CN1377099A - 波导内固态功率合成器 - Google Patents

Abstract

一种模块组合式波导内固态功率合成器,其特征在于:采用功能模块组合结构,包括两个半封闭功率合成模块、至少一个H形功率合成模块和部分波导块,所述H形模块和部分波导块拼装于两个半封闭模块之间,所有的模块、部分波导块的相关面构成封闭的波导。其构思新颖,器件、渐变鳍线阵和微带阻抗变换器阵与热沉一体化,组合方便,散热性能好,能同时达到大功率、宽频带、高增益和高效率,是替代大功率行波管TWT等的新一代器件。

Description

波导内固态功率合成器

本发明属于微波和毫米波发射系统中使用的大功率固态放大组件，具体是一种由若干功能模块组成的波导内固态功率合成器。

目前固体器件的频率已扩展到数百GHz，即亚毫米波段。在微波和毫米波波段，单个固体器件的混合集成电路和单片微波毫米波集成电路(MMIC)已得到了广泛应用，低噪声和小功率的电真空器件(TWT & Klystron)已被全面取代。但在大功率宽频带方面，固体器件仍显不足，电真空器件仍据主导地位。然而，由于固体器件体积小、重量轻、低电压、高可靠、长寿命和易于大规模生产等优点，人们一直在大力发展大功率固体器件，并取得了巨大进展。

同时，又发展了功率合成技术，即将多个固体功率器件的输出叠加起来，以得到数倍于单个器件的功率。目前广泛采用的功率合成技术有三大类，分别称为芯片级、电路级、空间级功率合成技术，在输出功率大大提高的同时，频带宽度能够复盖整个波导带宽，与TWT相比毫不逊色，有关资料显示，微波毫米波固态功率放大器(SSPA)势必取代大功率TWT的局面将在国外市场上出现。

(1)、芯片级功率合成技术主要由器件设计制造者采用，它是后几种功率合成技术的基础。随着频率的提高，单个固体器件芯片的面积越来越小，限制了功率的进一步提高。由于器件设计制造者的不断努力，单片微波集成电路的功率输出越来越大，目前已达到相当高的水平。

(2)、电路级功率合成放大器发展较为迅速，型式多样，应用较广泛，最常用的是二路合成，四路和八路合成的也有，微波电路较多采用平面电路。当采用的有源器件增加时，合成器的损耗增加，合成效率降低，加工制造愈复杂，要求也愈高。另外，大的带宽和高的效率难于兼得。以这种功率合成技术生产的SSPA可达到中等大小的功率输出，无论在功率电平还是带宽方面，都无法与大功率TWT等竞争。

(3)、空间功率合成放大器又分开放空间、半开放空间和封闭空间合成三种类型。开放空间功率合成主要用于相控阵雷达，半开放空间合成主要用于毫米波—光波波段。

封闭空间功率合成是1997年发展出的功率合成新技术。它是一种三维立体结构，在波导内进行功率合成。目前最新进展是在X波段达到150瓦，具有与波导相同的宽带宽，已成为大功率TWT最有力的竞争者。但现有的封闭空间功率合成器，结构较复杂，组装不便，散热效果欠理想，不利于其功率和效率的提高。

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种用于微波和毫米波发射系统的波导内固态功率合成器，其采用若干带有渐变鳍线阵、固体器件以及微带阻抗变换器阵的功能模块组合结构，在封闭的波导内实现功率合成，同时达到大功率、宽频带、高效率和高增益。

本发明提出了波导内固态功率合成器的一种新设计。它包括：若干固体器件、与固体器件连接的输入/输出微带阻抗变换器和输入/输出渐变鳍线阵；采用功能模块组合结构，该功能模块组合结构含两个半封闭功率合成模块8、至少一个H形功率合成模块6和一个部分波导块9，所述H形功率合成模块6和部分波导块9拼装于两个半封闭功率合成模块8之间，所有的模块和部分波导块的相关的面构成封闭的波导。

工作时，来自输入波导入射的电磁波耦合进输入渐变鳍线阵，其总功率被分割成相等的若干份，分别沿每一渐变鳍线无反射地传输，通过相应的微带阻抗变换器传输到相应的固态功率放大器的输入端，得到功率放大。被功率放大后的每一路电磁波信号再经由相应的输出微带阻抗变换器和渐变鳍线无反射地传输，并辐射到输出波导空间，最终实现有效的功率合成。

本发明波导内功率合成器采用功能模块组合结构，渐变鳍线阵和多个固体器件在封闭的波导内实现功率合成，组合方便。其波导的外周设置散热片，渐变鳍线阵和微带阻抗变换器阵均设置于导热性能优良的氮化铝等基片上，氮化铝陶瓷基片紧贴在散热良好的热沉上，功率器件则直接焊接在热沉上，解决了功率器件散热问题，采用高效率微波和毫米微波放大器件，能同时达到大功率、宽频带、高增益和高效率，它将成为替代大功率行波管TWT及速调管(Klystron)等新一代器件。

以下结合附图对本发明进一步说明。

图1是波导内功率合成器原理图；

图2是其渐变鳍线基片在波导E面(电场方向)配置示意图；

图3是波导内功率合成器整体机构示意图；

图4是其氮化铝陶瓷基片上单面渐变鳍线阵图；

图5是其微带阻抗变换器阵和MMIC直流偏置电路图；

图6是其H形热沉结构图；

图7是其H形功率合成模块结构图；

图8是其半封闭热沉结构图；

图9是其半封闭功率合成模块结构图；

图10是其部分波导块结构图。

本发明的原理和结构简图如图1所示，它是由在波导的一个或多个E面(电场方向)上并列放置多个(至少二个)微波毫米波固体放大器件(MMIC)，在每一路串联接入前置放大器和功率放大器，可使每一路增益达到20～40dB。固体放大器件的输入和输出端分别设置有渐变的鳍线天线阵和微带阻抗变换器阵，基片采用导热性能优良的氮化铝等基片，固体放大器件(MMIC)直接焊接在铜质或铝质热沉上，热沉与波导侧壁连成一体，波导厚侧壁的外部则加工成片状作为散热器。

工作时，来之输入波导的电磁波总功率被无反射且等份地耦合到每一渐变鳍线中去，经由相应的微带阻抗变换器进入固体器件的输入端，得到功率放大，经过由与固体器件输出端连接的相应微带阻抗变换器输出到相应的渐变鳍线并辐射到输出波导空间，实现功率合成，最终得到大功率输出。假设每一个固体器件的最大功率输出为P瓦，如有N个固体器件，在满足同相位等幅度条件时，合成功率输出将是Po＝NP，N越大，Po则越大。本发明的特点之一是极易实现10路以上的功率合成。以目前单个内匹配MESFET器件的最大功率分别为：C波段，30W；X波段，10W；Ku波段，10W为例，在理想条件下(即100％合成效率和不考虑插入损耗时)  10路合成后则分别达到：C，300W；X，100W；Ku，100W，与大功率TWT相比毫不逊色。

由于鳍线的特性阻抗随频率的变化很小，在极宽的频带内易于实现阻抗匹配，功率合成器的带宽仅受限于波导本身和固体器件，因此本功率合成器具有与波导相同的宽带宽，完全能与TWT的带宽相比美。

采用高效率的大功率高电子迁移率晶体管(PHEMT)微波毫米波固体器件，使功率合成器的总效率可以达到35～60％，这已达到或优于高效率TWT。

在每一路串联接入前置放大器和功率放大器，可使每一路增益(亦即功率合成器增益)达到20～40dB，也可与TWT相比较了。

如图3所示，本波导内功率合成器由两个半封闭功率合成模块8、至少一个H形功率合成模块6和一个部分波导块9组合而成，所述H形功率合成模块6和部分波导块9拼装于两个半封闭功率合成模块8之间，所有的模块和部分波导块的相关的面构成封闭的波导。其中四个定位销11保证前述部件构成的波导两个宽的内表面分别在一个平面上，所有模块用螺母12紧固，使波导内表面的缝隙最小。图示波导外侧四周设置有片状散热器，片状散热器经过发黑处理。

功率合成器的输入输出结构分三种：波导入一波导出，同轴入一同轴出，同轴入一波导出或被导入一同轴出，这只要在功率合成器的输入或输出波导处加接波导一同轴转换器即可。

渐变鳍线阵在波导E面横向的设置如图2a、2b所示，其上有渐变鳍线的多个基片14被平行地放置在波导的E面，相互间保持适当距离。基片数最少为一片，其上至少有二个渐变鳍线，基片数可多达5-6片，每片上可设量1-5个渐变鳍线，如果5个基片，每个基片上4个渐变鳍线，则将构成20个渐变鳍线的阵列，实现20路的功率合成。由于波导内E面(图2Y轴方向)电场在横向(X轴方向)是正弦分布，即电场是不均匀的，为使耦合到每一片渐变鳍线中去的功率相等，基片在波导E面的位置要仔细考虑和设计。

渐变鳍线阵在波导E面纵向结构如图4所示。单面渐变鳍线15长度L为0.5～1导波波长，终端鳍线的特性阻抗应为50～100欧姆，渐变鳍线的形状应使特性阻抗按最优函数变化，在所需带宽内实现始端波导阻抗和终端鳍线阻抗间的匹配.使其入口处的反射系数最小。输入渐变鳍线阵和输出渐变鳍线阵是对称的。

渐变鳍线阵15做在导热特性优良的氮化铝、氧化铝陶瓷基片或特夫隆(TEFLON)基片上，基片厚度为0.25～0.5mm。渐变鳍线阵15可在氮化铝陶瓷金属化后，用光刻方法制作，然后镀金。

渐变鳍线阵分输入渐变鳍线阵和输出渐变鳍线阵两组，前者位于MMIC输入一端，后者位于MMIC输出一端，两者在结构上是对称的，见图7和图9，其作用亦大致相同，一为与输入和输出波导内电磁场耦合，并且作为功率分配器和功率合成器，二为阻抗变换。

微带阻抗变换器阵如图5所示，微带阻抗变换器阵17包括输入微带阻抗变换器阵和输出微带阻抗变换器阵两组，它们设置于其基片16’上，前者位于MMIC输入端和输入渐变鳍线阵之间并与其连接，后者位于MMIC输出端和输出渐变鳍线阵之间并与其连接(见图7和图9)，两者在结构上是对称的，起的作用相同，即实现MMIC输入或输出阻抗(皆为50欧)与渐变鳍线阵间的阻抗匹配。

所述基片可采用氮化铝陶瓷基片，采用单级或多级1/4波长阻抗变换形式，根据带宽、最小反射系数和插入损耗以及输入输出端连接的阻抗数值，选取最平坦、等波纹或椭圆变换函数，计算出微带阻抗变换器电路尺寸。当然也可采用渐变形式的微带线变换器。它们被安装在相应热沉上。为减小它们占用的面积，其几何形状可制成曲折线形式。其上还印制有用于MMIC电源引线的微带线19，微带线19中四个与中间的两个MMIC通过空气桥20连接，电路的制造方法与渐变鳍线阵相同。所述基片上开有四个孔21，其位置与热沉上焊装的四个MMIC(图7和图9)的位置相对应，尺寸比MMIC略大。

为了提高合成器功率增益，每一路放大器采用一个推动级和一个功放级串联构成，从而使功率合成器同时达到大功率、宽频带、高效率和高增益。单个微波和毫米波固体功率放大器件的增益较小，一般为7～9dB左右，内匹配的MMIC约为16～19dB，在每一路中采用一个19dB的小功率MMIC作为推动级，一个19dB的大功率MMIC作输出级，将达到38dB的高增益，如图1、7、9所示。在本功率合成器中使用的MMIC是无封装外壳的集成电路芯片，具有50欧姆的输入和输出阻抗，直接焊接在热沉上。采用高效率大功率PHEMT微波毫米波固体器件，使功率合成器的总效率可以达到35～60％。具体实施例中推动级和功放级可选用国产Ampc 01116和美国TGA 9083-EEU等芯片。

直流偏置电路19如图5所示用微带线制成，一端从波导侧壁两边缝隙引出(见图3)与直流电源连接，另一端与每个MMIC 18的加压电极或直接连接(外侧MMIC)，或通过空气桥20连接。

热沉被用来安装MMIC、输入/输出微带阻抗变换器阵基片和输入/输出渐变鳍线阵基片。由于大功率MMIC耗能较大，必须采用导热特性好的铜或铝制作，其结构如图6、8所示。这里采用两种结构。一种如图6所示为H形热沉，其厚度由并列的渐变鳍线阵基片数和MMIC最大功率输出经热学设计确定，保证足够大的热容量。尺寸b1与波导窄面b相同，内侧面在总装后将成为波导内表面的一部分，尺寸LI由MMIC和二个微带阻抗变换器尺寸而定。在H形热沉向上的一面与内侧面相交的棱处加工成L形，以使嵌装输入/输出渐变鳍线阵基片。

图7表示H形功率合成模块，该模块6由H形热沉5、依次安装在H形热沉5上的输入渐变鳍线阵基片1、固态放大器件(MMIC)18、输入/输出微带阻抗变换器阵基片16(包含直流偏置电路19)和输出渐变鳍线阵基片2组成。MMIC被焊装在H形热沉5的中横隔向上一面的浅槽内，相互间保持适当间隔，最外的MMIC可焊装到加厚了的波导侧壁部分向上的表面浅槽内。功耗大的大功率固态器件被直接焊在铜质或铝质热沉上，厚度和体积大，热容量也大；

半封闭式热沉结构如图8所示，其形状类似三个侧壁加厚了的部分波导，中间部分设置横隔。由于此横隔与波导的三个侧面相连，热容量大，热传导横截面大，热阻小，热特性好，特别适合单个MMIC功率较大时采用。该热沉结构的其它部分与H形热沉相同，不再赘述。

图9所示半封闭功率合成模块8以图8所示热沉为基体，在半封闭热沉7上依次安装输入渐变鳍线阵基片3、固态放大器件(MMIC)18’、输入/输出微带阻抗变换器阵基片16’(包括直流偏置电路19)和输出渐变鳍线阵基片4等。

部分波导块结构如图10所示。部分波导块9也呈H形，其两侧可设置散热片，其内侧面将成为总装后完整波导内侧宽面的一部分，其上的横隔使其上下微波电路分隔开，以避免相互间产生耦合。

波导外壁设置片状散热器，以便最有效地将固体器件消耗的功率耗散到周围空间中去。铝质片状散热器可以焊装在加厚了侧壁的波导外侧四周，也可将加厚的波导侧壁加工成散热片状(见图6和图8)，以加大与空气的接触面积，散热片作发黑处理，加大热辐射效率，提高散热效果。

Claims (10)

1、一种波导内固态功率合成器，其特征在于：采用功能模块组合结构，包括两个半封闭功率合成模块(8)、至少一个H形功率合成模块(6)和一个部分波导块(9)，所述H形功率合成模块(6)和部分波导块(9)拼装于两个半封闭功率合成模块(8)之间，所有的模块和部分波导块的相关的面构成封闭的波导。

2、根据权利要求1所述的波导内固态功率合成器，其特征在于：所述H形功率合成模块(6)由H形热沉(5)、依次安装在H形热沉(5)上的输入渐变鳍线阵基片(1)、固态放大器件(18)、输入/输出微带阻抗变换器阵基片(16)和输出渐变鳍线阵基片(2)组成。

3、根据权利要求2所述的波导内固态功率合成器，其特征在于：所述H形热沉(5)的纵向内侧面是组合后的波导内壁的一部分。

4、根据权利要求2所述的波导内固态功率合成器，其特征在于：所述的H形热沉(5)是铜质或铝质热沉。

5、根据权利要求1所述的波导内固态功率合成器，其特征在于：所述半封闭功率合成模块(8)由半封闭热沉(7)、依次安装在半封闭热沉(7)上的输入渐变鳍线阵基片(3)、固态放大器件(18’)、输入/输出微带阻抗变换器阵基片(16’)和输出渐变鳍线阵基片(4)组成。

6、根据权利要求5所述的波导内固态功率合成器，其特征在于：半封闭热沉(7)类似三侧壁加厚的部分开波导，中间设置有与波导三侧壁相连的横隔。

7、根据权利要求5所述的波导内固态功率合成器，其特征在于：所述的半封闭热沉(7)均是铜质或铝质热沉。

8、据权利要求2或5所述的波导内固态功率合成器，其特征在于：所述模块中每一路固态放大器件(MMIC)由推动级和功放级串联组成。

9、根据权利要求1所述波导内固态功率合成器，其特征在于：所述的波导外侧四周设置有片状散热器。

10、根据权利要求9所述波导内固态功率合成器，其特征在于：所述的片状散热器经过发黑处理。

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