放大的信号在元件输出端周围所处的空间内自然地辐射。遗憾地，随后辐射传播到输入端。因此，在输出端产生的信号被再次输入到输入端。这个现象是一种无线电的传输现象。

要限制这种现象的干扰效应，MMIC元件装配有金属盖并围绕着有吸收能力的材料。因此，吸收材料被放在MMIC元件的集成电路和盖之间。另外，装有盖的MMIC元件它自身被放在一个外壳中，该外壳具有一个面对MMIC元件的输入端的输入，并具有一个面对MMIC元件的输出端的输出。在外壳的顶盖和元件盖之间的空间充满着吸收材料以防止放大波的循环传播。该外壳经由屏蔽的链接电缆被连接至其它电路。

由这样的吸收材料所带来的缺点是它们不会令人满意地完成它们的功能。即使细心考虑选择吸收材料和它们的分布，在它的外壳里用这样一个放大电路所能达到的放大极限大约是40dB。超出这个极限，对于频带的某些频谱元件，MMIC元件开始振荡(增益很大)或重新输入引起很大的衰减。在工作频带内，实际上得到的增益对于给定的放大值意想不到地变得高很多或低很多。因此这样的放大器不能使用，它们对放大信号产生太大的失真。

要补救这个问题，例如要获得90dB的放大系数，就要预备串联一组外壳，例如三个外壳，其各自包括放大电路。当然实质上价格也增加三倍。

另外，吸收材料具有排气的缺点。通过升华，它们扩散这些颗粒，尤其它们渗入用于集成电路的砷化镓(GaAs)晶体管的导电通道。另外，在元件盖和外壳顶盖之间，吸收材料的阻尼能量实际上最好被限制到50dB。

本发明的一个目的就是通过提出能设计出具有高增益放大器的方案以解决这个问题，例如，这个高增益通常是60dB或甚至是80dB或90dB，而没有再次输入干扰现象。在这种情况下，很可能做成具有普通外壳的高增益放大器：该部件的成本实际上可被认为是再除以三。

本发明的原理在于提供波导，在MMIC电路的盖所处的空间内，分别在所述盖的上面和下面，各自称为“辅助”波导和“附加”波导。辅助波导和附加波导的截止频率被选为比要放大的工作通频带的上限要大。因此，在工作频带产生的所有信号具有低于波导截止频率的频率：它们不能在此传播。因此，由放大电路输出端到它的输入端的反馈被减少到足够小以不影响它们的一个量。然后有可能设计具有很高增益的放大电路。实际上，本发明已经用从80dB至90dB的增益测试范围做了试验。

本发明的一个优点是使要被构筑的波导用不需要具有很好的吸收特性但能提供不排气的优点并由不污染MMIC元件晶体管的材料所充满。

本发明由此提供一种用于放大在高频段分布的电信号的高增益放大器，放大器包括一个放大电路，放大电路被装在一个支架，例如，在MMIC元件内部的一个金属底板，并由一个盖覆盖，并且放大电路具有在第一侧的一个信号输入端和在与所述第一侧相对的第二侧上的一个信号输出端，所述放大器其特征在于它包括细分装置，用于细分在盖和支架之间所处的空间为辅助波导，使得到的波导的特性不适于使其频率位于放大器的高频段的信号在输出端和输入端之间传播。最好，盖上面的空间也以同样的方法，即用具有与辅助波导同样特性的附加波导细分。

在阅读下面的说明和分析附图之后本发明更容易理解。本图仅仅表示而并不限制本发明。在图中：

图1和图2分别表示了构成本发明高增益放大器的MMIC元件的一个剖面图和一个平面视图；

图3表示用本发明放大器和用现有技术中的放大器获得的放大增益曲线；

图4和5是装有本发明的一个放大器MMIC元件的带有其顶盖的一个外壳的透视图；及

图6是图5的一个变形。

图1和2示出了本发明的一个高增益放大器。在图2中，放大器包括至少一个放大电路1。这个电路包括在一个集成电路中的电子元件2和3。这些元件2和3经由其几何形状和分布特别适合放大电路微波特性的连接件4和5被连接在一起。该连接件在空气中以导线的形式实现并且自然地不和电路的地接触。在第一侧，电路1具有一个信号输入端6，并在第二侧，与第一侧相对，有一个信号输出端7。信号由输入端6进入，由集成电路2和3处理，并经由输出端7以放大状态被输出。

图1是表示这些元件的示意剖面图。它表示电路2和3被装在一个支架上。该支架包括一个绝缘板8。在一个中心凹槽内，板8容纳一个金属底板9。装在板8上的金属板10使它能传输控制信号，尤其是电源和增益控制信号至集成电路2和3，以便放大经由电连接件6供给的信号。无论如何，控制信号具有相当大地低于要放大的高频信号的频率的频率。实际上，信号或者是DC信号(那么它们由用于集成电路的电源构成)，或者它们是低频的，不高于100MHz。

电路1用金属盖11覆盖。盖11通过金属壁或柱被卡在底板9上。在现有技术情况下，位于底板9和盖11之间的空间12由吸收材料来充填，带有上文提到的缺点。

盖的宽度13足够宽以在板8和盖11之间的空间内能够传播在输出端7放大并得到的无线电传播形式的信号。

在本发明中，要避免这种传播，宽度13被细分为一组波导，在这个例子中就是三个波导：波导14，15和16。如下文所解释的，波导的原度和宽度特性是这样的，就是它们不够大到可用来传播在输出端7可得到的任何模式的放大信号。众所周知，要防止称为“TE01”的模式在一个波导内传播，仅需要使波导的宽度小于λ/4，在这里λ是在波导的绝缘材料中传播的波的波长。在装有微带线路的板的情况下，最许可的模式是“LSM11”模式(纵向磁场的)其特征尺寸不是λ/4：它们更小并且计算很复杂。然而，即使对于那种模式，一个可计算的截止频率是存在的，低于该截止频率传播是不可能的。而如果LSM11模式不能传播，则更高的模式可以传播。

本发明的目的则是去了解波导14至16每个的特性。这很容易，由于已知宽度13并且要完成的细分数量及各部分尺寸已知。要了解以这种方式构成的波导的特性，LSM11模式的截止频率被计算出来。这个计算是复杂的但是已知的。例如，可从由美国Norwood，Artech House出版的，Reinmut K.Hoffmann著的“微波集成电路手册”(“Handbook ofMicrowave Integrated Circuits”)得到。然后这个计算用于确定一个截止频率。之后确定得出的频率是否大于放大电路所设计的高频段的上限。如果截止频率大于高频段的上限，那么所设想的细分波导可以采用。否则空间13必须被进一步由更小部分的波导细分。

在图1所示的例子中，是一个实例，全部由金属制成的二个棒，分别为17和18，已经完成。在棒17和18内部的材料也提供稳定的优点：不排气。在一个例子中，它是机加工的金属。它也可能采用带有金属孔的陶瓷。棒17和18被放在底板9和盖11之间并和二者接触以便在波导之间构成隔离。随后在左侧的(图1)第一辅助波导14由与MMIC元件相邻的金属壁、和下面的底板9，上面的盖11，及在右侧的棒17所构成。第二辅助波导16在右侧对称地和棒18结合。

第三空间15是一个含有空气的辅助波导，并且它的金属壁由盖11及棒17和18的壁所构成。无论在任何情况下，以这种方式将空间13细分为三份足以达到所希望的结果。

图2也示出了以串级连接和在像电路1同样的条件下的一个第二放大电路19。形成的整个放大电路具有一个共同的盖11，它从输入端6伸到电路19的输出端20。图20所示的中心波导15由放在集成电路2和3边缘的棒17和18构成。

在一个具体的应用中，为了特殊的放大原因，信号的频率在电路1的输出端7和电路19的一个输入端21之间必须被增加一倍。结果截止频率的约束更牢固。因此，要防止其频率已被增加一倍的信号从输出端20传播到输入端6，甚至经由波导15(对于双频波足够大并允许它通过的部件)传播，其它棒，分别为23和24，已被放在电路1的输出端7和电路19的输入端21之间的过渡空间22。过渡空间22包括金属部件17，23，24和18以及在结构23，24和盖11之间的一个空的空气空间或间隙。通过减少间隙22的宽度，有可能摆脱双倍频率的后果。在间隙22，辅助波导特性这样被修正：波导15它自己被制造得更窄小。

在输入端6和输出端20，板8和对应的电镀金属榫舌及位于板8下面的金属镀层25共同构成波导。这些波导的阻抗特性取决于榫舌的宽度26和板的厚度27。在一个例子中，这些波导的阻抗特性是50欧姆。

图4示出了一个外壳30和它的顶盖31，该外壳含有如参照图1和2所描述的元件那样的一个MMIC放大元件。在这个元件中，基本上有可能看见盖11，一个侧棒17和在MMIC元件内侧的控制连线接片。接片10经由接线32被连接到放大电路。接线32可以从结构17的末端的旁边过去(以便它们不接触)，或者它们可以在结构17的两个纵向部分171和172之间通过，结构17则被细分为两部分。在一个例子中，两个部分171和172是等长的。也有可能看见在板8的底部上的金属镀层25。这个镀层也在下面延伸并和底板9接触。

图5示出了顶盖31本身并且下面朝上。顶盖31带有一个深腔33，其中有一个通道34。因此，顶盖31具有位于通道34两侧的两个侧壁35和36。在所示的例子中，顶盖由实心金属制成。例如，通过铣削由镀银铝块或黄铜块切割，或者通过铸造直接制成。

如图4所示，深腔33用来提供由板8上面的MMIC元件11所占据的空间。通道34用于容纳印制线(track)35，它从外壳30的前表面371通向MMIC元件11的输入端6，并从MMIC元件的输出端7或20通向外壳30的后表面372。印制线35可以与印制线6，7，21和20连续。当在同一外壳内有两个MMIC元件时，外壳就有两个深腔。如果如图1和2所示MMIC元件是一个成对的元件，只提供一个深腔。印制线35具体操作地通过焊接的导线39被连接至像在表面36和37上安装的同轴型式的38那样的销上。

在MMIC元件的输出端，在通道34内，尽管在板8上的印制线35被尽可能完美地配合，被放大的波沿着路径40向后辐射和传播指向输入端。换言之，波随着通道34，经由深腔33向前并沿着通道传播到MMIC放大元件11的输入端。

图5示出了传播40由在深腔33的底部，细分位于顶盖31和盖11(图5中未示出)之间深腔33的空间的波导41至43的存在而抵销。最好是波导41至43由有弹性的材料制成的便当顶盖31被放在外壳30上面的时候，确保波导41至43的导电表面首先与深腔33的底部接触，其次与盖11接触。

波导41至43的高度44和宽度45如上文所述被确定，以在这个例子中得到一个TE10模式截止频率，它大于在所考虑的放大应用中的工作通频带的上限。盖上面的空间由此被细分成一组附加波导，它们每个都具有低于截止频率的特性。

实际上，用于附加波导的材料是用于电磁屏蔽的简单的密封材料，可用于屏蔽电子盒门的槽口。它成本很低并十分适合于指示的用途。密封部分的外壁形成各个附加波导的四面。密封部分的内侧可以仅由绝缘泡沫，或由充填金属泡沫制成，因为这样的泡沫实质上构成附加波导的绝缘性内侧。

通过推断，在宽度方向有可能间隔安装密封部分。这就减少了要求的密封的数量及在工业过程中的装配时间。在这种情况下，某些附加波导由在两侧放置的波导的相邻壁所构成，并且这些波导包括空气作为绝缘体代替绝缘泡沫。这个结构在图6中被表示出来。在图6中，波导60和61包括空气作为一个绝缘体，在这个例子中，这意味着只需用三个密封41，42和43来代替五个。也可能在60和61位置上放两个密封来代替密封41，42和43。由此部分41-43形成填充空气的波导。

壁35和36也带有槽口46和47。如图4所示的槽口47用来通过控制接线32至MMIC元件11。另外，壁35和36位于槽口的两侧，在如板8的上面的48的金属镀层上。金属镀层48最好经由电镀金属孔49被连接到板9的导电镀层25。导电镀层25最好被连接至地。

在一个例子中，槽口46的高度50大约是1mm，而通道34的深度51大约是2mm。因此，外壳30和顶盖31和板8共同构成一个组件，它对于由MMIC元件11产生的电磁波的传播是完全密封的。顶盖31通过装有螺孔53的凸缘52被固定在外壳30上。

本发明的一个特性是MMIC元件11的盖以由金属制成代替现有技术中的由绝缘陶瓷材料制成。盖11的传导特性是这样的，以在MMIC放大元件的内侧和外侧构成波导。

已观察到，如果波导41至43来使深腔33的输入法兰52和输出法兰53彼此接合，则隔断现象确定是相同的。反向波传播被预防。似乎波导41至43构成对于返回波较好的但封闭的通道。通常，如果要被阻断的波的频率增加，它仅需要增加波导41至43的数量，而相应减小它们的尺寸。

在一个例子中，对于一个平均放大系数60dB，图3示出了应用本发明放大器所获得的放大曲线28，及以现有技术在相同的条件下获得的曲线29。如果借助于加到接片10上的控制信号，增益被进一步增加，放大系数29不可预见的性质将显示达到一个更大的程度。那种放大器将不能使用，因为它将要把某些波谱元件放大得太强(它将是准振荡)，而它将完全抑制其它的波谱元件。相反地，在本发明中，增益与波谱元件值无关，而是相同的。

Claims (9)

1.一种用于放大在高频段(28)分布的电信号的高增益放大器，该放大器包括一个放大电路(1)，该放大电路被安装在一个支架上并由一个盖(11)覆盖，该放大电路具有在第一侧(6)的一个信号输入端，和对着所述第一侧的第二侧(7)的一个信号输出端，所述放大器其特征在于它包括细分装置(17，18)，它用于将位于所述盖和所述支架之间的空间细分成辅助波导(13-15)，产生的波导的特性不适合于使其频率位于所述放大器高频段的信号在所述输出端和所述输入端之间传播。

2.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于：所述细分装置包括一个棒(17)，该棒具有一个导电的外部表面，对准(align)在从所述放大器的输入端至所述输出端的方向，并位于所述支架和所述盖之间，在构成所述放大电路的集成电路的边缘上。

3.根据权利要求2所述的放大器，其特征在于所述棒为排成一排的两个部分(171，172)。

4.根据权利要求1至3中的任意一个权利要求所述的放大器，其特征在于所述放大电路包括具有高于高频段的低截止频率的一个过渡空间(22)，并且在于，在所述的过渡空间里，辅助波导的特性(23，24)被修正。

5.根据权利要求1至4中任意一个权利要求所述的放大器，其特征在于它包括装有一个顶盖(31)的一个外壳(30)，及在所述外壳的里面的至少一个放大电路(1)，并且在于在该放大电路的顶盖和所述盖之间的一个空间(33)由附加波导(41-43)所细分，所述附加波导的特性不适合于使其频率位于该放大器的高频段的信号传播。

6.根据权利要求5所述的放大器，其特征在于所述顶盖和所述盖之间的所述空间由其外表面是导电的弹性棒所细分。

7.根据权利要求5至6中任一项所述的放大器，其特征在于所述盖具有含有一个通道(34)的深腔，所述深腔容纳所述附加波导，所述通道用于将所述放大电路的输入端(6)和输出端(20)分别地连接至所述外壳的一个输入端(39)和一个输出端(38)，并从那里使它们各自隔离。

8.根据权利要求1至7中任意一个权利要求所述的放大器，其特征在于所述辅助或附加波导的尺寸是足以使LSM11或TE10模式传播。

9.根据权利要求1至8中任意一个权利要求所述的放大器，其特征在于所述盖(11)是由金属制成的。

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