CN202363569U - 一种宽带波导行波功率合成放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种宽带波导行波功率合成放大器，包括两个宽带同相或反相波导行波功率分配/合成器和至少一个功率放大器模块。宽带同相或反相波导行波功率分配/合成器包括输入波导、至少一级耦合结构、一个以上的输出波导，以及连接耦合结构与输出波导的匹配过渡结构；每级耦合结构垂直于输入波导的行波方向设置，除最末一级耦合结构之外，每级耦合结构处设有用于防止波导中电磁场传播时在每级耦合结构形成反射现象的匹配膜片；输出波导垂直于输入波导的方向设置，所述每级耦合结构相连的输出波导的长度各不相同，最终实现输出信号等幅同相。本实用新型的功率合成放大器是一种应用于微波高端和毫米波波段的多路、宽带、高效率的合成放大器。

Description

一种宽带波导行波功率合成放大器

技术领域

本实用新型涉及用于微波和毫米波频段的功率合成技术，尤其涉及一种可宽带工作的波导行波功率合成放大器。

背景技术

在微波毫米波频段，人们普遍采用功率合成网络将多个固态器件的输出功率合成，从而实现大功率固态器件。功率合成技术有振荡型合成和放大型合成两类，其中功率合成放大器应用非常广泛。无论哪一类，均是通过一个功率合成网络合成多个固态器件的输出功率，实现大功率合成放大器。功率合成网络的性质直接决定了合成放大器的性能，因此，功率合成技术研究的重点主要是功率合成网络的性质，探索哪种合成网络拓扑结构可以实现最大效率的宽带大数目的功率合成。

近几年，相继报道了一些波导行波功率合成放大器结构。这种结构沿着输入波导的电磁场传播方向垂直插入多路耦合结构，电磁波从输入波导进入后，在传播的过程中依次地把功率馈入多路耦合结构。同时利用匹配膜片，使得波导中电磁场传播时在每个耦合结构处都无反射，实现行波传输。耦合结构与放大器电路相连接，经过放大后的功率又依次通过耦合结构馈入输出波导，在波导输出端口等幅同相输出，实现功率合成。这种结构有望实现Ka波段甚至更高波段多路放大器合成，实现大功率输出。由于是沿着行波方向放置放大器阵列，从理论上讲，这种结构没有芯片路数的限制，同时又具有波导低损耗的特性，因此，利用该结构有望在微波高端和毫米波波段获得高效率、大功率、结构紧凑和易于散热的合成放大器。

基于微带结构的行波功率分配/合成器可以实现宽带功率分配，并且输出端口隔离。不过随着频率的升高，微带线的损耗变大。随着合成路数的增加，传输线的长度增加，损耗会随着合成路数的增加而增加，这将降低合成放大器的合成效率，过大的损耗甚至会使合成放大器失去应用的意义。因此，在微波高端和毫米波波段，基于微带结构的行波功率分配/合成放大器并不适合于多路数的功率合成。基于波导行波功率合成结构，以其低损耗，高功率容量和良好的散热等特性而在微波毫米波波段得到广泛的应用。对于波导行波功率合成结构，所见报道的结构均没有解决一个问题，就是由于微波信号从输入端口到各耦合结构输出所传输的路径长度不一致，导致功率分配器的输出端口相位不一致。当功率分配器的输出端口相位不一致时，连接功率分配器输出端口的放大器单元的输入反射信号会进入到其余放大器单元处，从而相互影响，使得各个放大器单元的输入信号不一致，这样会导致放大器单元工作状态不一致，这将严重影响功率合成放大器的稳定性和线性。由此而知，以前提出的行波功率合成放大器结构一般工作在功率分配器同相(或反相)输出的频率点附近，只适合窄带工作。因此非常有必要开发一款可以实现宽带同相或反相输出的行波功率分配/合成器结构用于实现宽带功率合成放大器。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种宽带波导行波功率合成放大器，该放大器利用宽带同相或反相输出波导行波功率分配/合成器，实现功率等幅同相输出，保证合成放大器的放大器单元的输入功率在宽频带内处于等幅同相状态。该宽带工作波导行波功率合成放大器能够实现在微波高端和毫米波波段的多路、宽带和高效率(低损耗)的功率合成。

为了达到上述目的，本实用新型是通过下述技术方案予以实现：一种宽带波导行波功率合成放大器，其特征在于：包括两个宽带同相或反相输出波导行波功率分配/合成器和至少一个功率放大器模块，其中一个宽带同相或反相输出波导行波功率分配/合成器作为功率分配器，另一个宽带同相或反相输出波导行波功率分配/合成器作为功率合成器；所述宽带同相或反相输出波导行波功率分配/合成器包括输入波导、至少一级耦合结构、一个以上的输出波导，以及连接耦合结构与输出波导的匹配过渡结构；所述匹配过渡结构用以实现耦合结构和输出波导间的阻抗匹配，达到最大带宽的匹配输出；所述每级耦合结构垂直于输入波导的行波方向设置，除最末一级耦合结构之外，每级耦合结构处设有用于防止波导中电磁场传播时在每级耦合结构形成反射现象的匹配膜片，所述匹配膜片是指感性膜片，所述匹配膜片位于该级耦合结构和下一个耦合结构之间；所述输出波导垂直于输入波导的方向设置，所述每级耦合结构相连的输出波导的长度各不相同，第一级耦合结构对应的输出波导的长度最长，依次缩短；每一级输出波导的长度符合如下条件：任意一级输出波导的长度等于从该级开始到最末级耦合结构之间的输入波导长度与最末一级输出波导的长度之和，最终实现输出端口的输出信号幅度和相位一致，使得合成放大器中的放大器单元的输入信号在宽频带内处于等幅同相状态，从而实现宽带的波导行波功率合成。

所述功率放大模块位于所述功率分配器和所述功率合成器之间，每个功率放大器的输入口分别连接功率分配器的一个输出波导，输出口连接功率合成器的一个输入波导；所述功率合成器与功率分配器呈旋转对接放置形式，将所述功率分配器的第一级耦合结构对应的输出波导对应功率合成器的最末级耦合结构对应的输入波导。

更具体地说，所述每级耦合结构设有至少一路的耦合单元，所述每级耦合结构的每路耦合单元处于输入波导的一侧或两侧宽边上距离该侧宽边中心线对称的位置。

所述的耦合结构用于实现宽频带内信号等幅度输出，耦合结构是指下列类型的其中一种：微带探针型耦合结构、共面波导探针型耦合结构、同轴探针型耦合结构和脊波导探针型耦合结构。

所述的脊波导探针型耦合结构包括作为主体的脊波导和由脊波导上凸起的导体脊延长而形成的、用于插入到输入波导的探针结构，所述的脊波导探针为全波导结构，没有引入介质损耗，损耗低且易于加工。

所述的匹配过渡结构是指下列类型中的一种：单节四分之一阻抗变换器、多节四分之一阻抗变换器、切比雪夫阻抗变换器和渐变传输线。

所述宽带波导行波功率合成放大器关于输入输出波导传播方向中心线的水平截面对称。

本实用新型提出的宽带工作波导行波功率合成放大器中的宽带同相或反相功率分配/合成器原理如下：当微波信号从输入波导进入后，在传播的过程中将一部分功率同时馈入第一级M路耦合单元，剩余功率继续沿波导传输，再馈入下一级M路耦合单元。当总共存在N级耦合结构，每级M路耦合单元时，则可引出M×N路信号。进入耦合单元的微波信号通过一个宽带匹配过渡结构传输到输出波导中，最后在输出端口输出。由于输出波导长度不一，微波信号在每级输出波导中传输所引起的相位滞后各不一样，越靠近输入的耦合结构对应的输出波导所引起的相位滞后越大，最终实现输出端口的输出信号相位一致，使得合成放大器中的放大器单元的输入信号在宽频带内处于等幅同相状态，从而实现宽带的波导行波功率合成。在该结构中，同时利用匹配膜片，使得波导中电磁场传播时在每级M路耦合单元处都无反射，从而实现行波传输。

本实用新型的宽带工作波导行波功率合成放大器是利用上述宽带同相或反相波导行波功率分配/合成器构成的宽带功率合成放大器。这种功率合成放大器包括一个功率分配器，至少一个功率放大模块，一个功率合成器。所述功率分配器和功率合成器的结构形式都是宽带同相或反相输出波导行波功率分配器，功率合成器只是将功率分配器反过来应用而已。该功率合成器与功率分配器呈现一种旋转对接放置形式。也就是说功率分配器的第一级输出口将对应功率合成器的最末级输入口。功率放大模块位于功率分配器和功率合成器之间，其输入口连接功率分配器的输出口，输出口连接功率合成器的输入口。功率放大模块的形式并不固定，只需满足上述端口要求。功率放大模块为波导端口，可以结合其它高性能的功率合成结构，例如可以在功率放大模块中结合耦合器结构或者魔T结构等。

与现有的技术相比，本实用新型具有如下优点：

1、本实用新型提供一种宽带工作波导行波功率合成放大器，通过合理设计耦合结构和输出波导的长度，可以保证功率分配/合成器输出功率在宽频带内等幅同相输出。当该功率分配/合成器应用于功率合成放大器技术中时，保证了功率合成放大器的放大器单元的输入信号在宽频带内处于等幅同相状态，从而实现宽带的波导行波功率合成。

2、本实用新型提供的宽带工作波导行波功率合成放大器，其功率分配/合成器通过适当延长输出波导的长度，可以保证功率分配/合成器输出功率在宽频带内同相位输出。

3、本实用新型提供的宽带工作波导行波功率合成放大器，其功率分配/合成器通过合理设计耦合结构和耦合结构间的距离，实现功率分配器在宽频带内的等幅度输出。

4、本实用新型提供的宽带工作波导行波功率合成放大器，利用空间功率合成技术，在输入波导的一侧或两侧宽边上距离该侧宽边中心线对称的位置耦合探针，在提高合成路数的同时保证损耗基本保持不变，能够实现高效率的功率合成。

5、本实用新型提供的宽带工作波导行波功率合成放大器，其功率分配/合成器和放大器模块的输入/输出端口形式为波导端口，这种结构形式非常容易结合其他高性能功率合成结构，如耦合器结构、魔T结构等。功率放大模块可以单独制作，便于加工调试。

6、本实用新型所提供的脊波导探针型耦合波导行波功率分配器是一种全波导结构，没有引入任何介质，因此没有介质损耗，只有很低的导体损耗。这种功率分配器可以实现非常高效率的功率合成。

7、本实用新型所提供的脊波导探针型耦合波导行波功率分配器是一种波导结构，各个部分都是在同一块金属中挖出各种腔体构成，这种结构易于机械加工和安装。

附图说明

图1是脊波导探针型耦合的宽带工作波导行波功率分配器构成的合成放大器的透视图；

图2是图1中A部分局部图；

图3是图1中脊波导探针型耦合的宽带工作波导行波功率分配器11的底部；

图4是图1中脊波导探针型耦合的宽带工作波导行波功率分配器11的底层111的加工结构图；

图5是图1中脊波导探针型耦合的宽带工作波导行波功率分配器11的中间层112的加工结构图；

图6是图1中功率放大器模块12的结构图；

图7是微带探针型耦合的宽带工作波导行波功率分配器结构图；

图8是同轴探针型耦合的宽带工作波导行波功率分配器结构图；

图9是同轴探针型耦合同轴输出的宽带工作波导行波功率分配器结构图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例一

该实施例运用脊波导探针型耦合结构来说明本实用新型的基本思想。如图1脊波导探针型耦合的宽带同相或反相波导行波功率分配器构成的合成放大器的透视图所示，整体结构由功率分配器11，放大器模块12和功率合成器13构成。功率合成器13在结构形式上与功率分配器11是一致的，只是沿着垂直方向与功率分配器呈旋转对接形式放置。功率分配器11包括输入标准波导21，脊波导探针型耦合结构31-34，匹配膜片41-43，脊波导探针型耦合结构到输出波导的匹配过渡结构231-234，以及输出波导241-244等部分。功率从功率分配器11的输入波导21中输入，传播时按等比例依次馈入各级耦合结构34-31，通过输出波导244-241传输到功率放大模块放大后，再通过功率合成器13的输入波导271-274输入到耦合结构101-104，依次馈入功率合成器13的输出波导28，这些微波功率在功率合成器13的输出口等幅同相输出，实现功率合成。该实施例中功率分配器和功率合成器的每一级耦合结构在标准输入波导21的一侧宽边上关于中心线对称的插入两路耦合单元，有四级耦合结构，一共8路波导输出。可以构造更多级数，每级更多耦合单元的结构。

整个结构关于通过输入输出波导传播方向中心线的水平截面对称。

图2是图1中A部分局部图，该图具体显示了脊波导探针型耦合结构34和脊波导探针型耦合结构到输出波导的匹配过渡结构234。这两个部分的性能对波导行波功率分配器的特性影响很大。图2中显示的是脊波导探针型耦合结构34，包括插入波导探针部分341，高阻抗段342和脊波导传输部分343。每一级耦合结构的插入波导探针部分长度不一，这与每级耦合结构所需要的耦合度有关，最末级31的探针部分最长。高阻抗段342为一小段阻抗较高的脊波导，通过切除其部分导体脊的方式实现，也可以考虑改变脊波导腔体尺寸实现。调节该高阻抗线的长度以及其阻抗，可以很大程度上改变探针引入的电抗。高阻抗线的引入有利于实现脊波导与输入波导的匹配，从而在宽频带内实现信号等幅度输出。

图3为脊波导探针型耦合的宽带同相或反相波导行波功率分配器11的底部，包括底层111和中间层112的一半。功率分配器的输出波导241-244的长度不一致，从241到244依次增长。任意级输出波导的长度等于从该级开始到最末级耦合结构之间的输入波导长度与最末一级输出波导的长度之和。例如，244的的长度等于从该级耦合结构34的中心位置开始到最末级耦合结构31的中心位置之间的输入波导长度加上最末级输出波导241的长度。通过适当延长输入波导的长度，可以保证输出波导等相位输出，使得功率合成放大器的放大器单元的输入信号在宽频带内处于等幅同相状态，从而实现宽带的波导行波功率合成。

除最末级外，每一级脊波导探针的旁边有匹配膜片41-43，它们起到匹配作用，即在波导输入端看去是匹配的，膜片同时对功率分配起到作用。匹配膜片41-43的位置及高度根据探针引入的电纳和电导值来进行设计。一般情况下，越后级高度膜片高度越大，倒数第二级最大。最末级处不存在匹配膜片41-43，此时利用一个短路面来抵消探针引入的电纳值，实现匹配。

脊波导探针型耦合结构到输出波导的匹配过渡结构存在多种形式，该实施例中的匹配过渡结构234包括两个部分，即较高阻抗脊波导51和窄边减小的矩形波导52。其中52的中心导体脊部分比脊波导探针部分略大，其腔体尺寸宽边与标准波导一致，窄边略窄一些。窄边减小的矩形波导52是一个窄边尺寸减小的减高波导。

图1中的功率分配器结构11可分为三部分进行加工，即底层111、中间层112以及顶层113。底层和顶层是一个镜像关系。图4显示了底层111的结构模型。图5显示了中间层112的结构模型。它们都是在一整块金属上挖出各种腔体而形成。

功率放大模块12可以采取多种形式，只需要满足所需的端口关系即可。本实施例中引入一种两路空间功率合成结构。图6给出了功率放大模块12的具体结构图。放大模块的基本工作过程是通过一个波导51输入信号功率，然后通过平面探针61耦合到微带中，再连接放大器71，最后放大器输出的功率通过微带探针耦合到输出波导中。放大模块中的微带探针61和放大器单元71均是底层和顶层同时存在的，这实际上是一种两路空间功率合成结构。图6中输入波导及输出波导有一个90度的拐弯，图中利用了切角结构52来实现匹配。图6中所有的放大器芯片均是焊接到底层或底层金属腔体上，这可以实现很好的散热。顶层和底层表面可设计为片状散热结构，进行发黑处理，进一步改善散热，还可进一步使用风扇进行强制散热。

实施例二

如图7所示，该图示意了一个微带探针型耦合同相输出功率分配器结构。本实施例与实施例一不同之处仅在于，该实施例运用微带探针型耦合结构来说明本实用新型的基本思想。该结构与脊波导探针型耦合波导行波功率分配器的主要差别是耦合结构的形式换为了微带探针，相对应的，引入了微带到输出波导的匹配过渡结构。该结构仍然通过延长输出波导来调节功率分配器的输出相位一致。微带探针的设计原理与脊波导探针结构的设计基本一致。微带到输出波导的匹配过渡结构采用的是探针过渡形式，通过在波导252宽边上插入微带探针251，在离探针一定距离处设置短路面实现微带到波导252的过渡，波导252通过90度拐弯形成输出波导，拐弯处存在匹配切角253。其它结构同实施例一一致。

实施例三

如图8所示，该图示意了一个同轴探针型耦合同相输出功率分配器结构。本实施例与实施例一不同之处仅在于，该功分器的耦合结构形式换为了同轴探针，相对应的，引入了同轴到输出波导的匹配过渡结构。该结构仍然通过延长输出波导来调节功率分配器的输出相位一致。同轴探针的设计原理与脊波导探针结构的设计基本一致。同轴到输出波导的匹配过渡结构采用的是探针过渡形式，通过在波导262宽边上插入同轴探针261，在离探针一定距离处设置短路面实现同轴到波导262的过渡，波导262通过90度拐弯形成输出波导，拐弯处存在匹配切角263。其它结构同实施例一一致。

实施例四

如图9所示，该图示意了一个同轴探针型耦合同轴输出功率分配器结构。本实施例与实施例一不同之处仅在于，该功率分配器的耦合结构形式换为同轴探针，同时输出端口也为同轴形式。该结构通过延长输出同轴线来调节功率分配器的输出相位一致。其它结构同实施例一一致。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种宽带波导行波功率合成放大器，其特征在于：包括两个宽带同相或反相波导行波功率分配/合成器和至少一个功率放大器模块，其中一个宽带同相或反相波导行波功率分配/合成器作为功率分配器，另一个宽带同相或反相波导行波功率分配/合成器作为功率合成器；所述宽带同相或反相波导行波功率分配/合成器包括输入波导、至少一级耦合结构、一个以上的输出波导，以及连接耦合结构与输出波导的匹配过渡结构；所述匹配过渡结构用以实现耦合结构和输出波导间的阻抗匹配，达到最大带宽的匹配输出；所述每级耦合结构垂直于输入波导的行波方向设置，除最末一级耦合结构之外，每级耦合结构处设有用于防止波导中电磁场传播时在每级耦合结构形成反射现象的匹配膜片，所述匹配膜片是指感性膜片，所述匹配膜片位于该级耦合结构和下一个耦合结构之间；所述输出波导垂直于输入波导的方向设置，所述每级耦合结构相连的输出波导的长度各不相同，第一级耦合结构对应的输出波导的长度最长，依次缩短；每一级输出波导的长度符合如下条件：任意级输出波导的长度等于从该级开始到最末级耦合结构之间的输入波导长度与最末一级输出波导的长度之和；

所述功率放大模块位于所述功率分配器和所述功率合成器之间，每个功率放大器的输入口分别连接功率分配器的一个输出波导，输出口连接功率合成器的一个输入波导；所述功率合成器与功率分配器呈旋转对接放置形式，将所述功率分配器的第一级耦合结构对应的输出波导对应功率合成器的最末级耦合结构对应的输入波导。

2.根据权利要求1所述的宽带波导行波功率合成放大器，其特征在于：所述每级耦合结构包括至少一路的耦合单元，所述每级耦合结构的每路耦合单元处于输入波导的一侧或两侧宽边上距离该侧宽边中心线对称的位置。

3.根据权利要求1或2所述的宽带波导行波功率合成放大器，其特征在于：所述的耦合结构用于实现宽频带内信号等幅度输出，耦合结构是指下列类型的其中一种：微带探针型耦合结构、共面波导探针型耦合结构、同轴探针型耦合结构和脊波导探针型耦合结构。

4.根据权利要求3所述的宽带波导行波功率合成放大器，其特征在于：所述的脊波导探针型耦合结构包括作为主体的脊波导和由脊波导上凸起的导体脊延长而形成的、用于插入到输入波导的探针结构，所述的脊波导探针为全波导结构。 

5.根据权利要求1所述的宽带波导行波功率合成放大器，其特征在于：所述的匹配过渡结构是指下列类型中的一种：单节四分之一阻抗变换器、多节四分之一阻抗变换器、切比雪夫阻抗变换器和渐变传输线。

6.根据权利要求1所述的宽带波导行波功率合成放大器，其特征在于：所述宽带波导行波功率合成放大器关于输入输出波导传播方向中心线的水平截面对称。 

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